基于GPS電離層層析技術(shù)的地震電離層異常研究

劉 瑩 章文毅 戴吾蛟 陳必焰

1 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京市鄧莊南路9號，100094

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京市玉泉路甲19號，100049

3 中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，長沙市麓山南路932號，410083

在地震前兆異常信息的研究中，孕震期內(nèi)巖石圈－大氣層－電離層之間的耦合機(jī)制及震前電離層異常現(xiàn)象［1－7］是熱點問題。傳統(tǒng)的電離層異常監(jiān)測主要依靠分布在全球的200多個電離層探測儀，但這種監(jiān)測手段的空間分辨率太低，且易被短波干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失?；贕PS地基監(jiān)測網(wǎng)的電離層探測方法可以反演GPS測站上空電離層TEC或VTEC 的變化，被廣泛應(yīng)用在電離層物理特性的研究中。而基于GPS雙頻無幾何距離組合的傳統(tǒng)方法僅能重構(gòu)出L波段在傳播路徑上的總TEC 變化，而忽略TEC 隨高度的變化。部分學(xué)者對電離層層析進(jìn)行研究。聞德保［8］依據(jù)GPS電離層層析模型反演了中國區(qū)域三維電離層變化模型。楊劍［9］等提出利用GPS電離層層析模型研究汶川地震前4d的電離層異常。本文利用GPS電離層層析技術(shù)反演不同地震電離層中電子密度三維分布的異常變化，以克服常規(guī)地基GPS監(jiān)測電離層方法的局限性，給出電離層電子密度隨高程變化的情形，得到異常變化及其規(guī)律。

1 電離層重構(gòu)與異常檢驗方法

利用GPS雙頻載波平滑測距碼求出的TEC值理論上可達(dá)0.01TECu［4］，因此選擇此方法解算TEC值。采用基于像素基的電離層層析方法，地面站至衛(wèi)星連線的TEC為［4］：

y為TEC觀測值，A為截距，x為電子密度值，e為觀測誤差。

為解決電離層電子密度反演中數(shù)據(jù)缺失問題，引入單層電離層模型，并采用IRI2007模型提供的重建區(qū)域電子密度作為初始值，利用乘法代數(shù)迭代算法（MART）得到各格網(wǎng)的電子密度值：

式中，xk＋1是像素矢量第k＋1步迭代值，aT是A的第i行轉(zhuǎn)置（即第i條GPS射線）。

圖1為利用電離層層析技術(shù)探測的2012－02－01～11新疆地區(qū)電離層電子密度數(shù)據(jù)中位數(shù)和平均值示意圖。研究表明，如果數(shù)據(jù)資料中異常值個數(shù)不超過總個數(shù)的一半，中位數(shù)和平均數(shù)在判斷電子密度異常中的評判作用相當(dāng)，差別在于是否受到異常值影響。

考慮到電離層電子密度變化具有時間效應(yīng)，而且進(jìn)行檢驗的數(shù)據(jù)不應(yīng)受到震中及震后等因素的影響，因此設(shè)定滑動窗口的時長為10d。另外，還要剔除太陽和地磁活動的影響。這種方法稱為滑動平均法。

圖1 2012－02－01～11新疆地區(qū)電離層電子密度數(shù)據(jù)異常探測Fig.1 Ionospheric electron density anomaly detection in Xinjiang during 1th to 11th February，2012

2 震例分析

據(jù)臺灣氣象局測定，2012－02－26 10：35屏東縣發(fā)生6.1級地震，深度約20km。利用電離層層析算法計算電離層電子密度并進(jìn)行異常探測。

由圖2可以看出，在排除地磁與太陽磁暴影響后，震中區(qū)域附近高度345、445、495km 處，電子密度在17、23日UT6：00、UT8：00、UT10：00異常增大，22日在UT10：00異常減小。

圖2 2012－02－12～26電子密度時間序列圖Fig.2 Electron density time series during 12th to 26th February，2012

如圖3（e），在排除地磁與太陽風(fēng)暴影響后，經(jīng)探測發(fā)現(xiàn)，臺灣地區(qū)上空地震前4dUT0：00，震前3d UT2：00～6：00、UT12：00、UT16：00、UT20：00～22：00，震前2dUT0：00－12：00、22：00有TEC異常，初步認(rèn)為該異常與地震有關(guān)。

圖3展示了不同震級、不同區(qū)域、不同時間地震發(fā)生時間與探測到的異常時間的關(guān)系。可以看出，電離層出現(xiàn)明顯異常主要集中在地震前幾天或前幾個小時，尤其是地震前1～2d。

限于篇幅，只給出幾個案例。探測臺灣2012－02－22UT0：00 左右的電子密度變化發(fā)現(xiàn)，電離層電子最大減小量為－278 724el／m3，且異常區(qū)域集中于12°～24°N、121°～130°E。在此時間段內(nèi)，電離層密度變化區(qū)域覆蓋震中區(qū)域（22.8°N，120.8°E），在南北方向上能很好地吻合，在東西方向上往東偏移。為了顯示電離層在高度面上的變化，分別截取到地心距離為6 721、6 821和7 121km（地面高度分別為350、450、750 km）的電離層電子密度變化圖，如圖4?？梢钥闯觯婋x層異常區(qū)域在高度層面上表現(xiàn)基本一致，且電子密度為負(fù)值，即電子密度減小。

探測臺灣2012－02－23UT6：00左右的電子密度變化發(fā)現(xiàn)，電子密度最大增加量為775 881el／m3，最大減小量為－484 390el／m3，變化區(qū)域集中于110°～130°E、12°～18°N，相對于震中區(qū)域往南偏移。圖5分別給出2012－02－23UT6：00經(jīng)度面為121°、緯度面為23°、高度面為350km 的電子密度變化情況。

在其他震例中也出現(xiàn)電離層電子密度異常區(qū)域集中于震中附近的現(xiàn)象。如新疆地區(qū)2、3月份震中范圍為39°～47°N、74°～89°E。探測到2012－02－20UT20：00電離層密度異常范圍集中在30°～40°N、80°～90°E，02－28UT4：00電離層密度異常范 圍 集 中 在30°～32°N、70°～80°E，03－05 UT4：00電離層密度異常范圍集中在30°～38°N、70°～90°E，03－06UT18：00電離層密度異常范圍集中在31°～37°N、80°～90°E，03－08 UT0：00電離層密度異常范圍集中在30°～32°N、70°～80°E。結(jié)合圖6～10 發(fā)現(xiàn)，電離層電子密度異常區(qū)域的駝峰向震中區(qū)域的東南方向偏移。這證實了Pulinets的理論：在低緯度區(qū)域，由于其特殊的電動力學(xué)性質(zhì)，地震電離層異常將在一定的經(jīng)度范圍內(nèi)整體改變赤道異常的分布情況，其電離層異常的駝峰有向磁赤道漂移的趨勢［10－11］。

圖3 地震時間與電離層異常時間關(guān)系圖Fig.3 The relationship between seismic time and ionospheric anomalies time

圖4 2012－02－22UT0：00左右高度面上的電子密度變化情況／（104el·cm－3）Fig.4 Electron density change at UT0：00 on February 22，2012

圖5 2012－02－23UT6：00左右電子密度變化情況／（104el·cm－3）Fig.5 Electron density change at UT6：00 on February 23，2012

圖6 2012－02－20UT20：00電子密度異常情況／（104el·cm－3）Fig.6 Electron density anomaly at UT20：00on February 20，2012

3 統(tǒng)計分析

為了統(tǒng)計不同震級地震前的電離層電子密度異常變化規(guī)律，針對日本2011－03地震、蘇門答臘島2012－04地震、中國臺灣2012－02地震和中國新疆2008－03、2012－02／03／06／08地震進(jìn)行探究，得出如下結(jié)論：

1）在低緯度區(qū)域，由于其特殊的電動力學(xué)性質(zhì)，地震電離層異常在一定的經(jīng)度范圍內(nèi)整體改變赤道異常的分布情況。

2）在地震前幾天或前幾個小時出現(xiàn)電離層明顯異常，尤其是在地震前1～2d震中附近，初步認(rèn)為該異常與地震有關(guān)。

3）電離層電子密度出現(xiàn)異常的變化區(qū)域一般涵蓋震中區(qū)域，且離震中越近，電離層異常變化越大。

4）對地震前電離層出現(xiàn)正、負(fù)異常的概率進(jìn)行初步統(tǒng)計，如圖11，未發(fā)現(xiàn)正、負(fù)異常比例與地震之間的關(guān)系。

圖7 2012－02－28UT4：00電子密度異常情況／（105el·cm－3）Fig.7 Electron density anomaly at UT4：00on February 28，2012

圖8 2012－03－05UT4：00電子密度異常情況／（105el·cm－3）Fig.8 Electron density anomaly at UT4：00on March 5，2012

圖9 2012－03－06UT18：00電子密度異常情況／（105el·cm－3）Fig.9 Electron density anomaly at UT4：00on March 6，2012

圖10 2012－03－08UT0：00電子密度異常情況／（105el·cm－3）Fig.10 Electron density anomaly at UT0：00on March 8，2012

圖11 地震正負(fù)異常數(shù)目統(tǒng)計Fig.11 Earthquake positive and negative anomalies statistics

4 結(jié) 語

利用GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行地震電離層異常研究，取得初步成果。但本文僅對7個震例進(jìn)行了分析，因此需要積累全球范圍內(nèi)更多的震例進(jìn)行震前電離層異常分析。在實際運用中，還可附加水平方向平滑約束和垂直約束來提高成像質(zhì)量。在分析電離層異常時，只考慮了太陽和地磁活動影響，其他諸如電離層自身擾動、大氣波動等造成的電離層異常效應(yīng)尚無法完全排除，需要進(jìn)一步研究。

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