東日本大地震電離層異常分析

王　園，白征東，元　榮

(1. 清華大學(xué)土木工程系地球空間信息研究所，北京 100084； 2. 96633部隊(duì)，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong

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東日本大地震電離層異常分析

王園1,2，白征東1，元榮1

(1. 清華大學(xué)土木工程系地球空間信息研究所，北京 100084； 2. 96633部隊(duì)，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong

摘要：目前空基和路基等電磁信號(hào)探測(cè)手段已經(jīng)應(yīng)用于地震電離層異常的探測(cè)。自從GPS數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算電離層電子總量(TEC)，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛關(guān)注的同時(shí)作為一個(gè)可行的手段用于探測(cè)地震前后電離層異常。本文利用東日本大地震震中附近多個(gè)IGS網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分析2011年3月11日發(fā)生的Mw9.0東日本大地震震區(qū)上空電離層信息，計(jì)算出TEC時(shí)間序列并進(jìn)行波譜分析、包絡(luò)線法異常分析、全球電離層異常地圖繪制及震后3 h擾動(dòng)異常分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，震前存在明顯的電離層異常，在3月8日即震前第3天存在異常；同時(shí)也計(jì)算了震后3 h的各站與衛(wèi)星路徑上等價(jià)TEC的P4值；且多個(gè)站與多星路徑上存在著明顯的電離層擾動(dòng)異常，并且不斷遠(yuǎn)離震中，能量逐漸衰減，證明電離層異常的發(fā)生與地震有較明顯的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：GPS；地震；電離層異常；TEC

一、引言

地震電離層耦合領(lǐng)域的研究受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注[1-3]。當(dāng)異常的電磁信號(hào)穿透地表進(jìn)入電離層時(shí)，耦合現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生[4]。關(guān)于異常產(chǎn)生的原因，主要有電磁輻射聲重力波說(shuō)[4]和大氣電場(chǎng)改變說(shuō)[5]等。地震孕育過(guò)程中的電離層異常已經(jīng)被多種技術(shù)手段所捕獲證實(shí)，如地基電離層探測(cè)儀[6]、衛(wèi)星電離層探測(cè)[7]，以及基于GPS的TEC觀測(cè)技術(shù)[8-10]等。上述技術(shù)使得震前電離層異常的探測(cè)成為可能。

20世紀(jì)60年代美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)阿拉斯加大地震震后數(shù)小時(shí)上空出現(xiàn)了電離層的擾動(dòng)異常[11]，之后眾多學(xué)者致力于此方面的研究。歸結(jié)為兩個(gè)方向：一種是震后數(shù)小時(shí)電離層擾動(dòng)的研究[11]；另一種是對(duì)地震前后多天TEC序列進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，利用數(shù)學(xué)方法判斷超限的時(shí)段，定性為異常[3]。本文同時(shí)從這兩個(gè)角度對(duì)2011年?yáng)|日本大地震進(jìn)行研究，均證實(shí)了異常的存在。具體方法有利用包絡(luò)線法等數(shù)學(xué)方法對(duì)地震前后數(shù)天TEC序列進(jìn)行分析，判斷出異常天數(shù)和繪制異常全球圖；通過(guò)研究震后3 h的TEC變化，發(fā)現(xiàn)了電離層擾動(dòng)，基于測(cè)站位置、擾動(dòng)的開始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等分析出電離層擾動(dòng)異常的移動(dòng)及衰減等信息。

二、利用GPS數(shù)據(jù)計(jì)算TEC

GPS每顆衛(wèi)星連續(xù)地向地面發(fā)射調(diào)制在雙頻載波(f1=1.575 42 GHz、f2=1.227 6 GHz)上的偽隨機(jī)碼(PRN)。GPS接收機(jī)根據(jù)接收到的碼信息，生成兩種類型的觀測(cè)量：偽距(衛(wèi)地傳輸時(shí)間乘以光速)和載波相位(φ1和φ2表示不同頻率上的相位值)。

GPS信號(hào)在電離層中的傳播延遲是最重要的影響定位精度的因素之一。然而，電離層是一個(gè)彌散型介質(zhì)，載波f1、f2之間的延遲差可以用來(lái)量化這項(xiàng)誤差?；陔p頻偽距和載波觀測(cè)量，通過(guò)下式可以計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)傳播路徑上的電子總量(integrated electron content, IEC)[2]

(1)

式(1)給出的是信號(hào)傳播路徑上的電子含量，利用一個(gè)投影函數(shù)EΘ反演到垂向上，得到VTEC(vertical total electron content)，Θ代表衛(wèi)星高度角[9]。

(2)

式中，RE為地球半徑；hion代表平均電離層高度，取值為350km。由式(1)、式(2)就可以得到垂向的VTEC。

VTEC=IEC×EΘ

(3)

利用建立區(qū)域模型的方法，如球諧函數(shù)模型[10]

bnmsinms)

(4)

三、東日本大地震震例分析

1. 地震簡(jiǎn)介

2011年3月11日當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)46分，日本本州島宮城縣以東太平洋海域，發(fā)生Mw9.0 強(qiáng)烈地震，震中位于北緯38.1°，東經(jīng)142.6°，震源深度20km。地震引發(fā)大規(guī)模海嘯，造成重大人員傷亡，并引發(fā)日本福島第一核電站發(fā)生和泄漏事故。圖1為東日本大地震震中與附近觀測(cè)站分布，五角星代表震中位置。

圖1　震中及附近IGS站

2. 頻譜分析及TEC時(shí)間序列分析

利用第二章介紹的方法，計(jì)算Tsk2測(cè)站2011年全年的TEC時(shí)間序列。為了降低計(jì)算量，稀疏歷元間隔至30 min。圖2顯示了測(cè)站Tsk2原始的TEC時(shí)間序列，圖3為進(jìn)行譜分析的結(jié)果圖。可以看到，波峰最大3個(gè)頻率值分別代表一天、半天和27 d，同每天的太陽(yáng)活動(dòng)變化周期、月潮周期和太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周期吻合，反映了TEC的變化可能受這些因素的影響。

圖2　Tsk2站2011年TEC圖

圖3　對(duì)應(yīng)的頻譜圖

取各個(gè)測(cè)站VTEC的震前11 d及震后4 d，利用包絡(luò)線法，取前后14 d的中位數(shù)為背景值，加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差形成上下限，繪制VTEC時(shí)序圖，中間實(shí)線為VTEC序列，上下虛線為包絡(luò)線邊界，超過(guò)邊界則認(rèn)為出現(xiàn)異常，縱線代表地震時(shí)刻，繪圖分別如圖4—圖9所示。

圖4　Mizu站VTEC序列圖

圖5　Usud站VTEC序列圖

圖6　Tsk2站VTEC序列圖

圖7　Aira站VTEC序列圖

圖8　Yssk站VTEC序列圖

圖9　Daej站VTEC序列圖

Mizu站在地震發(fā)生后未繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，故時(shí)間序列顯示到地震時(shí)刻。各站幾乎都在年積日67 d(3月8日)VTEC達(dá)到最大，并且接近2倍中誤差上限，Aira站當(dāng)天數(shù)據(jù)已經(jīng)超限。地震當(dāng)天及之后3天各站VTEC均偏大，但未超限。以上異常出現(xiàn)的時(shí)段多集中在白天午后。超限時(shí)段少的原因可能因?yàn)楸尘伴撝翟O(shè)置的偏大?？梢钥闯隹拷嗟赖囊粋?cè)，Aira的VTEC值遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離赤道的Yssk站。

3. 全球電離層異常圖分析

IGS提供了全球的電離層格網(wǎng)文件(RINEX I文件)，經(jīng)緯度分辨率5°×2.5°，時(shí)間分辨率2 h。利用IGS提供的這一產(chǎn)品，通過(guò)繪制電離層異常地圖，可以進(jìn)一步從全球角度進(jìn)行異常的研究。具體方法為：采用前10 d的數(shù)據(jù)中位數(shù)作為背景值，加減2倍標(biāo)準(zhǔn)差形成上下限，若VTEC>上限，則ΔVTEC=VTEC-上限；若VTEC<下限，則ΔVTEC=VTEC-下限；若下限≤VTEC≤上限，則ΔVTEC=0。通過(guò)觀察震前數(shù)天異常地圖發(fā)現(xiàn)，同樣發(fā)現(xiàn)在3月8日出現(xiàn)了明顯震中附近異常，其他天數(shù)發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)域距離震中遠(yuǎn)，范圍較小、規(guī)律性差且異常值偏小，難以研究與地震的聯(lián)系。因此重點(diǎn)研究了3月8日全球異常變化情況。圖10—圖13給出了當(dāng)天6：00—12：00 UT(間隔2 h)全球電離層異常圖，圖中五角星標(biāo)記為震中?？梢钥吹?:00 UT在震中南側(cè)出現(xiàn)最大為16 TECU的正異常區(qū)域，并且在赤道共軛區(qū)域出現(xiàn)相同負(fù)異常區(qū)。隨著時(shí)間推移，異常值先增大后又減小，并且沿著赤道向西運(yùn)動(dòng)。異常持續(xù)運(yùn)動(dòng)約6 h，并且同時(shí)在地球其他區(qū)域不存在類似明顯異常，但存在異常數(shù)值相對(duì)較小的正異常區(qū)域，可能與上下限設(shè)置有關(guān)?？紤]地磁環(huán)境均較為穩(wěn)定但輻射水平較強(qiáng)(Dst<-20 nt，kp<4，F(xiàn)10.7=155)，但在其他地區(qū)未出現(xiàn)明顯的異常區(qū)域，是否異常是由地震孕育引起的，仍需要進(jìn)一步確認(rèn)。地震當(dāng)天及之后3天各站VTEC偏高未超限，且這幾天的全球異常圖并未發(fā)現(xiàn)異常，故暫不考慮其與地震發(fā)生的相關(guān)性。

圖10　3月8日6:00 UT全球電離層異常

圖11　3月8日8:00 UT全球電離層異常

圖12　3月8日10:00 UT全球電離層異常

圖13　3月8日12:00 UT全球電離層異常

4. 震后3 h電離層擾動(dòng)異常分析

圖14　Tsk2與Prn15的P4

圖15　Tsk2與Prn18的P4

圖16　Usud與Prn15的P4

圖17　Usud與Prn18的P4

圖18　Usud與Prn27的P4

圖19　Aira與Prn15的P4

Tsk2站上觀測(cè)到與15、18號(hào)星的路徑上P4值出現(xiàn)擾動(dòng)異常，與其他星的值未出現(xiàn)。Tsk2站與15號(hào)星的P4值在震后半小時(shí)，即15:10開始出現(xiàn)明顯的擾動(dòng)，一直持續(xù)到16:40結(jié)束。Tsk2站與18號(hào)星的P4值同樣在15:10開始出現(xiàn)擾動(dòng)，持續(xù)到15:40結(jié)束，擾動(dòng)程度沒(méi)有15號(hào)星劇烈，持續(xù)時(shí)間也偏短。

Usud站上總共觀測(cè)到與15、18、27號(hào)星的路徑上P4值出現(xiàn)擾動(dòng)異常，與其他星的值未出現(xiàn)。Usud站與15號(hào)星的P4值大約在15:30開始出現(xiàn)擾動(dòng)，持續(xù)到17:00結(jié)束。Usud站與18號(hào)星的P4值在15:30開始出現(xiàn)擾動(dòng)，持續(xù)到15:50結(jié)束，擾動(dòng)幅度小，持續(xù)時(shí)間短。Usud站與27號(hào)星的P4值在16:00以后有一些輕微的擾動(dòng)，持續(xù)時(shí)間也短。

Aira站上觀測(cè)到與15號(hào)星的P4值出現(xiàn)擾動(dòng)擾動(dòng)，出現(xiàn)時(shí)間約在16:40，持續(xù)約10 min結(jié)束。

在Daej和Yssk站未觀測(cè)到擾動(dòng)異?，F(xiàn)象，距離震中最近的Mizu站在地震后數(shù)據(jù)丟失，因此沒(méi)有參與計(jì)算。Daej和Yssk站未出現(xiàn)異常的原因可能由于距離震中太遠(yuǎn)，站星的路徑并未與異常電離層區(qū)域重疊所致。

通過(guò)以上觀測(cè)結(jié)果可以看出，Tsk2、Usud、Aira 3站與15號(hào)衛(wèi)星路徑上的P4值出現(xiàn)了較為劇烈的擾動(dòng)，并且擾動(dòng)開始時(shí)間與空間分布有關(guān)，距離震中越近開始時(shí)間越早，隨著遠(yuǎn)離震中擾動(dòng)時(shí)間也逐漸變短，可以推測(cè)是由于異常的移動(dòng)與能量逐漸衰減導(dǎo)致的。Tsk2與Usud站探測(cè)到與18號(hào)衛(wèi)星路徑上存在的擾動(dòng)，開始時(shí)間與持續(xù)時(shí)間基本相同，可能主要因?yàn)閮烧揪嚯x過(guò)近所導(dǎo)致的。在Usud站還探測(cè)到與27號(hào)衛(wèi)星路徑上在15:00和16:00時(shí)刻出現(xiàn)輕微并短暫的擾動(dòng)，在其他站未探測(cè)到，可能因?yàn)槭钦鹬懈浇霈F(xiàn)的小范圍異常，能量小并迅速消失有關(guān)。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文以東日本大地震震中附近多個(gè)IGS站地震前后數(shù)天的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，計(jì)算出TEC時(shí)間序列并進(jìn)行波譜分析、包絡(luò)線法分析，利用IGS提供的電離層格網(wǎng)檢測(cè)震前異常及計(jì)算出震后3 h等價(jià)TEC的P4時(shí)間序列。發(fā)現(xiàn)了震前存在明顯的電離層異常，確認(rèn)在3月8日即震前3天存在的震中附近6 h的大范圍正異常，其異常區(qū)域沿著磁赤道對(duì)稱分布，不斷移動(dòng)。并發(fā)現(xiàn)了在震后3 h內(nèi)，多站與多星的路徑上存在程度不同的電離層擾動(dòng)異常，并且擾動(dòng)逐漸遠(yuǎn)離震中，能量逐漸衰減。綜上所述，可以看到電離層出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象與地震的發(fā)生存在著密切的聯(lián)系。但由于電離層異常構(gòu)成復(fù)雜，仍需要作進(jìn)一步的研究分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]AKHOONDZADEH M, SARADJIAN M R. TEC Variations Analysis Concerning Haiti (January 12, 2010) and Samoa (September 29, 2009) Earthquakes[J]. Advances in Space Research, 2011, 47(1): 94-104.

[2]DAUTERMANN T, CALAIS E, HAASE J, et al. Investigation of Ionospheric Electron Content Variations before Earthquakes in Southern California, 2003-2004[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978—2012), 2007, 112(B2).DOI:10.1029/2006JB004447.

[3]林劍. GPS 電離層觀測(cè)技術(shù)及其在地震中的應(yīng)用研究[D]. 武漢：武漢大學(xué), 2011.

[4]PULINETS S A, BOYARCHUK K A, HEGAI V V, et al. Quasielectrostatic Model of Atmosphere-thermosphere-ionosphere Coupling[J]. Advances in Space Research, 2000, 26(8): 1209-1218.

[5]ZASLAVSKI Y,PARROT M，BLANCE E.Analysis of VTEC Measurements above Active Seismic Regions[J].Phys Earth Planet Int,1998(105):219-228.

[6]LIU J Y, CHEN Y I, PULINETS S A, et al. Seismo-ionospheric Signatures Prior to M≥ 6.0 Taiwan Earthquakes[J]. Geophysical Research Letters, 2000, 27(19): 3113-3116.

[7]PULINETS S A, LEGEN’KA A D. Spatial-temporal Characteristics of Large Scale Disturbances of Electron Density Observed in the Ionospheric F-region before Strong Earthquakes[J]. Cosmic Research, 2003, 41(3): 221-230.

[8]吳云, 喬學(xué)軍, 周義炎. 利用地基 GPS 探測(cè)震前電離層 TEC 異常[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2005, 25(2): 36-40.

[9]祝芙英, 吳云, 林劍, 等. 汶川 Ms8. 0 地震前電離層 TEC 異常分析[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2008, 28(6): 16-21.

[10]張東和, 蕭佐. 利用 GPS 計(jì)算 TEC 的方法及其對(duì)電離層擾動(dòng)的觀測(cè)[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2000, 43(4): 451-458.

[11]LEONARD R S，BARNES R A. Observation of Ionospheric Disturbances Following the Alaska Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1250-1253.

[12]何玉晶, 楊力. 基于球諧函數(shù)模型的 GPS 電離層延遲改正分析[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2010, 35(4): 74-75.

[13]王剛，魏子卿. 格網(wǎng)電離層延遲模型的建立方法與試算結(jié)果[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2000 (9): 1-2.引文格式： 畢凱，李英成，丁曉波，等. 輕小型無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(3)：27-31.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0068

引文格式： 王園，白征東，元榮. 東日本大地震電離層異常分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(3)：22-26.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0067

作者簡(jiǎn)介：王園(1984—)，男，碩士生，主要研究方向?yàn)镚PS數(shù)據(jù)應(yīng)用。E-mail:8039398@qq.com

收稿日期：2014-02-05

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2015)03-0022-05