基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)的電離層分布特征及地震響應(yīng)研究

馬新欣

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

上的100個(gè)臺(tái)站，比較了其地脈動(dòng)和地震信號(hào)的H/V譜比，得到了譜峰越明顯，二者一致性越好的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地脈動(dòng)和地震信號(hào)H/V譜比曲線的一致性和譜峰明顯程度將臺(tái)站分為4類，并提出了針對(duì)這4類情況測(cè)定場(chǎng)地卓越頻率的方法，最后給出了這些臺(tái)站的卓越頻率。

關(guān)鍵詞地震臺(tái)陣；場(chǎng)地效應(yīng)；華北臺(tái)陣；背景噪聲；頻率波數(shù)譜；喜馬拉雅臺(tái)陣；H/V譜比；卓越頻率 電離層；COSMIC；峰值密度；電子密度；分布特征；地震-電離層擾動(dòng)

（作者電子信箱，耿冠世：g＿gshi@126.com）

基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)的電離層分布特征及地震響應(yīng)研究

馬新欣

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）無(wú)線電掩星技術(shù)具有全球覆蓋、垂直分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，為電離層的研究提供了十分豐富的資料。本論文的研究主要基于COSMIC （Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate）掩星電離層數(shù)據(jù)，詳細(xì)介紹了電離層的基本理論；闡述利用掩星技術(shù)探測(cè)電離層的基本原理；針對(duì)COSMIC掩星數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)，建立了數(shù)據(jù)分析和研究方法；目前的研究對(duì)電離層物理量不同區(qū)域分布差異的分析較少，對(duì)不同太陽(yáng)活動(dòng)條件下電離層電子密度垂直分布的研究相對(duì)不足，本文對(duì)此開展了電離層分布特征的研究工作；并分析了典型震例在地震活動(dòng)期間多個(gè)物理量的異常擾動(dòng)變化。主要研究成果如下：

1　掩星數(shù)據(jù)分析與研究方法

利用COSMIC掩星電離層F2層峰值密度（NmF2）、臨界頻率（foF2）、峰值高度（hmF2）、電子密度（Ne）等數(shù)據(jù)，針對(duì)掩星數(shù)據(jù)在時(shí)間尺度上分布不均勻的特點(diǎn)，使用傅里葉逼近擬合方法獲取在時(shí)間尺度上連續(xù)的數(shù)據(jù)。在空間分布上，我們分別基于B樣條函數(shù)和球諧函數(shù)計(jì)算模型值，獲得全球空間分辨率較高的電離層數(shù)據(jù)。再以IRI（International Reference Ionosphere）模型計(jì)算的結(jié)果作為參考，檢驗(yàn)方法的有效性。結(jié)果表明，使用的方法是有效的。利用B樣條函數(shù)計(jì)算的結(jié)果展開收斂速度更快，計(jì)算時(shí)間短，可以反映小區(qū)域的變化；利用球諧函數(shù)計(jì)算的結(jié)果平均殘差小于B樣條函數(shù)，分布更清晰平滑，可以反映全球的變化規(guī)律。因此，本論文使用球諧函數(shù)計(jì)算結(jié)果作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2　電離層分布特征研究

（1）空間電離層峰值密度和臨界頻率存在明顯的年周期變化，白天（LT12～15）峰值密度

和臨界頻率在磁緯低緯和中緯地區(qū)基本以半年周期變化為主，其幅度最大值在3、4月和9、10月（兩分點(diǎn)）附近；夜間（LT00～03）南半球的部分地區(qū)和北半球磁緯中緯60°～120°E地區(qū)以年周期變化為主，其幅度最大值在至點(diǎn)6月（北半球夏季）或12月（南半球夏季）附近；年異常和半年異?，F(xiàn)象是中低緯地區(qū)白天NmF2和foF2分布的常規(guī)變化特征；隨著太陽(yáng)輻射能量的增強(qiáng)，赤道異?？臻g范圍擴(kuò)寬。

（2）空間電離層峰值高度夜間（LT00～03）不存在明顯的規(guī)律變化，變化范圍基本分布在200～400km高度。白天（LT12～15）峰值高度磁緯±10°范圍不存在明顯的年周期變化，變化范圍基本分布在300～400km高度；南北半球磁緯10°～20°范圍，部分區(qū)域呈現(xiàn)相對(duì)明顯的年周期變化，南北半球磁緯20°～30°和磁緯中緯度大部分范圍以年周期變化為主，變化范圍基本分布在200～400km高度。隨著太陽(yáng)輻射能量的增強(qiáng)，峰值高度的變化幅度增大，尤其是在赤道和低緯度地區(qū)。

（3）在250～500km高度，電離層電子密度夜間存在威德爾海異?，F(xiàn)象，最大值在300 ～400km高度；隨著太陽(yáng)輻射能量的增強(qiáng)，300～500km高度威德爾海異常區(qū)域空間范圍擴(kuò)寬，250～350km高度赤道異常范圍擴(kuò)展到中緯地區(qū)；電子密度白天（LT12～15）存在明顯的季節(jié)變化，夜間（LT00～03）季節(jié)變化不明顯。

3　典型震例分析

（1）提出地震異常擾動(dòng)的分析方法，研究我國(guó)三例強(qiáng)震地震活動(dòng)期間多個(gè)物理量的變化特征。研究發(fā)現(xiàn)，汶川地震發(fā)生后，部分區(qū)域峰值密度相對(duì)變化幅度增大，分布在1～1.5之間，TEC相關(guān)系數(shù)下降到0.6，功率譜密度變化明顯；于田地震發(fā)生后，部分區(qū)域峰值密度相對(duì)變化幅度增大，分布在0.8～1.2之間，震前地磁垂直分量增強(qiáng)，但時(shí)間上與空間異常分布不同步，需要進(jìn)一步的研究；玉樹地震發(fā)生后，震中鄰近區(qū)域峰值密度相對(duì)變化幅度增大，分布在0.6～0.8之間，多個(gè)臺(tái)站地磁垂直分量差值小幅下降到0nT以下；3個(gè)震例在地震活動(dòng)期間，電離層都存在擾動(dòng)現(xiàn)象，其中汶川和玉樹地震發(fā)生后，地磁垂直分量同時(shí)出現(xiàn)擾動(dòng)變化；僅從計(jì)算的震例結(jié)果來(lái)看，震級(jí)越大，峰值密度相對(duì)變化幅度越大。

（2）針對(duì)汶川震例，基于SAMI2模型模擬計(jì)算結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證附加電場(chǎng)可以引起電離層的擾動(dòng)變化，提出異常電場(chǎng)機(jī)制對(duì)地震電離層響應(yīng)的解釋可能更為合理。

中圖分類號(hào)：P412；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.03.011

（作者電子信箱，馬新欣：maxinxin0923@163.com）