基于GPS數(shù)據(jù)的震前電離層異常分析

引文格式：馬一方，匡翠林，周曉慧. 基于GPS數(shù)據(jù)的震前電離層異常分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2015(4)：1-4. DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0098

基于GPS數(shù)據(jù)的震前電離層異常分析

馬一方1，匡翠林2，周曉慧3

(1. 武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079； 2. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，

湖南 長(zhǎng)沙 410083； 3. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079)

Investigation of Ionospheric VTEC Anomalies before Earthquakes

Based on GPS Data

MA Yifang，KUANG Cuilin，ZHOU Xiaohui

摘要：首先利用日本及周邊區(qū)域IGS站提供的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了測(cè)站上空垂直總電子含量VTEC的時(shí)間序列。采用滑動(dòng)平均法與非滑動(dòng)平均法兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法針對(duì)日本境內(nèi)某震例進(jìn)行了震前VTEC值異常分析，數(shù)值結(jié)果表明地震震前出現(xiàn)了電離層異?，F(xiàn)象。此外，為了探討異常情況與地震的相關(guān)性，進(jìn)一步分析了電離層異常的全球空間分布。最后，通過(guò)對(duì)比兩種異常檢驗(yàn)方法的分析結(jié)果可知，兩種方法分析結(jié)果的總體趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：地震；垂直方向總電子含量(VTEC)；電離層異常；滑動(dòng)平均法；非滑動(dòng)平均法

中圖分類號(hào)：P228.4

收稿日期：2014-05-13

基金項(xiàng)目：武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)繪基礎(chǔ)研究基金(11-02-02)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41004012；41304007)

作者簡(jiǎn)介：馬一方(1990—)，女， 碩士生，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理研究。E-mail：csumyf2008@126.com

一、引言

近年來(lái)，震前電離層TEC(總電子含量)的擾動(dòng)及地震電離層耦合機(jī)制的研究成為熱點(diǎn)之一[1]。越來(lái)越多的研究證實(shí)了由地震引起的電離層擾動(dòng)確實(shí)存在。Calais和Minster首次利用GPS探測(cè)1994年Northridge地震前后的電離層TEC異常擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)其震中區(qū)上空的電離層TEC震后幾分鐘出現(xiàn)了異常變化[2-3]。劉正彥等發(fā)現(xiàn)靠近震中區(qū)域上空的電離層TEC在集集地震期間呈下降趨勢(shì)[4]。劉正彥在分析了1999—2002年臺(tái)灣地區(qū)Ms5.0級(jí)以上的地震后，發(fā)現(xiàn)震前1—5d TEC有明顯的負(fù)異?，F(xiàn)象，檢出異常的震例占總震例的80%[5]。此外，許多學(xué)者通過(guò)對(duì)汶川地震電離層特征的分析研究，均發(fā)現(xiàn)了震前電離層的異常擾動(dòng)[6-9]。

本文利用日本及周邊IGS(International GNSS Service)測(cè)站提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲得了日本區(qū)域內(nèi)某震例的震前VTEC(vertical total electron content)時(shí)間序列，并結(jié)合地震前后太陽(yáng)和地磁場(chǎng)活動(dòng)，采用滑動(dòng)平均法和非滑動(dòng)平均法兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)電離層異?，F(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)研究，均發(fā)現(xiàn)了很可能與地震相關(guān)的震前電離層異?，F(xiàn)象。此外，本文將兩種方法得出的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文結(jié)果的可靠性，并探討了兩種方法的適用性。

二、電離層VTEC異常檢驗(yàn)方法

1. VTEC求解方法

基于電離層薄殼模型，即假設(shè)電離層中所有的自由電子都集中在一個(gè)高度為hion的與地球同心的無(wú)限薄的球面上，通過(guò)高度映射函數(shù)，求解VTEC值。hion取值接近電子密度最大高度處，文中取350km。信號(hào)在衛(wèi)星到接收機(jī)之間路徑上的總電子含量TEC計(jì)算公式如下[10]

(1)

式中，A=40.3m2/s2；φ1、φ2為相位觀測(cè)值；c為光速；N為整周模糊度；tIFB為頻率間的偏差；tTGD為衛(wèi)星碼偏差(可由GPS導(dǎo)航電文得到)；LG稱為有偏差估計(jì)量。TEC也可以類似式(1)用雙頻偽距觀測(cè)值ρ1和ρ2進(jìn)行計(jì)算，將相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值分別得出的求解TEC的公式進(jìn)行組合，可估算出整周模糊度N。設(shè)無(wú)偏差估計(jì)量LGU=LG+N。

高度映射函數(shù)Eθ求解如下[10]

(2)

式中，RE為地球的平均半徑，取值為6371km；θ為衛(wèi)星高度角。重新排列式(1)，將VTEC=TEC×Eθ代入式(1)，并進(jìn)一步推得表達(dá)式為

(3)

其中

(4)

式(3)給出了每站的觀測(cè)量LGU與未知的VTEC、tIFB之間的線性關(guān)系。對(duì)于每一個(gè)測(cè)站，在任何的觀測(cè)歷元，只需要接收至少兩顆衛(wèi)星的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)式(3)利用最小二乘就可以計(jì)算出VTEC和tIFB。

2. VTEC異常檢驗(yàn)方法

在統(tǒng)計(jì)學(xué)分析中，平均數(shù)是量的平衡，當(dāng)所描述的數(shù)據(jù)資料中出現(xiàn)異常值時(shí)，利用平均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)集中趨勢(shì)就會(huì)受到影響產(chǎn)生偏差。中位數(shù)是個(gè)數(shù)的平衡，如果數(shù)據(jù)資料中異常值個(gè)數(shù)不超過(guò)總個(gè)數(shù)的一半，中位數(shù)就不受影響。由上可知，中位數(shù)與平均數(shù)這兩種用來(lái)描述數(shù)據(jù)資料中心的統(tǒng)計(jì)量在分析包含異常值的數(shù)據(jù)資料時(shí)，中位數(shù)更加可靠。為了有效地對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，除了要有描述集中趨勢(shì)的統(tǒng)計(jì)量，還要有描述數(shù)據(jù)離散程度的統(tǒng)計(jì)量。標(biāo)準(zhǔn)差是各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)距離的平均數(shù)，同樣受到異常值的影響。四分位距(IQR)是一種穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)中用于表示數(shù)據(jù)離散程度的一個(gè)量。按照標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算四分位距與標(biāo)準(zhǔn)差的比值為1.34，文中取IQR=1.34σ，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。因此，本文采用中位數(shù)及四分位距值進(jìn)行數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)分析，以減少異常值對(duì)分析結(jié)果的影響。

三、震例分析

基于上述的理論方法，本文選取了發(fā)生在日本的某震例進(jìn)行分析驗(yàn)證，地震的參數(shù)信息參見(jiàn)表1。GPS數(shù)據(jù)選取了日本及周邊區(qū)域的8個(gè)IGS測(cè)站(aira、chan、ksmv、stk2、suwn、tskb、usud、yssk)，使用震前30d的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)測(cè)站上空的電離層VTEC時(shí)間序列，單位為T(mén)ECU。

表1　地震參數(shù)信息

1. 背景因素分析

太陽(yáng)活動(dòng)水平的改變、地磁活動(dòng)異常、天氣變化等因素都能夠引起電離層的擾動(dòng)。為了研究地震電離層擾動(dòng)，檢驗(yàn)由地震引起的電離層VTEC異常變化，就必須排除上述背景因素的影響。本文主要查看了2011年3月1日至3月13日(年積日：60—72d)期間Kp指數(shù)和F10.7指數(shù)這兩個(gè)能夠反映地磁活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)水平的因子(http:∥www.swpc.noaa.gov)。在年積日60d、61d、62d、69d、70d、71d，地磁場(chǎng)比較活躍；整個(gè)3月份太陽(yáng)活動(dòng)都達(dá)到了中等活躍水平，但年積日66d、67d有強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)，并且67d有太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)生。除了上述的幾天外，背景因素對(duì)電離層VTEC影響較小。

2.VTEC時(shí)間序列分析

試驗(yàn)繪制了aira、chan、ksmv、stk2、suwn、tskb、usud、yssk8個(gè)GPS觀測(cè)站在地震前后幾天的VTEC時(shí)間序列圖，限于篇幅，本文選擇aira測(cè)站震前10d、地震當(dāng)天和震后兩天的數(shù)據(jù)為例，部分結(jié)果如圖1所示(黑色實(shí)線代表VTEC觀測(cè)值，灰色實(shí)線代表上、下限，豎直點(diǎn)線代表發(fā)震時(shí)刻，填充部分分別表示VTEC值超出上邊界及下邊界的值，下文同)。從圖中可以明顯看出，兩個(gè)測(cè)站上空的VTEC值在年積日64d、67d都有明顯的上升趨勢(shì)，均升至或超出上邊界線，圖1(a)中年積日64d、67d及圖1(b)中年積日67d出現(xiàn)了正異常現(xiàn)象(VTEC值至少在2h時(shí)間內(nèi)連續(xù)超過(guò)上限)。由圖1可知，滑動(dòng)平均法進(jìn)行異常分析得出的結(jié)果(如圖1(a)所示)與由非滑動(dòng)平均法進(jìn)行異常分析得出的結(jié)果(如圖1(b)所示)總體趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了所得結(jié)果的可靠性，但圖1(a)的結(jié)果更加明顯。由本例可知，采用非滑動(dòng)平均法能夠進(jìn)行異常整體趨勢(shì)的考查，但辨別異常情況時(shí)，采用滑動(dòng)平均法分析能夠得出更加清晰有效的結(jié)果。

圖1　aira站上空VTEC時(shí)間序列

綜合對(duì)背景因素的分析，年積日67d的正異常現(xiàn)象很可能與太陽(yáng)質(zhì)子流事件有關(guān)，為了進(jìn)一步判斷該正異?，F(xiàn)象與地震的相關(guān)性，本文給出了年積日67d06∶00—12∶00UT電離層異常在全球的空間分布，如圖2所示。其中，電離層異常為VTEC值與異常檢驗(yàn)上下邊界值的差值，VTEC值為IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)(ftp:∥cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex)。如果VTEC觀測(cè)值與上邊界值的差值小于0或與下邊界值的差值大于0時(shí)，則VTEC異常值為0；當(dāng)VTEC觀測(cè)值與上邊界值的差值大于0時(shí)，該差值為電離層正異常；當(dāng)VTEC觀測(cè)值與下邊界值的差值小于0時(shí)，該差值為電離層負(fù)異常。由圖2可清晰看出，VTEC異常的分布及變化情況，顯著的震區(qū)電離層正異?，F(xiàn)象主要集中在15°N—35°N，100°E—140°E范圍內(nèi)，并在磁赤道共軛區(qū)出現(xiàn)了相似的異?，F(xiàn)象，異常位置靠近震中偏赤道的方向，并呈現(xiàn)向磁赤道漂移及向西移動(dòng)的趨勢(shì)，異常峰值和幅度在08∶00UT達(dá)到最大是太陽(yáng)活動(dòng)引起的電離層異常一般表現(xiàn)為更大地理范圍的異常，而本文分析的異?，F(xiàn)象主要集中在震中附近，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，證實(shí)了觀測(cè)到的電離層異?，F(xiàn)象與本次地震密切相關(guān)。

圖2　3月8日06∶00—12∶00UT時(shí)2h間隔全球VTEC異常分布(單位：TECU)

此外，年積日64d的正異?，F(xiàn)象基本可以排除太陽(yáng)活動(dòng)及地磁活動(dòng)等背景因素的影響，認(rèn)為最有可能與本次地震有關(guān)。結(jié)合上文對(duì)年積日67d電離層正異常的分析，本文認(rèn)為3月5日及3月8日的電離層正異?，F(xiàn)象最有可能與2011年3月11日日本地震相關(guān)。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于IGS站提供的GPS數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)平均法和非滑動(dòng)平均法對(duì)選取的某地震進(jìn)行震前VTEC異常分析，發(fā)現(xiàn)了很可能與地震相關(guān)的較為明顯的異?，F(xiàn)象，既證明了利用GPS技術(shù)可以進(jìn)行震前VTEC異常的探測(cè)，也為地震電離層的研究提供了新的參考資料。此外，本文對(duì)背景參考值的選取有較為詳細(xì)的說(shuō)明，認(rèn)為采用中位數(shù)及四分位距值進(jìn)行數(shù)據(jù)資料的統(tǒng)計(jì)分析，可以更加有效地減少異常值對(duì)分析結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)兩種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的對(duì)比分析，在驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果可靠性的同時(shí)，對(duì)兩種方法的適用性進(jìn)行了探討，本文結(jié)果表明，滑動(dòng)平均法適用性強(qiáng)，能夠更有效地進(jìn)行異常分析，非滑動(dòng)平均法適用于作整體異常趨勢(shì)的分析，計(jì)算量小，方法簡(jiǎn)便。

目前，震前電離層異常擾動(dòng)機(jī)理仍然處于探索階段。至今為止，仍然沒(méi)有提出很好的物理解釋模型，太陽(yáng)活動(dòng)及地磁活動(dòng)對(duì)電離層異常的影響還不能準(zhǔn)確判斷，本文通過(guò)對(duì)全球電離層異?？臻g分布進(jìn)行分析，初步討論了太陽(yáng)活動(dòng)劇烈環(huán)境下的電離層異常情況，為確定電離層異常與地震之間的相關(guān)性提供了新的證據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鵬.GNSS電離層層析及震前電離層異常研究[J]. 測(cè)繪學(xué)報(bào), 2013, 42(3): 474-474.

[2]CALAISE,MINSTERJB.GPSDetectionofIonosphericTECPerturbationsFollowingtheJanuary17, 1994,NorthirdgeEarthquake[J].GeophysicalResearchLetters, 1995, 22(9)：1045-1048.

[3]LIUJY,CHENYI,CHUOYJ,etal.VariationsofIonosphericTotalElectronContentduringtheChi-ChiEarthquake[J].GeophysicalResearchLetters, 2001, 28(7): 1383-1386.

[4]LIUJY,CHUOYJ,SHANSJ,etal.Pre-earthquakeIonosphericAnomaliesRegisteredbyContinuousGPSTECMeasurements[J].AnnalesGeophysicae,EGU,2004,22(5):1585-1593.

[5]YUT,MAOT,WANGYG,etal.StudyoftheIonosphericAnomalybeforetheWenchuanEarthquake[J].ChineseScienceBulletin, 2009, 54(6): 1080-1086.

[6]LIUJY,CHENYI,CHENCH,etal.SeismoionosphericGPSTotalElectronContentAnomaliesObservedbeforethe12May2008Mw7. 9WenchuanEarthquake[J].JournalofGeophysicalResearch:SpacePhysics(1978—2012), 2009, 114(A4).DOI:10.1029/2008JA013698.

[7]PULINETSSA,BONDURVG,TSIDILINAMN,etal.VerificationoftheConceptofSeismoionosphericCouplingunderQuietHeliogeomagneticConditions:UsingtheWenchuan(China)EarthquakeofMay12, 2008,asanExample[J].GeomagnetismandAeronomy, 2010, 50(2): 231-242.

[8]馬新欣. 利用GPS數(shù)據(jù)研究地震與電離層TEC異常[D]. 成都: 成都理工大學(xué), 2009.

[9]DAUTERMANNT,CALAISE,HAASEJ,etal.InvestigationofIonosphericElectronContentVariationsbeforeEarthquakesinSouthernCalifornia, 2003—2004[J].JournalofGeophysicalResearch，2007, 112,B02106.DOI:10.1029/2006JB004447.

[10]李建勇. 利用GPS數(shù)據(jù)研究地震電離層TEC異常[D]. 北京: 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所, 2011.