2015年尼泊爾地震的震前電離層異常探測(cè)

姚宜斌，翟長(zhǎng)治，孔　建，劉　磊

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 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，湖北 武漢 430079； 3. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079； 4. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079

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2015年尼泊爾地震的震前電離層異常探測(cè)

姚宜斌1,2,3，翟長(zhǎng)治1，孔建4，劉磊1

1. 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 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，湖北 武漢 430079； 3. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430079； 4. 武漢大學(xué)中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖北 武漢 430079

摘要：提出了一種基于奇異譜分析的電離層異常探測(cè)的方法。通過(guò)對(duì)尼泊爾地震震中周圍GIM格網(wǎng)點(diǎn)TEC時(shí)間序列的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)在2015年4月23日震中東部區(qū)域出現(xiàn)電離層正異常。進(jìn)一步利用二維電離層地圖分析異常空間分布，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)電離層正異常的區(qū)域?yàn)?5°N—37.5°N，90°E—110°E，時(shí)間為2015年4月23日UT9:00—15:00。利用中國(guó)陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算異常區(qū)域衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡STEC變化情況，發(fā)現(xiàn)2015年4月23日穿刺點(diǎn)軌跡進(jìn)入異常區(qū)域后STEC值比前后幾天明顯增大，而離開(kāi)異常區(qū)域后又恢復(fù)正常。采用CIT(computerized ionosphere tomography)方法詳細(xì)地呈現(xiàn)了電離層異常的三維形態(tài)，發(fā)現(xiàn)4月23日UT9:00—15:00在震中東部區(qū)域出現(xiàn)電離層正異常，峰值位于約30°N，115°E，高度范圍為100～500 km，且異常峰值隨高度變化與電離層本身垂直密度分布規(guī)律相一致。

關(guān)鍵詞：地震-電離層異常; 奇異譜分析; STEC; CIT

2015年4月25日，尼泊爾發(fā)生了MS8.1級(jí)大地震，震中位于28.147°N，84.708°E，震源深度為15 km。地震是對(duì)人類造成傷害最大的自然災(zāi)害之一，但由于地震產(chǎn)生原因的復(fù)雜性，地震預(yù)報(bào)一直處于探索階段[1]。許多學(xué)者致力于研究震前地質(zhì)構(gòu)造變化以及與地震有關(guān)的其他震前異?，F(xiàn)象，其中震前電離層異常是研究熱點(diǎn)之一。

1964年美國(guó)阿拉斯加大地震時(shí)，文獻(xiàn)[2]發(fā)現(xiàn)在震中區(qū)上空出現(xiàn)了電離層異常擾動(dòng)，第一次將電離層異常與地震聯(lián)系到一起。文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)在1966年Tashkent地震時(shí)電離層TEC有增加的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)在1969年Kurile島地震期間電離層出現(xiàn)擾動(dòng)異常。文獻(xiàn)[5—6]發(fā)現(xiàn)1979—1981年間發(fā)生的大地震之前電離層參數(shù)有擾動(dòng)現(xiàn)象，隨后統(tǒng)計(jì)了50個(gè)M>5.0的地震期間電離層變化情況，結(jié)果表明電離層F2臨界頻率(f0F2)會(huì)明顯降低，并且電離層異常區(qū)域與震區(qū)地理位置相對(duì)應(yīng)，但并不重合。文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)1999年Chi Chi大地震引起的同震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，并利用波束形成和光線追蹤技術(shù)確定了CID(coseismic ionospheric disturbances)傳播速度以及發(fā)源地位置。文獻(xiàn)[8]利用電離層臺(tái)站數(shù)據(jù)和地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析了1997年瑪尼7.5級(jí)地震和2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震前電磁異常和電離層異常情況。分析結(jié)果表明，兩次地震前電磁異常和電離層異?？臻g分布均具有較好的一致性，震中周圍出現(xiàn)明顯的電離層f0F2異常。

傳統(tǒng)電離層觀測(cè)手段主要有電離層探測(cè)儀、非相干散射雷達(dá)等。但是這些技術(shù)成本高且只能獲得站點(diǎn)上空電離層信息，不能對(duì)電離層進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍監(jiān)測(cè)。GNSS技術(shù)作為一種全天候、全自動(dòng)的高精度觀測(cè)手段，能夠準(zhǔn)確獲得信號(hào)傳播路徑上的TEC值，并且在全球范圍內(nèi)共有數(shù)千個(gè)GNSS站連續(xù)觀測(cè)，相比于其他觀測(cè)技術(shù)，其時(shí)空分辨率大大提高。文獻(xiàn)[9]最早利用GPS技術(shù)對(duì)1994年Northridge地震期間電離層進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)震后幾分鐘出現(xiàn)了電離層TEC擾動(dòng)。文獻(xiàn)[10]利用地基GPS以及COSMIC數(shù)據(jù)對(duì)汶川地震期間TEC以及電離層F2層峰值電子濃度(NmF2)進(jìn)行功率譜分析，發(fā)現(xiàn)TEC和NmF2時(shí)空分布變化存在電離層震前擾動(dòng)和同震響應(yīng)，并且TEC震后的異常變化相比震前更加顯著。文獻(xiàn)[11]分別利用Demeter衛(wèi)星和GPS對(duì)四個(gè)大地震電離層異常擾動(dòng)進(jìn)行對(duì)比分析，兩種觀測(cè)技術(shù)獲得的電離層正負(fù)異常變化能夠很好地吻合。

基于GNSS技術(shù)有多種電離層異常分析方法。文獻(xiàn)[12]等利用四分位距法和滑動(dòng)時(shí)窗法分析了汶川地震電離層擾動(dòng)。文獻(xiàn)[13]利用GIM分析了2011年日本Tohoku Oki地震電離層異常，發(fā)現(xiàn)地震前第3 d震中偏向赤道方向電離層有明顯正異常，在赤道共軛區(qū)域也存在正異常。文獻(xiàn)[14]利用計(jì)算GPS衛(wèi)星信號(hào)電離層穿刺點(diǎn)軌跡STEC的方法，分析了2007年Bengkulu地震期間電離層變化情況，文獻(xiàn)[15]分析了2011年日本Tohoku-Oki地震電離層變化情況，均發(fā)現(xiàn)了震前TEC正異常。文獻(xiàn)[16]利用GIM數(shù)據(jù)對(duì)2002—2010年全球范圍內(nèi)的736次M≥6.0地震前電離層電子含量做了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，震前1～21 d內(nèi)電離層異常出現(xiàn)頻率與地震震級(jí)大小以及震源深度有關(guān)。近年來(lái)，隨著全球GNSS觀測(cè)站的增多，電離層層析技術(shù)(CIT)逐漸得到發(fā)展和完善，成為一種能夠重建三維甚至四維電離層形態(tài)的新方法[17-21]。文獻(xiàn)[22]利用電離層層析技術(shù)分析了中緯度地區(qū)夏季夜間電離層異?，F(xiàn)象。文獻(xiàn)[23]利用GPS和GLONASS觀測(cè)數(shù)據(jù)建立了電離層模型，分析了俄羅斯地區(qū)電離層情況。文獻(xiàn)[24]基于日本高密度的GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)GEONET建立了電離層三維模型。

本文提出利用奇異譜分析進(jìn)行電離層異常探測(cè)的新方法。對(duì)尼泊爾地震震中周圍格網(wǎng)點(diǎn)TEC時(shí)間序列進(jìn)行異常探測(cè)，并結(jié)合太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)情況，初步認(rèn)定2015年4月23日在震中東部區(qū)域出現(xiàn)電離層正異常。進(jìn)而利用二維電離層地圖以及電離層3DCIT技術(shù)對(duì)此次異常的時(shí)空變化進(jìn)行研究。

1震前電離層異常探測(cè)原理

1.1基于奇異譜分析的TEC時(shí)間序列異常探測(cè)

奇異譜分析(SSA)是一種廣義的功率譜分析，不受正弦波假定的約束，對(duì)信號(hào)的識(shí)別和描述采用時(shí)域性的頻率域分析方式，能夠穩(wěn)定識(shí)別和強(qiáng)化周期信號(hào)[25]。SSA的分析對(duì)象是一維的時(shí)間序列。將時(shí)間序列x1、x2、x3、…、xN中心化處理后，按照相同的序列延遲排列得到

(1)

式中，N為時(shí)間序列長(zhǎng)度；M為嵌入維數(shù)。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)證明，M取N/3左右時(shí)，分析效果比較理想。式(1)的變量間協(xié)方差是原序列x不同滯后的自協(xié)方差。構(gòu)造滯后自協(xié)方差陣Tx

(2)

Tx是Toeplitz矩陣，其主對(duì)角線元素是時(shí)間序列x的方差(或時(shí)遲為0的自協(xié)方差)。C(j)為時(shí)間序列x遲后為j的自協(xié)方差，0≤j≤M-1，用Yule-Walke估計(jì)法得到

(3)

然后根據(jù)公式

TxEk=λkEk,k=1,2,3,…,M

(4)

求得Tx的特征值λk和特征向量Ek。Ek就是M個(gè)分量構(gòu)成的一個(gè)時(shí)間序列，它反映時(shí)間序列x中的時(shí)間演變型。定義狀態(tài)向量在第M個(gè)特征向量上的投影

(5)

可以由其中一部分特征向量和時(shí)間系數(shù)來(lái)重建x的成分

(6)

與主成分分析類似，將Tx的特征值λk從大到小排列，λ1≥λ2≥λ3≥…≥λM≥0。截取前p個(gè)較大的特征值，由其所對(duì)應(yīng)的xk之和重建出可充分反映原序列的整體特征，即

(7)

由于電離層變化受太陽(yáng)活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)、地磁條件等多種因素的影響，因此電離層變化具有很強(qiáng)的日周期性。而奇異譜分析能夠識(shí)別和強(qiáng)化周期信號(hào)，利用奇異譜分析的方法可以提取出電離層TEC時(shí)間序列中除去異常擾動(dòng)以及觀測(cè)噪聲部分的日周期部分，作為主要成分TECmain。與時(shí)間序列ARMA等異常探測(cè)方法相比，奇異譜方法提取的TECmain中包含了電離層隨著地球公轉(zhuǎn)的季節(jié)變化、太陽(yáng)27 d自轉(zhuǎn)周期引起的電離層9 d、13.5 d、27 d周期變化等的影響，排除了背景場(chǎng)時(shí)間段與異常探測(cè)時(shí)間段地球外界環(huán)境不同造成的干擾。選取震前一段時(shí)間內(nèi)不受太陽(yáng)活動(dòng)和地磁異常擾動(dòng)的TEC數(shù)據(jù)計(jì)算背景噪聲ε，取兩倍ε作為上下限值[26-29]，由此得到電離層TEC的正常變化范圍

(8)

以u(píng)p和low作為TEC序列變化的上下界，超過(guò)該范圍就認(rèn)為是異常值。

1.2基于衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡STEC的區(qū)域電離層異常探測(cè)

GNSS信號(hào)的電離層延遲與信號(hào)的頻率的平方有反比的關(guān)系，根據(jù)此關(guān)系利用GNSS雙頻信號(hào)可以計(jì)算得到信號(hào)傳播路徑上的總電子含量TEC[30-32]。利用GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算電離層TEC的方法主要有偽距觀測(cè)值法、相位觀測(cè)值法、相位平滑偽距觀測(cè)值法等，目前國(guó)際上通常采用載波相位平滑的方法求解電離層TEC。文獻(xiàn)[33—34]提出非組合PPP方法求解TEC可以合理利用IGS發(fā)布的衛(wèi)星軌道、鐘差產(chǎn)品，減少待估參數(shù)，提高電離層估計(jì)精度。但是該方法依賴于外部高精度的衛(wèi)星軌道、鐘差等信息[35]，計(jì)算結(jié)果的可靠性、穩(wěn)定性有待驗(yàn)證。本文采用載波相位平滑的方法求解電離層TEC，在實(shí)際計(jì)算中將小于30min的弧段舍去，保證計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度。載波相位平滑的方法求解電離層TEC具體表達(dá)式為

(9)

1.3基于CIT技術(shù)的三維電離層異常分析

電離層三維層析技術(shù)(CIT)是利用GNSS無(wú)線電波投影反演電離層電子密度空間分布的新技術(shù)。

GNSS信號(hào)傳播路徑上的總電子含量可表示為

TEC=∫lNe(r,t)ds

(10)

式中，TEC為總電子含量；Ne為時(shí)間t測(cè)站與衛(wèi)星之間向徑r處的電子密度；l為信號(hào)的傳播路徑。由于測(cè)站的稀疏性以及信號(hào)角度的有限性，CIT技術(shù)一般采用離散化的方法求解，利用合適的函數(shù)基來(lái)表示反演區(qū)域電子密度

TEC=Ax+ε

(11)

式中，A為構(gòu)造矩陣，元素A(i,j)表示第i條射線在第j個(gè)格網(wǎng)中的截距；x為所有反演區(qū)域格網(wǎng)電子密度組成的列向量；ε為觀測(cè)誤差向量。圖2為電離層空間離散化格網(wǎng)示意圖。在實(shí)際反演過(guò)程中，由于構(gòu)造矩陣A為巨型稀疏矩陣，一般為秩虧矩陣，無(wú)法對(duì)矩陣求逆。

圖1　衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡示意圖Fig.1　IPP trajectories and SIP trajectories

圖2　電離層空間離散化格網(wǎng)示意圖Fig.2　Schematic diagram of ionospheric space discretization grid

本文采用國(guó)際參考電離層(IRI2012)作為迭代初始值，采用ART迭代算法對(duì)反演區(qū)域進(jìn)行迭代重構(gòu)。ART迭代算法的迭代公式為

(12)

式中，ai為矩陣構(gòu)造矩陣A的第i行；λ為迭代松弛因子，λ∈(0,1)，對(duì)于含有誤差的觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇合理的松弛因子至關(guān)重要[36]。

2分析與討論

2.1TEC時(shí)間序列的奇異譜分析

選取震前30 d內(nèi)不受太陽(yáng)活動(dòng)和地磁異常擾動(dòng)的TEC數(shù)據(jù)計(jì)算背景噪聲ε，由此得到電離層TEC變化的上下界范圍。本文采用GIM提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層異常探測(cè)。圖3依次給出了2015年3月26日至4月27日33 d的F10.7指數(shù)、Dst指數(shù)、Kp指數(shù)變化圖，從圖3中可以看出，3月26日至4月10日15天內(nèi)，F(xiàn)10.7均超過(guò)100但是小于150，太陽(yáng)輻射較為強(qiáng)烈。Dst指數(shù)均大于-40，Kp指數(shù)除了4月3日短時(shí)間內(nèi)超過(guò)了4.0，其余均小于4.0，說(shuō)明該段時(shí)間太陽(yáng)活動(dòng)較少，地磁場(chǎng)平靜，屬于電離層平靜時(shí)期，可以用于計(jì)算背景場(chǎng)噪聲。

圖3　2015年3月26日至4月27日F10.7、Dst、Kp指數(shù)變化Fig.3　The fluctuation of F10.7, Dst, Kp indices from 26, March to 27, April

利用2015年3月26日至4月10日的TEC數(shù)據(jù)計(jì)算得到電離層背景噪聲后，利用奇異譜方法對(duì)震中周圍電離層格網(wǎng)TEC序列進(jìn)行異常探測(cè)。發(fā)現(xiàn)4月23日在震中東南部，緯度約22.5°N—32.5°N，經(jīng)度約85°E—110°E范圍內(nèi)出現(xiàn)電離層正異常。圖4給出了電離層異常分布圖。圖中紅五角星為震中位置，紅底橢圓形區(qū)域?yàn)殡婋x層異常區(qū)域，藍(lán)色正三角形為異常區(qū)域和非異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)。圖5和圖6只給出了2個(gè)非異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)和3個(gè)異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)的TEC時(shí)間序列圖。

圖5中給出了兩個(gè)非異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)和3個(gè)異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)2015年4月18日至4月27日的TEC時(shí)間序列圖。圖5(a)、(b)兩圖分別對(duì)應(yīng)圖4中a、b兩格網(wǎng)點(diǎn)。紅色曲線為實(shí)際TEC值，綠色為上界曲線，藍(lán)色為下界曲線，紅色豎線為地震發(fā)生時(shí)間。從圖中可以看出，這兩個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)TEC時(shí)間序列均處于上下界范圍內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)異常。圖5(c)、(d)、(e)分別對(duì)應(yīng)圖4中c、d、e格網(wǎng)點(diǎn)，紅色箭頭指出了異常出現(xiàn)的時(shí)間。從圖5可以看出，2015年4月23日前后幾天c、d、e格網(wǎng)點(diǎn)實(shí)際TEC序列均處于正常的上下界范圍之內(nèi)，而在4月23日當(dāng)天，實(shí)際TEC序列超出了上界約15個(gè)TECu，e點(diǎn)超出約10個(gè)TECu，說(shuō)明當(dāng)天出現(xiàn)了明顯的正異常。

從圖3可以看出，在2015年4月23日，太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F10.7低于150，且與前后幾天持平，沒(méi)有明顯變化；Dst指數(shù)接近0值，Kp指數(shù)小于3.5，基本可以排除太陽(yáng)活動(dòng)、地磁擾動(dòng)引起電離層異常的可能性，表明此次電離層異常與4月25日發(fā)生的尼泊爾地震有較大的相關(guān)性。

2.2二維電離層地圖異常探測(cè)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上文電離層異常分析結(jié)果的可靠性，對(duì)緯度15°N—40°N，經(jīng)度70°N—115°N范圍內(nèi)GIM電離層地圖進(jìn)行異常探測(cè)。同樣利用2015年3月26日至4月10日電離層地圖作為背景值，2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為上下界，對(duì)4月23日電離層地圖進(jìn)行異常探測(cè)。如果TEC值與背景值之差絕對(duì)值小于2ε，表示沒(méi)有明顯異常，如果大于2ε，ΔTEC>0表示有正異常，ΔTEC<0表示有負(fù)異常。圖6給出了2015年4月23日電離層異常的探測(cè)結(jié)果。從圖中可以看出，UT06:00時(shí)電離層沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，電離層非常平靜；UT09:00時(shí)在(25°N，110°E)開(kāi)始出現(xiàn)電離層異常。隨著時(shí)間推移，異常區(qū)域開(kāi)始向西移動(dòng)，異常峰值逐漸增大。在UT12:00時(shí)異常峰值達(dá)到最大，ΔTEC≥20TECu，異常范圍約為25°N—37.5°N，90°E—110°E，異常區(qū)域整體呈橢圓形。隨后異常減小并擴(kuò)散，UT15:00時(shí)異常峰值減小為15TECu左右，UT18:00后異常逐漸消失，UT21:00時(shí)電離層完全恢復(fù)平靜。異常整體持續(xù)時(shí)間為9h。文獻(xiàn)[37—41]均發(fā)現(xiàn)了在大型地震前有大范圍的、與震中距離較遠(yuǎn)的電離層異常，說(shuō)明此次探測(cè)到的電離層異常是完全有可能的。利用二維電離層地圖的異常探測(cè)結(jié)果與上文中奇異譜時(shí)間序列探測(cè)結(jié)果吻合較好，進(jìn)一步確認(rèn)了異常的存在性。

圖4　電離層異常區(qū)域示意圖Fig.4　Schematic diagram of ionospheric anomalise region

圖5　電離層異常和非異常區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)TEC時(shí)間序列圖Fig.5　TEC time series from 18 to 28, April of detection grid points in ionospheric abnormal and normal area

圖6　電離層地圖異常分布Fig.6　Ionospheric abnormal area disribution on ionosphere map

2.3衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡TEC異常分析

本文利用中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，選取了靠近震區(qū)的3個(gè)測(cè)站(XZAR、XZCD、XZCY)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上文中電離層異常區(qū)域進(jìn)行研究。圖7給出了6條穿刺點(diǎn)軌跡的位置以及3個(gè)陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站的分布圖。圖中紅色五角星為震中位置，藍(lán)色圓點(diǎn)為陸態(tài)網(wǎng)測(cè)站，帶箭頭曲線為穿刺點(diǎn)軌跡，箭頭方向指示穿刺點(diǎn)時(shí)間順序，不同曲線代表不同測(cè)站或不同衛(wèi)星形成的穿刺點(diǎn)軌跡，灰色橢圓為電離層異常區(qū)域。從圖7中可以看出，6條穿刺點(diǎn)軌跡均穿過(guò)了上文中探測(cè)到的異常區(qū)域，能夠利用這些曲線對(duì)該區(qū)域電離層狀況進(jìn)行研究。

圖7　測(cè)站和穿刺點(diǎn)軌跡分布Fig.7　The distribution of crustal movement observation network stations and IPP trajectories

圖8給出了圖7中6條穿刺點(diǎn)軌跡2015年4月21日至27日STEC的對(duì)比圖。圖8中紅色曲線均為4月23日STEC變化曲線，黑色為其余

天數(shù)的STEC。以圖7中深紅色曲線XZAR-SAT1和圖8中對(duì)應(yīng)的XZAR-SAT1子圖為例，隨著穿刺點(diǎn)進(jìn)入電離層異常區(qū)域，23日STEC逐漸高于其他天穿刺點(diǎn)STEC，經(jīng)過(guò)異常區(qū)域中心時(shí)，差值達(dá)到最大。然后隨著穿刺點(diǎn)遠(yuǎn)離異常峰值中心并離開(kāi)異常區(qū)域，差值逐漸減小直至消失。其余穿刺點(diǎn)軌跡均也出現(xiàn)類似情況。6條穿刺點(diǎn)軌跡23日STEC值均高于其他日期10～20個(gè)TECu左右，且時(shí)間為UT9:00—13:00左右，與上文電離層地圖探測(cè)到的異常出現(xiàn)時(shí)間十分吻合。

2.4基于CIT的4月23日電離層異常時(shí)空分布分析

本文采用了中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)青海、西藏、四川、云南地區(qū)共73個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)，表1給出了CIT反演范圍，圖9給出了青藏川滇地區(qū)測(cè)站的分布圖。利用2015年3月26日至4月9日15d的每小時(shí)的反演結(jié)果作為背景場(chǎng)，對(duì)4月23日電離層時(shí)空分布情況進(jìn)行異常探測(cè)。

表1　CIT反演范圍

圖8　4月21日至4月27日穿刺點(diǎn)軌跡STEC對(duì)比圖Fig.8　STEC of IPP trajectories from 21 to 27 April

圖9　中國(guó)陸態(tài)網(wǎng)青藏川滇地區(qū)站點(diǎn)分布圖Fig.9　The distribution of crustal movement observation network stations in Tibet,Qinghai,Sichuan and Yunnan

圖10給出了2015年4月23日UT03：00、UT06：00、UT09：00、UT12：00、UT15:00、UT18:00，100～500 km高度面的探測(cè)結(jié)果。從圖10中可以看出， UT3:00時(shí)，電離層各個(gè)高度面都非常平靜，沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；在UT6:00時(shí)，在100 km高度面出現(xiàn)少量異常，但是比較分散，而到了UT9:00時(shí)，在30°N，105°E附近開(kāi)始出現(xiàn)明顯的電離層異常。其中100～300 km隨著高度的增加，電離層異常峰值不斷增大，異常峰值最大約為15 TECu左右；300～500 km，隨著高度增加峰值逐漸減小，符合電離層密度垂直分布規(guī)律；UT12:00時(shí)異常范圍擴(kuò)大并稍微向西移動(dòng)，峰值減小。UT15:00時(shí)，峰值進(jìn)一步減小，異常開(kāi)始消散；UT18:00時(shí)異常消失，電離層恢復(fù)平靜。電離層三維層析結(jié)果與2.1節(jié)奇異譜分析結(jié)果、2.2節(jié)電離層地圖異常分布以及2.3節(jié)衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡異常探測(cè)結(jié)果的區(qū)域位置和時(shí)間都十分吻合，并且更加清晰、立體地展現(xiàn)出電離層異常的空間水平、垂直分布，以及隨時(shí)間的變化情況。

圖10　2015年4月23日15°N—40°N，75°E—115°E區(qū)域不同時(shí)間段、不同高度面的異常分布Fig.10　The ionospheric anomaly distribution in the inversion range 15°N—40°N，75°E—115°E in 23 April,2015 of different time and height

3結(jié)論

本文提出利用奇異譜方法對(duì)震前TEC時(shí)間序列進(jìn)行異常探測(cè)。利用GIM提供的全球電離層地圖數(shù)據(jù)，對(duì)震中附近格網(wǎng)點(diǎn)探測(cè)結(jié)果表明，2015年4月23日在震中正東方向出現(xiàn)大范圍電離層正異常。同時(shí)利用電離層地圖對(duì)電離層異常區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，確定了異常出現(xiàn)的時(shí)間為2015年4月23日UT9:00—15:00，主要分布在25°N—37.5°N，90°E—110°E，異常區(qū)域整體呈橢圓形。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論的正確性，本文利用中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)西藏地區(qū)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算4月21日至4月27日異常區(qū)域穿刺點(diǎn)軌跡STEC隨時(shí)間變化情況，同樣在上述區(qū)域UT9:00—15:00出現(xiàn)了電離層正異常。

為了更加精細(xì)、立體地研究電離層的時(shí)空分布，本文利用CIT技術(shù)對(duì)15°N—40°N，75°E—115°E，100～500 km范圍內(nèi)電離層進(jìn)行反演，以2015年3月26日至4月9日反演結(jié)果作為背景場(chǎng)，對(duì)4月23日反演結(jié)果進(jìn)行異常探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與上文中奇異譜分析以及衛(wèi)星穿刺點(diǎn)軌跡STEC方法的探測(cè)結(jié)果基本吻合。三維層析結(jié)果進(jìn)一步反映出電離層異常隨高度的變化情況：電離層異常出現(xiàn)在4月23日UT9:00—15:00，峰值位置約為30°N，105°E，主要分布在200～400 km高度范圍內(nèi)；100～300 km隨著高度增加，異常峰值逐漸增大，異常范圍擴(kuò)大；300～500 km，隨著高度增加，異常峰值逐漸減小，異常范圍縮小，異常隨高度變化規(guī)律與電離層電子密度垂直分布規(guī)律相一致。CIT反演結(jié)果從三維角度提供了電離層異常的空間分布情況，為分析此次電離層異常與地震之間的關(guān)系提供了進(jìn)一步的參考。

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(責(zé)任編輯：叢樹(shù)平)

修回日期： 2015-12-16

First author： YAO Yibin(1976—), male,professor, majors in geodetic data processing,GNSS space environment science.

E-mail： ybyao@sgg.whu.edu.cn

E-mail： czzhai@whu.edu.cn

The Pre-earthquake Ionosphere Anomaly of the 2015 Nepal Earthquake

YAO Yibin1,2,3，ZHAI Changzhi1，KONG Jian4，LIU Lei1

1. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 2. Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education, Wuhan University, Wuhan 430079, China; 3. Collaborative Innovation Center for Geospatial Technology, Wuhan 430079, China; 4. Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping, Wuhan 430079, China

Abstract：An ionospheric anomaly detection method based on singular spectrum analysis is introduced firstly.With the TEC time sequence of GIM grid points around the Nepal earthquake epicenter, the positive ionospheric anomalies are determined on 23 April around the eastern region of the epicenter. Using the two-dimensional ionospheric anomalies map, further analysis is taken to comfirm the ionospheric positive anomaly area distributing from 25°N to 37.5° N, 90°E to 110°E, and the anomaly time ranging UT9:00 to UT15:00 on 23 April, 2015. The data of crustal movement observation network of China issued to analyze the STEC fluctuation changes of IPP(ionosphere piece piont) trajectories in the abnormal area, and it is found that on 23 April the STEC values of IPP trajectories passing through the abnormal area are obviously larger than the ones a few days after and before the earthquake time, and returned to the normal level after leaving the abnormal area. Lastly, the CIT (computerized ionosphere tomography) method is used to present the 3D ionospheric anomalies distribution, and it is found that, at UT9: 00—UT15:00 on 23 April the peak of ionospheric positive anomaly on the eastern region of the epicenter is approximately at (30°N, 115°E), with the altitude ranging from 100 to 500 km. Also the anomalous peak varies with height is consistent with ionosphere density vertical distribution.

Key words：seismic-ionospheric disturbance; singular spectrum analysis; STEC; CIT

Corresponding author：ZHAI Changzhi

通信作者：翟長(zhǎng)治

第一作者簡(jiǎn)介：姚宜斌(1976—)，男，教授，研究方向?yàn)闇y(cè)量數(shù)據(jù)處理理論與方法、GNSS空間環(huán)境學(xué)。

收稿日期：2015-07-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41274022;41574028);湖北省杰出青年科學(xué)基金(2015CFA036)

中圖分類號(hào)：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-1595(2016)04-0385-11

Foundation support： The National Natural Science Foundation of China(Nos.41274022; 41574028); Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of Hubei Province of China(No.2015CFA036)

引文格式：姚宜斌，翟長(zhǎng)治，孔建,等.2015年尼泊爾地震的震前電離層異常探測(cè)[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(4)：385-395. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150384.

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