基于主成分分析與滑動(dòng)四分位法的震前TEC異常探測(cè)對(duì)比分析

鄒斌,郭金運(yùn),常曉濤,朱廣彬,李武東

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心,北京 100048)

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基于主成分分析與滑動(dòng)四分位法的震前TEC異常探測(cè)對(duì)比分析

鄒斌1,2,郭金運(yùn)1,常曉濤2,朱廣彬2,李武東1,2

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590;2.國(guó)家測(cè)繪地理信息局 衛(wèi)星測(cè)繪應(yīng)用中心,北京 100048)

通過(guò)利用IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)四次震級(jí)Mw>7.0的地震(汶川大地震,玉樹(shù)地震,東日本大地震,于田地震)分別利用主成分分析(PCA)和滑動(dòng)四分位法進(jìn)行震前的TEC異常探測(cè)。結(jié)果顯示,兩種方法都能有效探測(cè)到震前TEC異常,且異常有穩(wěn)定的時(shí)間尺度。兩種方法相比,PCA方法更優(yōu),其探測(cè)到的異常比較直觀、簡(jiǎn)明,而滑動(dòng)四分位法則探測(cè)到的異常天數(shù)較多,但兩者總體趨勢(shì)一致,且兩種方法得到的結(jié)果與其他學(xué)者分析得到的結(jié)果也一致。從探測(cè)的效果上來(lái)看PCA不易受太陽(yáng)地磁活動(dòng)影響,這也表明PCA的確可用于震前TEC異常分析,分析時(shí)將兩種方法有效結(jié)合,相互補(bǔ)充,能對(duì)震前的電離層異常分析起到更好的效果。

地震;TEC;主成分分析;滑動(dòng)四分位法;電離層異常

0　引　言

地震臨震前后電離層擾動(dòng)以及地震電離層耦合機(jī)制一直是地震前兆研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1],許多學(xué)者通過(guò)大量的地震——電離層異?，F(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)地震孕育過(guò)程中,在巖石圈、大氣圈以及電離層確實(shí)存在電磁異常現(xiàn)象,且電離層前兆的出現(xiàn)有穩(wěn)定的時(shí)間尺度,這一突出特點(diǎn)將使它在短臨地震預(yù)報(bào)中更具實(shí)用價(jià)值[2]。近年來(lái),由于GPS技術(shù)的快速發(fā)展,使得電離層探測(cè)變得更為簡(jiǎn)單,很多的電離層探測(cè)方法都是基于GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的。而典型的傳統(tǒng)分析方法是滑動(dòng)時(shí)窗法,它是對(duì)TEC時(shí)間序列做統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行異常檢查,進(jìn)而判斷異常,許多學(xué)者都采用此方法來(lái)探測(cè)震前TEC異常情況[3-6]。隨著研究工作的不斷深入,一些學(xué)者也在不斷嘗試新的異常探測(cè)方法,張小紅等[7]提出一種利用時(shí)間序列法(ARIMA模型)進(jìn)行震前電離層異常探測(cè)的新方法,取得很好的效果;Lin[8]利用主成分分析(PCA)對(duì)臺(tái)灣2002-2003年發(fā)生的12次M≥5.0地震進(jìn)行異常分析,發(fā)現(xiàn)PCA可用于異常探測(cè)且異常主要集中在震前5天;隨后Lin[9]又利用PCA結(jié)合圖像處理技術(shù)分析了2008年汶川地震,對(duì)5月4日、8日、9日的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)(GIM)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果顯示PCA能夠有效探測(cè)到8日和9日的TEC異常信號(hào)并能確定異常的大致位置。在本文研究中,將采用滑動(dòng)四分位法和PCA對(duì)2008-2015年的四次Mw>7.0地震進(jìn)行對(duì)比分析,以研究震前TEC擾動(dòng)與地震之間的關(guān)系。

1　數(shù)據(jù)及異常檢測(cè)方法

1.1數(shù)據(jù)

本文分析的四次地震的基本信息如表1所示,數(shù)據(jù)信息來(lái)源于中國(guó)地震局官方網(wǎng)站(http://www.cea.gov.cn/),表1中所采用的時(shí)間系統(tǒng)為世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)。

表1　2008-2015年4次地震基本信息

分析電離層異常時(shí),采用的電離層數(shù)據(jù)來(lái)源于IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/gnss/products/ionex/),該數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為2 h,空間分辨率為5°(lon)×2.5°(lat),使用時(shí)將其線(xiàn)性?xún)?nèi)插到1 h間隔,通過(guò)對(duì)震中周?chē)窬W(wǎng)點(diǎn)TEC值進(jìn)行內(nèi)插得到震中的TEC時(shí)間序列[10],本文分析時(shí)提取了震中地區(qū)震前15天及震后3天的TEC時(shí)間序列。

此外,由于太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)的變化都會(huì)導(dǎo)致電離層的異常變化,因此分析電離層異常時(shí)需結(jié)合該時(shí)期的空間環(huán)境狀況綜合分析該段時(shí)期的電離層異常變化原因。為此,提取了震前15天及震后3天的太陽(yáng)風(fēng)速度Vsw、太陽(yáng)射電量F10.7指數(shù)、地磁Dst指數(shù)、地磁Kp指數(shù)的時(shí)間序列。太陽(yáng)地磁數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)航空航天局(NASA)的OMNIWeb公開(kāi)數(shù)據(jù)(http://omniweb.gsfc.nasa.gov/),采用數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為1 h.各指數(shù)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下:太陽(yáng)風(fēng)速度在地球附近的平均值為450 km/s左右;F10.7根據(jù)其大小將太陽(yáng)活動(dòng)劃分為三個(gè)等級(jí),即F10.7>150SFU,100SFU

1.2主成分分析法

主成分分析法(PCA)又叫KLT被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理與分析。其主要目的是通過(guò)分離不相關(guān)成分提取主要信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)降維[15-16]。

設(shè)數(shù)據(jù)矩陣為

(1)

J(u)=pTp=uTAATu.

(2)

通過(guò)拉格朗日乘數(shù)法引入一個(gè)拉格朗日乘子,得:

(3)

令

(4)

則J(u)的特征值為λ1≥λ2≥…≥λm,相應(yīng)的特征向量為u1,u2,…,um,最大特征值λ1也即是主特征值,代表主特征信號(hào)。

利用PCA分析TEC異常時(shí),每天的數(shù)據(jù)維數(shù)為m=1,n=24,即將經(jīng)時(shí)間插值后每天1 h間隔的TEC數(shù)據(jù)代入矩陣A,計(jì)算時(shí)先將其中心化,然后代入式(4)則可計(jì)算出一個(gè)主特征值,代表當(dāng)天的電離層TEC主信號(hào),最后將每天的主特征值組成一個(gè)時(shí)間序列進(jìn)行TEC異常分析。

1.3滑動(dòng)四分位法

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)離散度的一個(gè)量,常用來(lái)檢查數(shù)據(jù)的異常情況[5-6]。本文考慮到TEC變化具有季節(jié)效應(yīng),選擇窗口時(shí)間長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),因此在本文中選擇27d[17]作為時(shí)間窗口,在分析每天的數(shù)據(jù)時(shí)取其前27天同一時(shí)刻的TEC組成一組時(shí)間序列,并按照從小到大順序?qū)ζ溥M(jìn)行排列為x1,x2,…,x27則:

(5)

于是四分位距IQR=Q3-Q1,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IQR=1.34σ.本文定義Q2±1.5IQR作為T(mén)EC異常檢驗(yàn)上下邊界的判斷閥值,如果TEC值沒(méi)有超出上下界則ΔTEC=0,超出上界ΔTEC>0,表示正異常,低于下界值ΔTEC<0,表示負(fù)異常。

2　分析與討論

采用上述兩種異常探測(cè)方法對(duì)表1中列舉的四次大地震進(jìn)行TEC異常探測(cè),所得的結(jié)果如圖2、3、5、7所示。從圖中可以看出兩種方法均能探測(cè)到震前TEC有明顯的異常,對(duì)于滑動(dòng)四分位法來(lái)說(shuō)其探測(cè)出的異常比較容易看出,異常有正有負(fù),只是異常幅度有所差異,而對(duì)于PCA來(lái)說(shuō),其異常表現(xiàn)為在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)顯著的特征值極大值,且該極大值一般就是該時(shí)間序列的最大值。

2.1汶川地震

圖1示出了對(duì)汶川地震利用滑動(dòng)四分位法和PCA探測(cè)后的結(jié)果。從圖中可以看出在整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)TEC異常正負(fù)交替,出現(xiàn)異常的天數(shù)共有4天,分別是震前2天、3天、8天、13天,其中震前3天出現(xiàn)的正異常幅度最大,接近3TECU; 從圖1中PCA得出的結(jié)果,可以看出在整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)主特征值變化比較平穩(wěn),只有在震前3天、震前9天和震前14天有過(guò)明顯變化,其中兩個(gè)明顯的峰值點(diǎn)分別是在震前3天和震前9天,說(shuō)明這兩天TEC出現(xiàn)異常。

圖1　2008/05/12汶川地震TEC時(shí)間序列及滑動(dòng)四分位法和PCA結(jié)果(a)震中TEC值及其上下界; (b)滑動(dòng)四分位結(jié)果; (c)主特征值(圖中豎直線(xiàn)表示地震發(fā)生當(dāng)天，圖中的特征值序列是歸1化后結(jié)果)

相對(duì)于滑動(dòng)四分位法來(lái)說(shuō),PCA探測(cè)到的異常天數(shù)比之較少,而且兩者并沒(méi)有完全對(duì)應(yīng),在圖1中滑動(dòng)四分位法檢測(cè)到震前8、13天均出現(xiàn)小的異常,而從PCA得到的結(jié)果來(lái)看這兩天的主特征值都比較小,表明這幾天TEC沒(méi)有異常;但兩種方法共同探測(cè)到震前3天TEC出現(xiàn)異常,其中震前3天的異常在滑動(dòng)四分位法探測(cè)下異常幅度最大,在PCA探測(cè)下主特征值大小也僅次于震前9天,因此該天異常最特殊,通過(guò)查詢(xún)這兩天的太陽(yáng)地磁活動(dòng)指數(shù)(Vsw,F10.7,Dst,Kp),結(jié)果顯示這兩天太陽(yáng)地磁活動(dòng)都很平靜,將兩種方法綜合對(duì)比分析后可進(jìn)一步認(rèn)為震前3天的異常與隨后的地震有關(guān),這與余濤、毛田等[18]通過(guò)分析汶川震前的主要參量(TEC,foF2)變化得出震前3天的異常與時(shí)間太陽(yáng)地磁活動(dòng)時(shí)間情況一致。

2.2玉樹(shù)地震

圖2示出了玉樹(shù)地震的探測(cè)結(jié)果,從圖2中可看出玉樹(shù)地震在滑動(dòng)四分位法探測(cè)下TEC出現(xiàn)異常的天數(shù)是3天,分別是震前6、8、12天,其中異常較顯著的是震前7天和震前8天。圖2也示出了PCA探測(cè)結(jié)果,在整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)除了地震當(dāng)天出現(xiàn)了一個(gè)小峰值以及震前12天出現(xiàn)的一個(gè)異常顯著的峰值外,其余時(shí)間主特征值都很小很平穩(wěn),結(jié)合滑動(dòng)四分位的探測(cè)結(jié)果,兩者共同探測(cè)到震前異常只有震前12天,因此震前12天的TEC異常最為特殊。

圖2　2010/04/13玉樹(shù)地震TEC時(shí)間序列及滑動(dòng)四分位法和PCA結(jié)果(a)震中TEC值及其上下界; (b)滑動(dòng)四分位結(jié)果; (c)主特征值;(圖中豎直線(xiàn)表示地震發(fā)生當(dāng)天，圖中的特征值序列是歸1化后結(jié)果)

圖3　2010/04/13玉樹(shù)地震太陽(yáng)地磁活動(dòng)時(shí)間序列圖(a)太陽(yáng)網(wǎng)速度Vsw; (b)太陽(yáng)射點(diǎn)亮F10.7； (c)Dst指數(shù)；(d)Kp指數(shù)(堅(jiān)線(xiàn)表示地震發(fā)生時(shí)刻，橫線(xiàn)是各指數(shù)設(shè)定的閾值)

為了進(jìn)一步分析震前TEC異常原因,圖3示出了震前15天及震后3天太陽(yáng)地磁活動(dòng)時(shí)間序列,從圖中可以看出震前7、8天除了F10.7指數(shù)在設(shè)定閥值以?xún)?nèi)外,其余各項(xiàng)指數(shù)均超標(biāo):震前8天的太陽(yáng)風(fēng)速度最大值接近900km/s, Kp指數(shù)最大值也接近8,震前7天的Dst指數(shù)最低時(shí)更是接近-90nT,說(shuō)明這三天的太陽(yáng)地磁活動(dòng)非常強(qiáng)烈,因此圖2用滑動(dòng)四分位法探測(cè)出這幾天的TEC異常與太陽(yáng)地磁活動(dòng)干擾密切相關(guān)。

對(duì)比圖2中PCA的探測(cè)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)這兩天的主特征值卻很小很穩(wěn)定,因此不難發(fā)現(xiàn)利用PCA探測(cè)TEC異常是不受太陽(yáng)地磁活動(dòng)干擾的,而滑動(dòng)四分位法卻受其影響。

再看震前12天太陽(yáng)風(fēng)速度在450km/s以下,F10.7低于100SFU,Dst≥-30nT,Kp指數(shù)也低于4,可見(jiàn)該天太陽(yáng)地磁活動(dòng)很平靜,但兩種方法都檢測(cè)到該天有異常,且PCA檢測(cè)時(shí)該天的異常最顯著,通過(guò)兩種方法對(duì)比分析后可認(rèn)為震前12天的TEC異常是此次地震的前兆,這與劉軍[20]和湯俊[21]用的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差探測(cè)結(jié)果一致。

2.3東日本大地震

在滑動(dòng)四分位法探測(cè)下日本311地震震前電離層異常主要集中出現(xiàn)在震前1～8天,如圖4所示。從圖中可以看出震前3至8天異常最為密集,且震前3天異常幅度最大,接近8TECU,但這幾天的異常過(guò)于頻繁,前面也提到滑動(dòng)四分位法易受太陽(yáng)地磁活動(dòng)影響,為此特意查詢(xún)了這段時(shí)間的太陽(yáng)地磁活動(dòng)的情況。

由查詢(xún)結(jié)果可知，震前4到9天太陽(yáng)風(fēng)速度Vsw和F10.7指數(shù)均超過(guò)閾值,可見(jiàn)這幾天太陽(yáng)活動(dòng)劇烈,Dst指數(shù)除了在震前第9天的時(shí)候低于-30nT外,其余時(shí)段還是處于比較穩(wěn)定的狀態(tài),不過(guò)Kp指數(shù)一直很接近4,說(shuō)明這幾天還是有弱的地磁擾動(dòng),因此由滑動(dòng)四分位法探測(cè)到的震前4～9天的TEC異常與太陽(yáng)活動(dòng)密切。

而震前3天除F10.7指數(shù)在150SFU左右,其余指數(shù)也均在正常范圍內(nèi),該天的異常比較特殊。

圖4中也示出了PCA探測(cè)結(jié)果,從圖中可以清晰地看到在震前3天有一個(gè)顯著的主特征值極值,說(shuō)明該天檢測(cè)到異常,用PCA探測(cè)到震前4、7、9、10天這幾天的主特征值比較小,說(shuō)明并沒(méi)有異常,但用滑動(dòng)四分位法卻探出這幾天TEC存在異常,而這些天正是太陽(yáng)地磁活動(dòng)比較劇烈的時(shí)候,這也進(jìn)一步說(shuō)明利用PCA分析震前TEC異常不易受太陽(yáng)地磁活動(dòng)影響,通過(guò)兩種方法對(duì)比分析后,可將兩者共同探測(cè)到的震前3天的異常作為此次地震的前兆,這與姚宜斌[2]和馬一方[22]等將震前3天的異常作為此次地震前兆的結(jié)果也是一致的。

圖4　2011/03/11日本311大地震TEC時(shí)間序列及滑動(dòng)四分位法和PCA結(jié)果 (a)震中TEC值及其上下界； (b)滑動(dòng)四分位結(jié)果; (c)主特征值(圖中豎直線(xiàn)表示地震發(fā)生當(dāng)天，圖中的特征值序列是歸1化后結(jié)果)

2.4于田地震

圖5示出了于田地震的TEC探測(cè)結(jié)果,由圖5中可以看出,在滑動(dòng)四分位法探測(cè)下TEC異常主要集中出現(xiàn)在震前8、10天,其中震前10天的異常最為特殊,其最大異常幅度接近16TECU.圖5中也示出了PCA探測(cè)結(jié)果,從圖中可清晰地看到震前10天出現(xiàn)一個(gè)顯著的特征值極值,另外震前8天與地震當(dāng)天的主特征值也比較明顯,說(shuō)明這幾天的TEC有異常。通過(guò)查詢(xún)這幾天的太陽(yáng)地磁活動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)震前2天和4天的太陽(yáng)地磁活動(dòng)比較活躍,因此由滑動(dòng)四分位法探測(cè)到的這兩天的小異常可認(rèn)為是太陽(yáng)地磁活動(dòng)造成的,再看這兩天的主特征值都比較平穩(wěn),說(shuō)明PCA并沒(méi)有探測(cè)到這兩天有異常,這再次驗(yàn)證了PCA分析震前TEC異常時(shí)不受太陽(yáng)地磁活動(dòng)影響。而震前8天、10天這兩天除F10.7超出100SFU外,其余各指數(shù)(包括太陽(yáng)風(fēng)速度Vsw,Dst,Kp)均在設(shè)定閥值內(nèi),說(shuō)明太陽(yáng)地磁活動(dòng)并不活躍,并且兩種方法都探測(cè)到這兩天有異常,但震前10天在兩種方法中都是異常最顯著的,因此可認(rèn)為與隨后的地震有關(guān),這與李旺[23]等分析得出的結(jié)果也一致。

圖5　2014/02/12新疆于田地震TEC時(shí)間序列及滑動(dòng)四分位法和PCA結(jié)果(a)震中TEC值及其上下界; (b)滑動(dòng)四分位結(jié)果; (c)主特征值(圖中豎直線(xiàn)表示地震發(fā)生當(dāng)天，圖中的特征值序列是歸1化后結(jié)果)

3　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)2008-2015年發(fā)生的四次大地震分別利用滑動(dòng)四分位法和PCA進(jìn)行震前TEC異常探測(cè),發(fā)現(xiàn)兩種方法均能有效探測(cè)到震前的TEC異常信息;從探測(cè)結(jié)果來(lái)看,滑動(dòng)四分位法探測(cè)到的異常天數(shù)比PCA多,這可能是因?yàn)镻CA分析異常時(shí)不易受太陽(yáng)地磁活動(dòng)影響,而滑動(dòng)四分位法易受其影響;而從異常幅度上來(lái)看,PCA探測(cè)到的異常更為明顯,一般就是出現(xiàn)峰值時(shí)刻且該峰值一般是整個(gè)時(shí)間序列內(nèi)的最大值,而滑動(dòng)四分位法往往因其它各種因素的影響使得其探測(cè)到的異常幅度不一定是最大的;兩種方法相比,PCA檢測(cè)的結(jié)果更清晰明了,而用滑動(dòng)四分位法得到的結(jié)果較多,不容易剔除無(wú)關(guān)因素,無(wú)法快速確定具體哪天的TEC異常與地震相關(guān);但將兩種方法有效結(jié)合,通過(guò)對(duì)比分析并結(jié)合太陽(yáng)地磁活動(dòng)排除干擾因素,將這樣得到的結(jié)果作為地震前兆信息會(huì)更加可靠更具說(shuō)服力。

[1] 蔡軍濤,趙國(guó)澤,詹艷, 等.地震期間電離層擾動(dòng)現(xiàn)象研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2007, 22(3):695-701.

[2] 姚宜斌,陳鵬,吳寒, 等. 2011年3月11日日本地震震前電離層異常變化分析[J]. 科學(xué)通報(bào), 2012, 57(5): 355-365.

[3] 姚璐,申旭輝,張學(xué)民. 玉樹(shù)MS7. 1 地震前電離層異常擾動(dòng)分析[J]. 地震, 2014, 34(3):74-85.

[4] 張學(xué)民,劉靜,趙必強(qiáng), 等. 玉樹(shù)地震前的電離層異常現(xiàn)象分析[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 822-829.

[5]GUOJ,LIW,LIUX, et al.OnTECanomaliesasprecursorbeforeMW8.6SumatraearthquakeandMW6.7MexicoearthquakeonApril11, 2012 [J].GeosciencesJournal, 2015, 19(4):721-730.

[6]GUOJ,LIW,YUH, et al.ImpendingionosphericanomalyprecedingtheIquiqueMw8. 2earthquakeinChileon2014April1 [J].GeophysicalJournalInternational, 2015, 203(3):1461-1470.

[7] 張小紅,任曉東,吳風(fēng)波,等. 震前電離層TEC異常探測(cè)新方法[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2013 (2): 441-449.

[8]LINJW.Ionospherictotalelectroncontent(TEC)anomaliesassociatedwithearthquakesthroughKarhunen-LoéveTransform(KLT) [J].Terrestrial,AtmosphericandOceanicSciences, 2010, 21(2):253-265.

[9]LINJW.Two-dimensionalionospherictotalelectroncontentmap(TEC)seismo-ionosphericanomaliesthroughimageprocessingusingprincipalcomponentanalysis[J].AdvancesinSpaceResearch, 2010, 45(11): 1301-1310.

[10]李征航,張小紅. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M]. 武漢大學(xué)出版社, 2009.

[11]FEJERBG,DEPAULAER,GONZLEZSA,etal.AverageverticalandzonalF-regionplasmadriftsoverJicamarca[J].JournalofGeophysicalResearch, 1991, 96(A8):13901-13906.

[12]FEJERBG,PAULAERD,BATISTAIS, et al.EquatorialFregionverticalplasmadriftsduringsolarmaxima[J].JournalofGeophysicalResearch, 1989, 94(A9):12049-12054.

[13]沈曉飛,倪彬彬, 顧旭東, 等. 第23太陽(yáng)活動(dòng)周期太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)及地磁指數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2015, 58(2):362-370.

[14]LINJW.PotentialreasonsforionosphericanomaliesimmediatelypriortoChina’sWenchuanearthquakeon12May2008detectedbynonlinearprincipalcomponentanalysis[J].InternationalJournalofAppliedEarthObservationandGeoinformation, 2012, 14(1):178-191.

[15]LINJW.Principalcomponentanalysismethodinthedetectionoftotalelectroncontentanomaliesinthe24hrspriortolargeearthquakes[J].ArabianJournalofGeosciences, 2011, 4(3-4):575-593.

[16]GMEZLONDOE,CASTILLOLPEZL,THASDESOUZAK.UsingtheKarhunen-Loóvetransformtosuppressgroundrollinseismicdata[J].EarthSciencesResearchJournal, 2005, 9(2):139-147.

[17]PANCHEVAD,LASTOVICKAJ.Solarormeteorologicalcontroloflowerionosphericfluctuations(2-15and27days)inmiddlelatitudes[J].HandbookforMAP, 1989(29):210-214.

[18]余濤,毛田,王云岡, 等. 汶川特大地震前電離層主要參量變化[J]. 科學(xué)通報(bào), 2009 (4):493-499.

[19]LINJW.Ionosphericprecursorof2008ChinaWenchuanearthquakeusingtwo-dimensionalprincipalcomponentanalysis[J].HKIETransactions, 2014, 21(3):192-194.

[20]劉軍,柴洪洲,劉長(zhǎng)建,等. 基于CODEGIM的震前電離層TEC異常分析[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2011, 31(6):39-42.

[21]湯俊,姚宜斌,陳鵬, 等. 利用PCA分析震前電離層TEC異常[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué), 2013, 33(4):22-25.

[22]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, 4:001.

[23]LIW,GUOJY,YUXM, et al.AnalysisofionosphericanomalyprecedingtheMw7.3Yutianearthquake[J].GeodesyandGeodynamics, 2014, 5(2):54-60.

Analysis of TEC Anomalies before Earthquake Based on Principal Component Analysis and the Sliding Inter Quartile Range Method

ZOU Bin1,2,GUO Jinyun1,CHANG Xiaotao2,ZHU Guangbin2,LI Wudong1,2

(1.CollegeofGeodesyandGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China;2.SatelliteSurveyingandMappingApplicationCenter,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeo-information,Beijing100048,China)

This paper using the global ionospheric map data from IGS and then using principal component analysis method and the sliding inter quartile range method to investigate precursors for 4 earthquakes of Richter magnitude scale Mw≥7.0(Wenchuan earthquake, Yushu earthquake, Japan 311 earthquake, Yutian earthquake). Results shows that both methods can effectively detect pre-earthquake TEC anomaly and the anomaly has stable time scale. Compared two methods, PCA is better, it detects the anomaly more intuitive and concise, but the sliding inter quartile range method detects more abnormal days than PCA. However, the results of two methods has a common trend, and the results of two methods is consistent with the results from other scholars. In addition, PCA is not affected by solar geomagnetic activity, this finding verify that PCA can be used in pre-earthquake ionospheric anomaly analysis. So it obvious that combine two methods effectively when analysis the pre-earthquake ionospheric anomaly can have a better effect.

Earthquake; Total Electron Content; principal component analysis; sliding inter quartile range method; ionospheric anomaly

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.014

2016-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):41374009,41204007); 山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):ZR2013DM009); 國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):2015FY310200); 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(編號(hào):2013CB733302); 測(cè)繪地理信息公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(編號(hào):201512012)

P228.4

A

1008-9268(2016)04-0063-08

鄒斌(1992-),男,江西撫州人,碩士生,主要從事空間大地測(cè)量研究。

郭金運(yùn)(1969-),男,山東巨野人,博士、教授、博導(dǎo),主要從事空間大地測(cè)量、海洋大地測(cè)量和物理大地測(cè)量等研究。

常曉濤(1972-),男,河南人,研究員,主要從事衛(wèi)星大地測(cè)量方面的研究。

聯(lián)系人： 鄒斌 E-mail: binchow77tt@163.com