基于國家電波觀測站網(wǎng)電離層垂測數(shù)據(jù)的地震電離層異常研究進(jìn)展*

吳 健 徐 彤 胡艷莉

(中國山東青島266107中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及模化技術(shù)重點(diǎn)實驗室)

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基于國家電波觀測站網(wǎng)電離層垂測數(shù)據(jù)的地震電離層異常研究進(jìn)展*

(中國山東青島266107中國電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實驗室)

地震電離層異?，F(xiàn)象已被大量觀測所證實， 地震電離層異常的特征分析及其物理機(jī)理研究對開展地震監(jiān)測意義重大． 近年來， 中國電波傳播研究所利用國家電波觀測站網(wǎng)長期積累的電離層垂測數(shù)據(jù)， 開展了震例分析及其機(jī)理研究， 初步獲得了震前電離層的異常特征， 并建立了巖石圈-大氣層-電離層電場耦合物理模型． 本文簡要介紹了近年來我們在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展， 并對該領(lǐng)域的發(fā)展方向提出建議．

電離層異常 臨界頻率 異常電場 重力波

引言

強(qiáng)震前的電離層異?，F(xiàn)象常常被稱為地震電離層前兆(Pulinets， Boyarchuk， 2004)， 是地震前產(chǎn)生的一種地球物理現(xiàn)象， 對該現(xiàn)象的研究始于20世紀(jì)60年代中期． Barnes和Leonard(1965)首次報道了1964年阿拉斯加大地震期間存在顯著的電離層異常現(xiàn)象． 從此， 地震電離層異常成為地震、 地質(zhì)、 地磁、 地電、 電離層和中高層大氣等多個學(xué)科交叉的科學(xué)問題． 由于地震電離層異常通常發(fā)生在地震前數(shù)天內(nèi)， 可作為地震預(yù)報的重要輔助信息， 因此得到國內(nèi)外研究人員的廣泛重視． 目前， 俄羅斯、 法國、 美國、 日本和中國臺灣等地區(qū)對地震電離層異常開展了廣泛的監(jiān)測及其特征研究(Pulinetsetal， 2003; Liuetal， 2009; Li， Parrot， 2013)．

目前， 地震電離層異常研究主要基于地基電離層測量數(shù)據(jù)(如電離層測高儀數(shù)據(jù)、 總電子含量、 甚低頻信號幅度等數(shù)據(jù))及衛(wèi)星數(shù)據(jù)(等離子體參數(shù)、 電磁場強(qiáng)度等)． 大量研究已表明， 電離層測高儀自1925年發(fā)明以來， 一直是監(jiān)測電離層變化的有效技術(shù)手段(熊年祿等， 1999)． 利用電離層測高儀數(shù)據(jù)， 科研人員開展了大量的震例分析， 試圖找出地震電離層異常的規(guī)律． Chen等(1999)的統(tǒng)計結(jié)果表明： 73%的M5地震在震前5天內(nèi)記錄到電離層異常； 對于M6地震， 其概率則超過90%． 利用中壢站電離層F2層臨界頻率(foF2)數(shù)據(jù)， Liu等(2000)針對1994—1999年M>5地震的統(tǒng)計分析結(jié)果表明， 地震電離層異常具有局地性， 且主要發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r間12:00—18:00． 盡管已有較多的電離層異常研究成果， 但是由于電離層本身變化復(fù)雜， 且統(tǒng)計樣本較少， 地震電離層異常的規(guī)律尚無定論． 另一方面， 地震電離層異常引起了地球物理界的關(guān)注， 并嘗試探求其物理成因． 目前， 主流的成因假說有兩種， 一是重力波假說(Shalimov， 1992)， 二是異常電場假說(Kimetal， 1994)． 其中， 重力波假說能夠很好地解釋電離層的同震效應(yīng)(即地震發(fā)生后， 短時間內(nèi)的電離層波動現(xiàn)象)， 但其無法解釋震前數(shù)天的電離層異常現(xiàn)象． 隨著衛(wèi)星觀測到震前異常電場的報道越來越多， 異常電場假說成為接受度最高的理論， 其相關(guān)研究進(jìn)展可查閱Pulinets和Davidenko(2014)的綜述．

20世紀(jì)30年代我國科研人員也開始了實驗性的電離層觀測和研究． 二戰(zhàn)期間， 以服務(wù)短波通信為目的， 在重慶建立的我國第一個常規(guī)電離層垂測站(現(xiàn)在的重慶電波觀測站)， 1943年4月正式開始了我國常態(tài)化的電離層垂直探測， 至今已積累了連續(xù)70多年的電離層觀測資料， 為開展震例研究提供了豐富的基礎(chǔ)資料． 經(jīng)過數(shù)十年的電離層觀測站網(wǎng)建設(shè)， 我國已形成了具有寬地域覆蓋、 高空間分辨、 全天候常規(guī)電離層觀測能力的觀測網(wǎng)絡(luò)． 我國基于電離層垂測數(shù)據(jù)的地震電離層異常研究則始于1976年的唐山大地震之后. 20世紀(jì)80年代， 中國電波傳播研究所投入大量人力開展相關(guān)研究， 并在2008年汶川地震前觀測到震中附近foF2呈異常變化． 近年來， 在國家有關(guān)部門的大力支持下， 依托國家電波觀測站網(wǎng)和中國地震局地震臺站觀測網(wǎng)， 以首都圈為重點(diǎn)區(qū)域建成了電離層地基高分辨率觀測網(wǎng)， 用電離層測高儀和電離層斜探測儀組網(wǎng)對電離層異常開展高分辨觀測， 并于2009年成立了電離層地基高分辨率觀測數(shù)據(jù)中心， 實現(xiàn)了與中國地震局實時數(shù)據(jù)共享并為其提供信息服務(wù)． 同時， 中國電波傳播研究所積極組織科研隊伍， 利用電離層垂測、 斜測、 總電子含量等多種數(shù)據(jù)深入開展地震電離層異常特征及機(jī)理的研究(Xuetal， 2010a， b， 2011a， b， c， 2012， 2015a， b； Huetal， 2013; 徐彤等， 2011， 2012， 2013)， 本文將重點(diǎn)介紹近年來我們在這方面的研究進(jìn)展．

1 汶川地震前電離層異常變化

2008年5月12日汶川大地震是目前研究最為深入的震例， 對于其震前電離層異常變化特征的認(rèn)識也比較一致． Zhao等(2008)首次報道了汶川地震前的電離層異?，F(xiàn)象， 分析了武漢站和廈門站的電離層垂測數(shù)據(jù)， 結(jié)果顯示震前3天即5月9日午后， 電離層foF2異常增加． Liu等(2009)通過分析GPS總電子含量數(shù)據(jù)， 也得到了相似的結(jié)論．

我們利用重慶、 ?？?、 蘭州、 拉薩等多個臺站的電離層垂測數(shù)據(jù)， 詳細(xì)分析了汶川地震前的電離層異常變化特征(Xuetal， 2010a， b， 2011b)． 圖1a給出了2008年5月9日16時震中附近重慶站觀測到的電離層電子密度擾動變化． 可以看出： F2層電子密度(對應(yīng)foF2)顯著增加， 約為背景參考值的3倍多； 而其它高度， 如F1層和E層， 其電子密度變化相對不夠明顯． 圖1b為電子密度擾動的三維分布， 可見擾動主要局限在震中的F2層． 圖2給出了汶川地震前電離層foF2擾動增量在全國的二維分布， 可以看出， 震前電離層異常擾動主要集中在震中附近， 具有顯著的局地性． 這就要求地震電離層異常監(jiān)測的水平分辨率要高． 天基探測手段也捕捉到了該次地震的電離層異常信息， Liu等(2009)基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)的研究結(jié)果也顯示F2層電離層異常增加． 此外， 關(guān)于2010年1月12日MW7.0海地地震(Liuetal， 2011)和2011年3月11日MW9.0日本地震(Xuetal， 2011c)的研究也較為深入， 其結(jié)果也顯示出類似的電離層異常特征．

通過上述分析可知， 汶川地震前數(shù)天， 震中附近電離層F2層的電子密度異常在午后時段顯著， 而電離層其它區(qū)域(如F1層， E層)的電子密度(或foF1， foE)變化特征相對不夠明顯． 因此在電離層垂測參數(shù)中， foF2對孕震過程的響應(yīng)最為敏感．

圖1 汶川地震前(5月9日16時)重慶站觀測到的電離層電子密度Ne擾動分布

圖2 汶川地震前(2008年5月9日17時)電離層臨界頻率foF2擾動的二維分布(引自Xu et al, 2010a)

2 地震電離層異常多震例分析

鑒于電離層foF2對地震響應(yīng)的高度敏感性， 本文利用四分位數(shù)法(Liuetal， 2000)對1960—2008年我國發(fā)生的14次M>7.0地震前的電離層foF2參數(shù)進(jìn)行研究， 詳細(xì)分析地震電離層異常foF2擾動的時間、 空間分布規(guī)律以及擾動形態(tài)特點(diǎn)(徐彤等， 2012； Xuetal， 2015a)． 統(tǒng)計結(jié)果表明， 其中12次地震(85.7%)在震前出現(xiàn)電離層異常(主要為正擾動)， 并且大部分異常發(fā)生在震前7天以內(nèi)的當(dāng)?shù)貢r間11:00—17:00(圖3， 4)， 與Liuetal(2000)的研究結(jié)果基本一致． 此外， 電離層foF2擾動幅度與即將發(fā)生的地震震級、 震中距

圖3 震前半個月地震電離層擾動發(fā)生次數(shù)的變化(引自徐彤等, 2012)

圖4 地震電離層擾動次數(shù)隨當(dāng)?shù)貢r間的分布(引自徐彤等, 2012)

有不同程度的相關(guān)性． 隨著震級的增大， 電離層擾動量也增加， 二者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系， 如圖5所示． 地震電離層異常的擾動量， 除了與震級有關(guān)外， 還可能與震源深度、 觀測站相對于震中的距離及方位有關(guān)， 這些因素可能共同決定著地震電離層異常的強(qiáng)度． 此外， 孕震過程對電離層的影響局限在一定的空間尺度范圍內(nèi)． 忽略巖石密度和地質(zhì)條件， 地震釋放到地表的能量將隨距離平方而衰減． 因此， 對于同一震級的地震， 震源深度不同， 孕震過程釋放到地球表面的能量會不同， 可能會對電離層產(chǎn)生不同程度的影響． 由于所選取的地震事件樣本有限， 而且這14次地震大多是淺表地震， 所以本文未分析電離層擾動與震源深度之間的相關(guān)性．

圖5 電離層foF2擾動量與地震震級之間的關(guān)系(引自徐彤等, 2012)

3 地震電離層異常與磁暴及磁靜日電離層擾動區(qū)別

電離層foF2的變化極易受到太陽活動及地磁活動的影響， 變化復(fù)雜． 強(qiáng)太陽活動， 如日冕物質(zhì)拋射事件， 向行星際空間噴射大量的等離子體云， 等離子體云經(jīng)1.5—3天到達(dá)地球， 與地磁場作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的地磁擾動， 形成磁暴． 磁暴期間， 自磁層向下沉降的高能粒子對高緯度熱層底部中性大氣加熱， 并使之膨脹， 導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的電離層foF2產(chǎn)生劇烈擾動(增加或減少)． 此外， 即使在地磁活動平靜期間， 電離層foF2亦可能出現(xiàn)顯著擾動(稱為磁靜日擾動)(Mikhailovetal， 2004)． 因此， 判定電離層異常是否與地震有關(guān)， 需開展電離層foF2震前變化特征與磁暴(磁靜日)期間foF2變化的區(qū)別研究．

3.1 與磁暴電離層擾動區(qū)別

關(guān)于汶川地震的分析已表明， 震前電離層foF2擾動主要集中在震中附近， 具有明顯的局地性特征(Zhaoetal， 2008; Xuetal， 2010a， b， 2011b)． 而磁暴期間， 電離層擾動具有全球尺度特征． 圖6給出了2014年7月27日磁暴期間電離層foF2擾動的分布． 與圖2相比， 磁暴期間電離層擾動的空間尺度更大， 擾動更復(fù)雜．

3.2 與磁靜日電離層擾動區(qū)別

我們利用我國電離層垂測站網(wǎng)在第21—23太陽周長達(dá)約30年的foF2數(shù)據(jù)， 分析foF2在磁靜日的擾動特征(Xuetal， 2015b)． 研究結(jié)果表明， 磁靜日電離層foF2正擾動主要發(fā)生在夜間， 白天相對較少， 如圖7所示． 而地震電離層異常的統(tǒng)計研究 (Liuetal， 2000)表明， 震前正異常主要發(fā)生在白天午后(圖4)， 與磁靜日電離層foF2正擾動時間正好相反． 因此， 在我國磁靜日期間， 當(dāng)白天電離層foF2顯著增加時， 應(yīng)引起重視， 并結(jié)合其它諸如區(qū)域分布特征等信息來判斷其是否為地震異常．

圖6 2014年7月27日5時(地方時)磁暴期間電離層foF2擾動二維分布

圖7 重慶站磁靜日電離層foF2正負(fù)擾動隨地方時間的分布(引自Xu et al, 2015b)Fig.7 Occurrence of positive and negative geomagnetic quiet time disturbances in foF2versus local time at the station Chongqing (after Xu et al, 2015b)

4 物理機(jī)理

地震電離層異常的物理機(jī)理研究， 可以加深對現(xiàn)象的認(rèn)識， 有利于建立可靠的預(yù)測模型． 然而， 目前孕震過程所引起電離層異常的物理機(jī)理尚不確定． 分析電離層異常擾動的成因， 需厘清控制電離層狀態(tài)的基本物理過程． 電離層F層的離化源主要是太陽紫外、 極紫外輻射等， 所以太陽輻射所產(chǎn)生的光化學(xué)過程對電離層起決定性作用． 除了受太陽活動控制外， F層還會受到各種動力學(xué)過程的影響， 如熱層環(huán)流、 E×B漂移等． 因此， 可以用包含上述控制因素的等離子體連續(xù)性方程和動量方程來描述電離層的狀態(tài), 具體表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：Ni為離子濃度，Pi為離子壓強(qiáng)，mi為離子質(zhì)量， νin為離子碰撞頻率；qi為離子的產(chǎn)生率， 與太陽輻射強(qiáng)度有關(guān)；βi為離子的復(fù)合率， 取決于中性成分；E為電場強(qiáng)度，B為地磁場強(qiáng)度，Vi為離子運(yùn)動速度，U為水平中性風(fēng)． 式(1)和式(2)表明， 可以認(rèn)為太陽活動和地磁活動寧靜期qi和βi基本不變， 電子密度的擾動主要是由式(1)左邊的第二項·(NiVi)所表示的輸運(yùn)過程引起． 而引起速度Vi顯著改變的因素， 可能性較大的只有風(fēng)場U和電場E， 前者對應(yīng)“重力波”假說， 后者則對應(yīng)“異常電場”假說．

4.1 大氣重力波假說檢驗

重力波假說最早由Shalimov(1992)提出． 由于地殼的塊狀構(gòu)造， 孕震過程所引起的重力振蕩的幅度隨距離地面高度的增加而增加， 震前這些振蕩瞬間像“活塞”似的影響到大氣層， 產(chǎn)生內(nèi)重力波． 重力波(聲重波)抵達(dá)電離層后， 引起電離層高度的中性風(fēng)場U的波動， 影響電離層輸運(yùn)過程， 電離層發(fā)生擾動．Pulinets和Boyarchuk(2004)對該理論表示質(zhì)疑， 并指出重力波向上傳輸過程中由于受到中性風(fēng)、 熱傳導(dǎo)和其它擴(kuò)散過程的影響而很難傳到電離層高度． 此外， 強(qiáng)震發(fā)生時電離層受重力波的影響， 擾動幅度僅為1-2TECU， 因此無法解釋震前數(shù)天顯著的電離層異常．

以上均為對電離層異常的定性分析. 為了進(jìn)行定量分析， 徐彤等(2011， 2013)利用大氣運(yùn)動方程， 結(jié)合地震能量激發(fā)因素， 開展了大氣重力波引起電離層異常擾動的驗證研究； 其結(jié)果表明， 重力波無法引起震前電離層的顯著擾動． 此外， 徐彤等(2011， 2013)也檢驗了Hegai等(2006)提出的異常電場在電離層高度激發(fā)重力波的理論； 其模擬結(jié)果表明， 電子密度擾動甚微(圖8)， 與我國實際觀測相差甚遠(yuǎn). 可見， 該理論同樣無法解釋地震電離層異常現(xiàn)象．

圖8 電子密度分布(引自徐彤等， 2013)

4.2 異常電場提取與建模

異常電場假說由Kim等(1994)提出， 經(jīng)不斷完善， 成為目前認(rèn)可度最高的一種假說． 在地震孕育過程中除了力學(xué)過程， 還伴隨放射性化學(xué)過程， 如氡氣輻射． 中性大氣被地下逸出的氡氣電離， 并與水分子集合形成中性離子團(tuán)． 在地震孕育區(qū)上方接近地表的大氣中富含這些中性離子團(tuán)包裹的隱形離子． 地震孕育區(qū)的地殼釋放氣體主要為CO2． 中性離子團(tuán)被這些氣體破壞， 以致于在很短的時間內(nèi)， 地表大氣中產(chǎn)生大量的離子， 最終形成一個異常電場E傳輸至電離層高度， 通過電動力學(xué)過程， 改變了電離層的狀態(tài)．

4.2.1 電場異常強(qiáng)度定量估算

國內(nèi)外研究人員關(guān)于汶川地震前電離層異常的認(rèn)識較為統(tǒng)一， 因此， 本文利用汶川地震前震中附近的5個站(?？?、 廣州、 昆明、 拉薩、 重慶)的電離層垂測數(shù)據(jù)， 借助電離層電子密度與峰值高度、 漂移速度的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?定量估算電離層高度異常的電場強(qiáng)度為(Xuetal， 2011b)

(3)

式中，E為電場強(qiáng)度，B為地磁場強(qiáng)度，hm為最大電子密度高度，Nm為最大電子密度，I為磁傾角．

計算結(jié)果顯示， 異常電場強(qiáng)度約為1.0 mV/m， 且局限在震中附近(圖9a)， 其強(qiáng)度與零星的電磁衛(wèi)星觀測資料相符． 此外， 利用本文建立的一維電離層時變物理模型(圖8a)， 討論不同外加電場條件下電離層電子密度的擾動響應(yīng)． 模擬結(jié)果表明， mV/m量級的異常電場可以引起電離層F層電子密度的顯著擾動(圖9b )， 與實際觀測的數(shù)量級一致．

圖9 電離層高度的電場分布(a)及其對電子密度的響應(yīng)(b)(引自Xu et al, 2011b)

4.2.2 巖石圈-大氣層-電離層電耦合建模

傳統(tǒng)理論認(rèn)為， 震前放射性物質(zhì)氡氣的釋放能顯著改變近地面大氣的電特性， 形成異常電場滲透到電離層高度， 從而引起電離層異常． 然而， 這些研究多是定性分析． 雖然歐美部分研究人員的模擬結(jié)果顯示電場穿透效率低， 但遺憾的是這些模擬并未考慮到氡氣異常的離化作用， 因此經(jīng)典的氡氣釋放激發(fā)電場滲透理論遭到質(zhì)疑． 上述電場穿透過程可用·J=0，J=σ·E及E=-Φ等方程描述， 考慮到中性大氣的各向同性特征， 可以得到

(4)

式中，E為電場強(qiáng)度，J為電流密度， σ為電導(dǎo)率標(biāo)量， Φ為電勢．

將本文建立的氡氣釋放增強(qiáng)大氣電導(dǎo)率的模型嵌入式(4)(Xuetal， 2015a)中， 模擬結(jié)果表明， 氡氣異常釋放時， 近地表電導(dǎo)率可以顯著增加60%， 電離層高度電場亦有相應(yīng)程度的增加， 但其量級僅為μV/m， 故該理論也無法解釋震前的電離層異常現(xiàn)象(圖10a)． 此外， 由于海水的導(dǎo)電性和流動性， 氡氣異常釋放假說同樣也難以解釋海上強(qiáng)震前的電離層異常．

另外一方面， Freund (2010)試驗表明， 震前由于巖石擠壓可以形成強(qiáng)度為0.1-10 μA/m2的地表電流． 考慮地表電流因素后， 計算發(fā)現(xiàn)在電離層高度電場幅度達(dá)到mV/m量級時， 會引起電離層電子密度顯著擾動(圖10b)， 給建立地震電離層異常因果鏈帶來了曙光． 但是， 該強(qiáng)度的電流是否存在， 尚需進(jìn)一步確認(rèn)．

圖10 不同源導(dǎo)致的電離層高度電場幅度變化(引自Xu et al, 2015a)

5 討論與結(jié)論

關(guān)于震前電離層異?，F(xiàn)象的研究已經(jīng)長達(dá)半個世紀(jì)之久， 特別是2008年汶川地震前電離層異?，F(xiàn)象的報道， 使得地震電離層異常效應(yīng)倍受關(guān)注． 近年來， 中國電波傳播研究所在國防科技工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)及國家自然科學(xué)基金等項目的支持下， 利用國家電波觀測站網(wǎng)電離層垂測數(shù)據(jù)深入地開展了汶川地震及1960年以來我國其它14次M>7.0強(qiáng)震前的電離層異常變化分析． 研究表明， 電離層垂測參數(shù)中， foF2震前異常最為顯著， 而其它層(如F1層、 E層)的參數(shù)變化不夠顯著． 地震電離層異常一般發(fā)生在震前數(shù)天內(nèi)的午后時段， 具有局地性特點(diǎn)， 具有區(qū)別于磁暴、 磁靜日電離層的擾動特征． 另外， 我們檢驗了傳統(tǒng)的“重力波”及“異常電場”假說， 并積極探索和發(fā)展地震電離層異常電場驅(qū)動理論， 初步建立了巖石圈-大氣層-電離層電場耦合物理模型． 相關(guān)研究表明： “重力波”假說能夠很好地解釋電離層同震時的波動現(xiàn)象， 而無法解釋震前異常擾動現(xiàn)象； 而基于電場驅(qū)動的“異常電場”假說， 如氡氣釋放引起的電場穿透理論、 巖石壓力形成的電流傳輸理論， 優(yōu)于重力波假說． 孕震區(qū)巖石壓力形成的電流會引起電離層電場異常的假說， 較氡氣釋放電離層電場導(dǎo)致異常的假說更具有優(yōu)勢， 但是巖石壓力形成電流理論還需試驗進(jìn)一步證實． 盡管對地震電離層異常的規(guī)律及其機(jī)理的認(rèn)識在不斷加深， 但是由于電離層自身特點(diǎn)的多樣性及巖石圈與電離層耦合的復(fù)雜性， 地震電離層異常的特征及機(jī)理尚不確定． 若將地震電離層異常作為地震前兆應(yīng)用于實際的地震預(yù)報， 在電離層多手段監(jiān)測、 異常規(guī)律認(rèn)識、 信息識別和提取以及機(jī)理研究等方面還有許多工作亟需開展． 今后的主要發(fā)展方向如下：

1) 發(fā)展天地基聯(lián)合監(jiān)測手段. 地震電離層異常監(jiān)測對監(jiān)測手段的時間和空間分辨率要求很高． 因此， 可以利用傳統(tǒng)的地基(如垂測)和新發(fā)展的天基電離層探測手段， 對電離層進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)測， 相互補(bǔ)充， 形成天地一體化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)． 天基觀測可實現(xiàn)全球范圍電波環(huán)境的連續(xù)觀測， 尤其是在海洋等難以大量地面建站的區(qū)域． 我國目前的電離層地基觀測站網(wǎng)， 基本以服務(wù)電波傳播應(yīng)用研究的需要為出發(fā)點(diǎn)， 覆蓋我國主要空間區(qū)域． 地震電離層異常具有顯著的局地性特征， 對電離層觀測的水平分辨率要求高得多， 現(xiàn)有電離層觀測站網(wǎng)有待進(jìn)一步優(yōu)化、 補(bǔ)充． 建議在當(dāng)前站網(wǎng)能力條件下， 通過獨(dú)立建站、 合作建站、 數(shù)據(jù)共享等多種方式， 加強(qiáng)對地震多發(fā)地區(qū)的電離層觀測．

2) 加強(qiáng)地震電離層異常規(guī)律及機(jī)理研究． 雖然國內(nèi)外對地震電離層異常的規(guī)律及物理機(jī)理進(jìn)行了大量的研究， 但是還處于初步探索階段， 需要投入大量人力， 持續(xù)深入開展地震電離層異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計及物理成因研究． 對地震電離層異常規(guī)律的認(rèn)識， 尚存在諸多不一致甚至矛盾之處． 在機(jī)理研究方面， 雖然大氣重力波假說遭到質(zhì)疑， 但也不能否認(rèn)部分研究人員對該假說的支持． 電場異常假說可以解釋目前地震電離層異常的眾多特征， 但是地震孕育期間是否存在地表異常電場， 尚存爭議． 由于衛(wèi)星對某定點(diǎn)的連續(xù)監(jiān)測能力低， 電離層高度異常電場是否存在， 還有待于電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星直接測量和地面觀測數(shù)據(jù)的證實． 因此， 建議在加強(qiáng)對電離層電場異常的天基直接觀測的同時， 加強(qiáng)對地面電場變化的監(jiān)測．

3) 加強(qiáng)交流合作． 開展地震電離層異常研究的團(tuán)隊較多， 但力量和學(xué)科均很分散． 除了與中國地震局牽頭的國內(nèi)多家單位的有限合作研究外， 還應(yīng)加強(qiáng)與外部的交流合作． 臺灣地區(qū)劉正彥研究團(tuán)隊的成果最具代表性． 2006年， 臺灣地區(qū)“太空中心”與美國“大學(xué)大氣研究聯(lián)盟”聯(lián)合研制的“福衛(wèi)三號”衛(wèi)星(COSMIC)成功發(fā)射， 目前已經(jīng)積累了數(shù)年的可用數(shù)據(jù)． 該團(tuán)隊開展地震電離層異常研究較早， 數(shù)據(jù)處理技術(shù)先進(jìn)， 并且最早提出電離層異常標(biāo)準(zhǔn)， 積累了豐富的地震電離層異常提取經(jīng)驗． 而大陸目前還沒有發(fā)射類似的電離層監(jiān)測衛(wèi)星， 電離層天基監(jiān)測數(shù)據(jù)匱乏． 此外， 法國DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)也是我國急需的數(shù)據(jù)， 俄羅斯Pulinets教授團(tuán)隊是目前地震電離層異常機(jī)理研究最為深入、 影響力最大的團(tuán)隊． 我國電離層地基測量數(shù)據(jù)豐富， 但是目前缺乏電離層天基測量數(shù)據(jù)， 機(jī)理研究尚處于起步階段． 因此， 加強(qiáng)合作， 優(yōu)勢互補(bǔ)， 聯(lián)合攻關(guān)， 進(jìn)一步深化地震電離層異常研究， 以推進(jìn)地震電離層異常監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的發(fā)展．

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Recent progress in the study of ionospheric anomalies before strong earthquakes using ionosonde data of National Radio Observation Network in China

(NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment，ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation，ShandongQingdao266107，China)

Ionospheric anomalies before strong earthquakes have been evidenced by many kinds of observations. Analyses of ionospheric anomalies characteristics and investigation of the corresponding physical mechanism are of great significance to monitoring seismic precursors. China Research Institute of Radiowave Propagation (CRIRP) has conducted a series of studies on the ionospheric anomalies before earthquakes and investigation of the corresponding physical mechanisms based on several decades of ionosonde data recorded by the National Radio Observation Network in China， and preliminarily obtained characteristics of ionospheric anomalies before earthquakes and established a comprehensive model of lithosphere-atmosphere-ionosphere electric coupling. This paper reviews the recent progress of the relevant studies， and gives tendentious emphasis for further study.

ionospheric anomaly; critical frequency; anomalous electric field; gravity wave

綜 述

國家自然科學(xué)基金(41004066)資助.

2015-11-09收到初稿， 2016-02-29決定采用修改稿.

e-mail: xutong1104@126.com

10.11939/jass.2016.03.003

P352.3

A

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Wu J， Xu T， Hu Y L. 2016. Recent progress in the study of ionospheric anomalies before strong earthquakes using ionosonde data of National Radio Observation Network in China.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 345--355. doi:10.11939/jass.2016.03.003.