基于GPS數(shù)據(jù)的汶川、九寨溝地震震前電離層異常分析

劉 江，陳 聰，何福秀

(四川省地震局，四川 成都 610041)

大地震臨震前電離層異常擾動(dòng)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。目前，世界上地震科學(xué)家已經(jīng)通過(guò)電磁學(xué)途徑、化學(xué)途徑以及聲學(xué)途徑論證了電離層擾動(dòng)與地震孕育過(guò)程的關(guān)系(Sorokina et al, 2005; Pulinets et al, 2011)。其中，電磁學(xué)途徑主要是監(jiān)測(cè)電磁場(chǎng)變化、電子溫度、電子密度以及電子濃度總含量(TEC)和這些參量在震前以及地震期間存在的異常變化。電離層垂直電子濃度總含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)是電離層特性中的一個(gè)重要參量，其高精度測(cè)量對(duì)研究地震—電離層耦合機(jī)制具有十分重要的意義。而GPS是監(jiān)測(cè)VTEC實(shí)時(shí)變化的主要手段之一(林劍等，2009；張學(xué)明等，2014)，通過(guò)GPS數(shù)據(jù)解算得到的VTEC數(shù)據(jù)可以有效用于臨震電離層異常擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)和研究。近年來(lái)，關(guān)于GPS監(jiān)測(cè)震前電離層變化的研究層出不窮，如，馬一方等(2015)利用CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)分析了2013年4月20日蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生前后震中附近電離層赤道異常變化，研究表明：赤道異常峰值在震前5天內(nèi)明顯減小，且峰值位置向赤道方向移動(dòng)；王澤民等(2016)利用震中附近IGS跟蹤站GPS數(shù)據(jù)和CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)分析2015年4月25日尼泊爾8.1級(jí)地震前后電離層VTEC異常變化，研究表明：尼泊爾地震前，排除太陽(yáng)和地磁活動(dòng)及地球物理現(xiàn)象短時(shí)擾動(dòng)的影響，電離層VTEC值在4月23日表現(xiàn)出顯著的正異常。盡管相關(guān)結(jié)果均表明大地震很可能引發(fā)電離層異常擾動(dòng)，且這種異常最顯著地出現(xiàn)在震前一周(姚璐等，2014)，但太陽(yáng)輻射、地磁活動(dòng)等空間天氣因素也會(huì)引起電離層異常擾動(dòng)，因此，如何有效提取與地震相關(guān)的電離層前兆信息，實(shí)現(xiàn)震前電離層異常短臨預(yù)報(bào)值得深入探索和研究。

本文以發(fā)生在四川區(qū)域的2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨溝MS7.0地震為研究對(duì)象，利用四川及周邊區(qū)域GPS數(shù)據(jù)，通過(guò)球諧函數(shù)解算、電離層異常提取，系統(tǒng)分析地震發(fā)生前四川及周邊區(qū)域電離層異常時(shí)空變化，研究震前電離層異常短臨特性，為川滇區(qū)域臨震電離層異常監(jiān)測(cè)提供可靠的震例依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源

本文數(shù)據(jù)來(lái)源為四川及周邊區(qū)域GPS數(shù)據(jù)。利用四川及周邊區(qū)域20多個(gè)基準(zhǔn)站相同時(shí)間段的GPS數(shù)據(jù)，選擇球諧函數(shù)作為電離層VTEC擬合模型，獲取四川及周邊區(qū)域VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)(分辨率1°×1°)，分析地震發(fā)生前震中區(qū)域、四川及周邊區(qū)域上空電離層的異常分布。針對(duì)2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨溝MS7.0地震分別選取2008年4月16日至5月30日共計(jì)45天數(shù)據(jù)和2017年7月17日至8月30日共計(jì)45天數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解算和異常分析。

2 異常提取方法

2.1 電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)解算

電離層VTEC模型利用GPS雙頻接收機(jī)兩個(gè)頻率載波相位觀測(cè)值及其加載的偽距碼觀測(cè)值，通過(guò)載波相位平滑偽距觀測(cè)量形成電離層殘差組合(Dach et al., 2015)：

(1)

式中：P4為載波相位平滑偽距，c為光速，f1、f2為衛(wèi)星載波頻率，Δbs為衛(wèi)星系統(tǒng)硬件延遲，Δbr為接收機(jī)硬件延遲，TEC為傾斜路徑總電子含量。采用球諧函數(shù)對(duì)電離層VTEC進(jìn)行建模，其數(shù)學(xué)表達(dá)式(Dach et al., 2015)：

(2)

TEC=VTEC·F(Z)

(3)

(4)

式中：F(Z)是電離層投影函數(shù)，單層模型高度H取350 km，α為0.978，R為6387 km，Z為衛(wèi)星天頂距。

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)，形成最終解算方程(Dach et al., 2015)：

(5)

式中：anm，bnm，Δbs，Δbr為待估計(jì)未知量，采用每2h多項(xiàng)式模型與單日固定值的接收機(jī)硬件延遲和衛(wèi)星硬件延遲共同建立法方程，利用最小二乘法求解，解算出每2h的模型參數(shù)和單日硬件延遲后，便可解算中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)(王澤民等，2016)。選擇球諧函數(shù)作為電離層VTEC擬合模型，算法成熟，因此VTEC解算結(jié)果具有較高可信度。

2.2 VTEC異常檢驗(yàn)方法

本文選用滑動(dòng)四分位距法提取VTEC異常信息，選取前15天相同時(shí)刻的觀測(cè)值求取相應(yīng)的四分位距(IQR)及中位數(shù)(M)，建立上下邊界值M±1.5×IQR，當(dāng)該時(shí)刻的觀測(cè)值超出上或下邊界時(shí)，該觀測(cè)值視為異常。其中，高于上邊界為正異常，低于下邊界為負(fù)異常?；瑒?dòng)四分位距法一般設(shè)定M±1.5×IQR作為觀測(cè)值異常的判斷閾值，約為標(biāo)準(zhǔn)差的2倍，檢測(cè)置信度為95%。

為了從二維空間分布了解汶川、九寨溝地震前后四川及周邊區(qū)域電離層VTEC異常分布，本文分析了VTEC異常的ΔTEC空間分布，其計(jì)算方法如下：

(6)

其中，ΔTEC為VTEC擾動(dòng)異常，L1和L2分別為VTEC背景上下邊界閾值，K為待分析時(shí)刻VTEC值。

3 震例分析

基于上述理論方法，本文選取汶川MS8.0地震和九寨溝MS7.0地震為分析對(duì)象，通過(guò)地震發(fā)生前空間活動(dòng)指數(shù)變化，四川及周邊區(qū)域VTEC異常(ΔTEC)分布，震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)VTEC及ΔTEC變化進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 汶川地震

針對(duì)汶川地震選取2008年5月1～30日空間活動(dòng)性指數(shù)數(shù)據(jù)，分析此次地震過(guò)程中空間天氣活動(dòng)對(duì)電離層的影響。從圖1可以看出，反映太陽(yáng)活動(dòng)影響的指數(shù)F10.7在整個(gè)時(shí)段內(nèi)變化幅度較小，穩(wěn)定在60～80 sfu之間，表明該時(shí)段太陽(yáng)輻射影響相對(duì)較小。根據(jù)地磁活動(dòng)指數(shù)KP和Dst指數(shù)變化可知，2008年5月地磁活動(dòng)總體平穩(wěn)，其中5月2日KP指數(shù)超過(guò)閾值，5月21日Dst指數(shù)接近-30 nT,地磁擾動(dòng)較大，其余時(shí)間段KP和Dst指數(shù)變化較小，地磁活動(dòng)較為平靜。

圖1 2008年5月1日至5月30日F10.7、KP、Dst指數(shù)變化

圖2為2008年5月9日UT10:00(北京時(shí)間18:00)四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布，其中五角星為汶川地震震中?？梢钥闯?，5月9日UT10:00震中區(qū)域附近出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng)，地震—電離層異常耦合的局部性、集中性和顯著性特征顯著，參考5月9日空間活動(dòng)性指數(shù)數(shù)據(jù)，可以排除太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴對(duì)電離層異常擾動(dòng)的影響，表明地震前3天，震中區(qū)域附近出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng)，其短臨特征明顯。

圖2 2008年5月9日UT10:00四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布

對(duì)比分析2008年5月震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)(31°N，103.5°E)VTEC及ΔTEC變化(見(jiàn)圖3)，可以看出5月9日、5月21日ΔTEC變化比較明顯。查看空間活動(dòng)性指數(shù)，5月21日地磁擾動(dòng)較大，ΔTEC變化受空間天氣影響。然而5月9日，ΔTEC最大值約為5.8 TECu，當(dāng)天地磁活動(dòng)較為平靜，太陽(yáng)輻射通量無(wú)異常，同時(shí)在汶川地震發(fā)生前后，該異常區(qū)域并未發(fā)生其它重大地震事件，結(jié)合2008年5月9日四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布情況，認(rèn)為該電離層異常擾動(dòng)與汶川地震有相關(guān)性。

圖3 2008年5月震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)(31°N,103.5°E)VTEC及ΔTEC變化

圖4 2017年8月1～30日F10.7、KP、Dst指數(shù)變化

3.2 九寨溝地震

選取2017年8月1日至8月30日空間活動(dòng)性指數(shù)數(shù)據(jù)，分析九寨溝地震過(guò)程中空間天氣活動(dòng)對(duì)電離層的影響。從圖4可以看出，F(xiàn)10.7指數(shù)在該時(shí)段內(nèi)穩(wěn)定在70～90 sfu之間，表明該時(shí)段太陽(yáng)輻射影響較小。根據(jù)地磁活動(dòng)指數(shù)KP和Dst指數(shù)變化，2017年8月地磁活動(dòng)比較活躍，其中8月4日至8月6日、8月17日至8月24日KP指數(shù)超過(guò)閾值，出現(xiàn)磁暴現(xiàn)象，說(shuō)明該時(shí)段地磁擾動(dòng)較大。其余時(shí)間段，KP和Dst指數(shù)變化較小，地磁活動(dòng)較為平靜。

圖5為2017年8月8日UT07:00(北京時(shí)間15:00)四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布，其中五角星為九寨溝地震震中?？梢钥闯?，8月8日UT07:00震中區(qū)域附近出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng)，參考8月8日空間活動(dòng)性指數(shù)數(shù)據(jù)，可以排除太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴對(duì)電離層異常擾動(dòng)的影響，表明地震前5～7小時(shí)，震中區(qū)域附近出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng)，其短臨特征明顯。

對(duì)比分析2017年8月震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC變化(如圖6)，可以看出8月4日、8月8日、8月22日和8月23日ΔTEC變化比較明顯。查看空間活動(dòng)性指數(shù)數(shù)據(jù)，8月4日、8月22日和8月23日地磁擾動(dòng)較大，ΔTEC變化受空間天氣影響。然而8月8日ΔTEC最大值約為5.2 TECu，當(dāng)天地磁活動(dòng)較為平靜，太陽(yáng)輻射通量無(wú)異常，同時(shí)在九寨溝地震發(fā)生前后，該異常區(qū)域并未發(fā)生其它重大地震事件，結(jié)合2017年8月8日四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布情況，認(rèn)為該電離層異常擾動(dòng)與九寨溝地震具有相關(guān)性。

圖5 2017年8月8日UT07:00四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布

圖6 2017年8月震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC變化

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2008年汶川MS8.0地震、2017年九寨溝MS7.0地震前后四川及周邊區(qū)域ΔTEC分布及震中臨近格網(wǎng)點(diǎn)VTEC時(shí)序變化分析，可得出如下結(jié)論：(1)2008年汶川地震發(fā)生前三天(5月9日)，2017年九寨溝地震發(fā)生前5～7小時(shí)，四川及周邊區(qū)域上空均出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng)，地震—電離層異常耦合的局部性、集中性和顯著性特征明顯?？紤]VTEC異常時(shí)空變化與兩次地震事件的關(guān)聯(lián)性，排除太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴等空間天氣活動(dòng)對(duì)電離層異常擾動(dòng)的影響，本文認(rèn)為震前電離層異常擾動(dòng)與兩次地震事件均有相關(guān)性。(2)利用區(qū)域GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取四川及周邊區(qū)域電離層VTEC異常分布，可有效區(qū)分震前電離層異常擾動(dòng)，通過(guò)聯(lián)合其它電離層前兆異常信息(如電子溫度、電場(chǎng)強(qiáng)度、高度分布等特征參量)，深入研究震前電離層異常短臨特性，有望為短臨地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供高時(shí)效性的科學(xué)依據(jù)。