電離層斜測數(shù)據(jù)集

婁文宇 杜曉輝 劉 靜 張學(xué)民

（中國北京 100036 中國地震局地震預(yù)測研究所）

0 引言

2008 年汶川MS8.0 地震后（張學(xué)民等，2009），在中國地震局和國家國防科技工業(yè)局共同支持下，中國地震局地震預(yù)測研究所與中國電子科技集團第22 研究所，在華北地震重點監(jiān)視區(qū)，共同實施建設(shè)覆蓋華北主要地震構(gòu)造帶的華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)（Wang et al，2013；Liu et al，2016）。利用電離層對地基發(fā)射信號的反射特性，在國家電波環(huán)境觀測網(wǎng)原有5 個稀疏垂測發(fā)射站（北京、新鄉(xiāng)、長春、青島和蘇州）基礎(chǔ)上，在華北地區(qū)新建20 個斜測接收站，構(gòu)成近100 條發(fā)射—接收鏈路（張學(xué)民等，2016）。在每一條鏈路的中點，每半小時生成1 個數(shù)據(jù)點，形成我國首個高分辨率電離層測高觀測網(wǎng)絡(luò)，空間分辨率可達100 km，達到以經(jīng)濟的手段取得電離層加密監(jiān)測的效果?；诖司W(wǎng)絡(luò)，由接收臺站獲取電離層斜測數(shù)據(jù)，匯聚到北京數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫。通過人工判讀，生成可應(yīng)用的電離層斜測觀測數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)集通過數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)，為地震系統(tǒng)內(nèi)部各省地震局和研究所進行地震監(jiān)測預(yù)測研究以及系統(tǒng)外部科研機構(gòu)和院校電離層觀測研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理過程

華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)由5 個垂測發(fā)射站（北京、新鄉(xiāng)、長春、青島和蘇州）和20個斜測接收站（大同、太原、石家莊、承德、陡河、文安、邯鄲、天津、蒙城、濱州、聊城、菏澤、濟寧、榆林、涇陽、沈陽、錦州、大連、呼和浩特和赤峰）組成，站點分布見圖1。

圖1 華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)站點分布Fig.1 The distribution map of China Seismo-ionosphericGround-based Monitoring Network in North China

1.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

電離層斜測數(shù)據(jù)是以中國地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。由電離層垂測發(fā)射站發(fā)射高頻掃頻電磁波（頻率在2 MHz—30 MHz），經(jīng)電離層反射，小于某一頻率的信號被電離層臺站的斜測儀接收，從而獲取F2層臨界頻率。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析，可獲得華北區(qū)域電離層F2層臨界頻率時序變化曲線和最大電子密度空間分布圖。電離層斜測數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)簡介見表1。

表1 電離層斜測數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)簡表Table 1 Metadata summary of the oblique ionospheric sounding data set

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

電離層斜測數(shù)據(jù)處理過程如下：①數(shù)據(jù)收集：臺站的觀測數(shù)據(jù)通過地震系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)網(wǎng)實時匯聚到北京數(shù)據(jù)中心，并存儲到Oracle 數(shù)據(jù)庫；②人工判讀：應(yīng)用數(shù)據(jù)人工判讀軟件，調(diào)取Oracle 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，進行人工判讀，再次入庫；③數(shù)據(jù)時序分析：以時間為橫坐標，F(xiàn)2層臨界頻率為縱坐標，對電離層斜測數(shù)據(jù)進行時間序列的分析；④最大電子密度空間分布圖生成：忽略碰撞和地磁場的影響，應(yīng)用A-H 公式（熊年祿等，1999），解算出最大電子密度，繪制其空間分布圖；⑤元數(shù)據(jù)編寫：編寫并提交元數(shù)據(jù)，最終形成電離層斜測數(shù)據(jù)集。

電離層斜測數(shù)據(jù)集工作流程見圖2。

圖2 電離層斜測數(shù)據(jù)集工作流程Fig.2 The workflow of the oblique ionospheric sounding data set

2 數(shù)據(jù)內(nèi)容描述

電離層斜測數(shù)據(jù)主要包括F2層臨界頻率數(shù)據(jù)和最大電子密度空間分布圖，它們的具體內(nèi)容描述如下。

（1）F2層臨界頻率數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)格式：文本文件；數(shù)據(jù)命名：發(fā)射站-接收站+起始年月日_結(jié)束年月日.CSV；數(shù)據(jù)單位：MHz。

（2）最大電子密度空間分布圖：數(shù)據(jù)格式：JPEG；數(shù)據(jù)命名：年月日時分.JPEG；數(shù)據(jù)單位：1012/cm3。

3 數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用前景

電離層斜測數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)庫后，由自動判讀軟件完成數(shù)據(jù)初步處理。受電離層數(shù)據(jù)特性和季節(jié)等因素的影響，電離層斜測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生突跳現(xiàn)象，后期將通過人工判讀進行數(shù)據(jù)校正。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，需專人完成數(shù)據(jù)判讀工作。

（1）電離層斜測數(shù)據(jù)共享服務(wù)。電離層斜測數(shù)據(jù)經(jīng)由中國地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)網(wǎng)站（http://www.sign.ac.cn）提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。用戶可以瀏覽網(wǎng)頁，選定數(shù)據(jù)鏈路和起止日期，查詢F2層臨界頻率的時序曲線變化圖，并可提交數(shù)據(jù)下載申請，獲取權(quán)限后即可下載F2層臨界頻率數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)應(yīng)用前景。電離層斜測數(shù)據(jù)集中的觀測數(shù)據(jù)是電離層F2層的臨界頻率，可用于反演電離層的最大電子密度，進而反映地球上空電離層的變化，對于研究太陽活動對地球的影響以及地磁暴發(fā)生后電離層的響應(yīng)均具有重要意義。因此，電離層斜測數(shù)據(jù)集不僅可應(yīng)用于地震前兆觀測研究，也能夠應(yīng)用于空間物理等相關(guān)研究領(lǐng)域，目前已為地震系統(tǒng)各省地震局和研究所的地震監(jiān)測預(yù)測研究，以及系統(tǒng)外科研機構(gòu)和院校電離層的觀測研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為科研項目開展及文獻著錄提供了數(shù)據(jù)支撐，今后將會有更加廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

電離層斜測數(shù)據(jù)集依托華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)建立，是以電離層測高觀測數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)集。

華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)是中國第一個高密度電離層測高觀測網(wǎng)絡(luò)，空間分辨率可達100 km。該網(wǎng)絡(luò)是在2008 年汶川MS8.0 地震后，在國防科技工業(yè)電波環(huán)境觀測站網(wǎng)原有稀疏發(fā)射站網(wǎng)基礎(chǔ)上，基于地震重點監(jiān)測區(qū)帶分布和區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋能力的雙重需要而建設(shè)的，形成了集數(shù)據(jù)觀測、采集、匯聚、處理、質(zhì)量保證、數(shù)據(jù)共享服務(wù)等的完備工作流程體系?；诖司W(wǎng)絡(luò)建成的電離層斜測數(shù)據(jù)集，提供F2層臨界頻率數(shù)據(jù)和最大電子密度空間分布圖，在滿足國家地震系統(tǒng)內(nèi)部各省地震局和研究所進行地震監(jiān)測預(yù)測研究工作要求的基礎(chǔ)上，為系統(tǒng)外科研機構(gòu)和院校電離層觀測研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有一定社會價值。

電離層斜測數(shù)據(jù)集具有信息量大、空間分辨率高、數(shù)據(jù)庫功能齊全、時效性強等特點。但數(shù)據(jù)區(qū)域目前僅覆蓋華北地區(qū)，對于開展全國區(qū)域上空電離層的研究，存在一定局限性。而且，數(shù)據(jù)自動判讀軟件的數(shù)據(jù)判讀準確率有待提高，以減少人工判讀的工作量，提高工作的自動化程度。隨著此項工作的推進，電離層斜測數(shù)據(jù)集將更加完善。

“電離層斜測數(shù)據(jù)集”是在中國地震局領(lǐng)導(dǎo)下，中國地震局地震預(yù)測研究所牽頭，與中國電子科技集團第22 研究所合作，在天津市、河北省、山東省、山西省、陜西省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、安徽省等地震局及下屬20 個地震臺站協(xié)作下，共同建設(shè)的成果，在此對以上單位及相關(guān)工作人員表示衷心的感謝。