中國(guó)中東部地區(qū)地震電離層低頻電場(chǎng)擾動(dòng)頻段及背景時(shí)段選取分析

王亞璐，張學(xué)民，歐陽(yáng)新艷，王曉，婁文宇，杜曉輝，董磊

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036 2 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

1965年，Davies和Baker(1965)利用Alouette衛(wèi)星數(shù)據(jù)在美國(guó)阿拉斯加8.5級(jí)地震前提取到電離層異常，自此拉開了地震電離層擾動(dòng)研究的序幕.之后，俄羅斯、美國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)相繼發(fā)射衛(wèi)星，開展基于衛(wèi)星觀測(cè)的地震電磁擾動(dòng)研究，幾十年的觀測(cè)與研究結(jié)果表明，地震前電離層存在較寬頻段范圍的電磁擾動(dòng)，擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間在震前幾小時(shí)到幾天不等(Parrot and Mogilevsky，1989;Parrot，1994；Serebryakova et al.，1992；Molchanov et al.，2006；Němec et al.，2008，2009；張學(xué)民等，2009a；張蓓等，2010；澤仁志瑪?shù)龋?012).在已開展的研究中，學(xué)者們根據(jù)各自的需求利用不同的方法進(jìn)行電離層背景電磁場(chǎng)的定義和電磁擾動(dòng)的提取，如Němec等(2008，2009)和Pí?a等(2012，2013)將DEMETER(Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions)衛(wèi)星記錄到的電場(chǎng)功率譜劃分至一個(gè)六維網(wǎng)格矩陣中，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)電場(chǎng)功率譜的概率密度并將其作為背景場(chǎng)，將地震時(shí)該網(wǎng)格觀測(cè)數(shù)據(jù)的累積概率定義為擾動(dòng)幅度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)震前0～4 h內(nèi)1.7 kHz±200 Hz的電場(chǎng)功率譜會(huì)降低3倍標(biāo)準(zhǔn)差；張學(xué)民等(2009b)在分析汶川地震前VLF頻段(19.53 Hz～20 kHz)電場(chǎng)變化情況時(shí)采用震前1個(gè)月即2008年4月份的數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)，將地震時(shí)觀測(cè)的功率譜數(shù)據(jù)偏離背景值的倍數(shù)作為擾動(dòng)幅度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)震前1周VLF頻段電場(chǎng)呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)現(xiàn)象；澤仁志瑪?shù)?2012)將5年同期地震前2個(gè)月到1個(gè)月的衛(wèi)星磁場(chǎng)功率譜數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)，利用背景場(chǎng)均值和均方差，定義地震時(shí)段擾動(dòng)幅度指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)77%的地震在震前30天內(nèi)磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)擾動(dòng)幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差.

雖然關(guān)于地震前后電離層電磁擾動(dòng)的震例研究越來(lái)越多，但背景電磁場(chǎng)的定義和電磁擾動(dòng)的提取嚴(yán)重依賴于研究者特定的目的和需求.上述研究成果中，學(xué)者們對(duì)頻段和背景場(chǎng)時(shí)段的選取各有不同，即使同一學(xué)者，在不同震例研究中所關(guān)注的頻段也不盡相同.這一方面反映了地震前后電離層電磁擾動(dòng)的復(fù)雜性，另一方面說(shuō)明對(duì)電離層背景電磁場(chǎng)特征缺乏普適性認(rèn)識(shí)，因此，需要基于大量數(shù)據(jù)開展研究以豐富對(duì)其的認(rèn)知.

地震衛(wèi)星所處的軌道空間，既可以探測(cè)到來(lái)自空間的電磁波動(dòng)(電磁離子回旋波、哨聲波、嘶聲、合聲和地磁脈動(dòng)等)信號(hào)，也可以探測(cè)到來(lái)自地面的電磁信號(hào)(人工VLF電磁波、電力線諧頻電磁波等)(曹晉濱等，2009a).為了從來(lái)源眾多的電磁信號(hào)中識(shí)別出地震異常信息，首先需要開展背景電磁場(chǎng)特征研究.關(guān)于電離層背景電磁場(chǎng)特征，已有相關(guān)研究成果發(fā)表，如路立等(2011)基于法國(guó)DEMETER衛(wèi)星2007年觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了VLF頻段磁場(chǎng)的全球分布情況，指出地磁寧?kù)o期間VLF頻段磁場(chǎng)隨頻率的升高而降低，隨緯度的升高而增強(qiáng)；姚麗等(2011)基于DEMETER衛(wèi)星3年的電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了VLF頻段電場(chǎng)全球分布和季節(jié)變化情況，指出不同年份、相同季節(jié)的電場(chǎng)功率譜全球分布特征及功率譜強(qiáng)度有較高相似度；楊牧萍等(2018)基于電場(chǎng)功率譜密度均值和均方差對(duì)東北亞地區(qū)不同頻段電場(chǎng)功率譜的年變、季節(jié)變化和日夜變化特征進(jìn)行了分析；楊靜等(2021)對(duì)汶川地區(qū)夏季電離層VLF頻段背景電場(chǎng)進(jìn)行了分析，指出該區(qū)域夏季日夜側(cè)電場(chǎng)沒有明顯的年變化和月變化.

以上研究成果的關(guān)注焦點(diǎn)是背景電場(chǎng)/磁場(chǎng)的全球分布特征或者某一區(qū)域較寬頻段尤其是VLF頻段(>3 kHz)電場(chǎng)/磁場(chǎng)的季節(jié)和年變特征，只考慮了地磁活動(dòng)的影響，沒有排除地震可能產(chǎn)生的電離層擾動(dòng).本文針對(duì)中國(guó)地震活動(dòng)相對(duì)平靜的中東部地區(qū)，同時(shí)排除地磁活動(dòng)和地震的影響，利用DEMETER衛(wèi)星長(zhǎng)達(dá)6年的電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)電離層背景低頻電場(chǎng)的特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)電離層低頻電場(chǎng)擾動(dòng)提取時(shí)背景電場(chǎng)的頻段和時(shí)段選取開展研究.本文第1節(jié)介紹了所使用的數(shù)據(jù)和處理方法，低頻背景電場(chǎng)的頻率特征和頻段選取分析詳見第2節(jié)，低頻背景電場(chǎng)的時(shí)間演化特征和時(shí)段選取分析詳見第3節(jié)，第4節(jié)是討論及結(jié)論.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

DEMETER衛(wèi)星是一顆圓軌道極軌衛(wèi)星，從2004年6月服役至2010年11月，在660～710 km軌道高度內(nèi)積累了6年之久的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為地震電離層擾動(dòng)研究提供了寶貴的資料.由于DEMTER衛(wèi)星磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中有較多干擾，本文只使用DEMETER衛(wèi)星電場(chǎng)儀(ICE)觀測(cè)的電場(chǎng)數(shù)據(jù)開展研究.電場(chǎng)儀VLF頻段(19.53 Hz～20 kHz)頻率分辨率為19.53 Hz，時(shí)間分別率為2 s(Berthelier et al.,2006).曹晉濱等(2009b)指出，衛(wèi)星本體電磁輻射主要集中在190 Hz以下，在此研究指導(dǎo)下，中國(guó)首顆專門用于地震電離層擾動(dòng)研究的張衡一號(hào)衛(wèi)星(China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES)感應(yīng)式磁力儀(SCM)ELF頻段的范圍為200～2200 Hz(Wang et al.,2018).為對(duì)標(biāo)分析張衡一號(hào)衛(wèi)星ELF頻段(6 Hz～2.2 kHz)電磁擾動(dòng)現(xiàn)象(Shen et al.,2018)，本文將所研究的頻段范圍設(shè)定為200～2200 Hz.DEMETER衛(wèi)星每天可記錄14條軌道數(shù)據(jù)，每條軌道包括升軌(夜側(cè))數(shù)據(jù)和降軌(日側(cè))數(shù)據(jù)，記錄時(shí)長(zhǎng)均約30 min，對(duì)應(yīng)的地方時(shí)分別為22∶30和10∶30.一天之中，相鄰的兩條軌道的經(jīng)度間隔約為25°.DEMETER衛(wèi)星軌道覆蓋的重訪周期為16天，在一個(gè)重訪周期內(nèi)，兩條相鄰軌道的經(jīng)度間隔約1.7°.DEMETER衛(wèi)星有巡查和詳查兩種觀測(cè)模式，詳查模式只在全球活動(dòng)地震帶開啟，可獲得時(shí)域波形數(shù)據(jù)和功率譜數(shù)據(jù)，而巡查模式下，VLF頻段只記錄了一個(gè)方向的電場(chǎng)，標(biāo)簽為E12，代表東西向的電場(chǎng).本文使用的是巡查模式下DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的VLF頻段電場(chǎng)功率譜數(shù)據(jù).

本研究收集了DEMETER衛(wèi)星2004年11月—2010年11月共73個(gè)自然月的電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，期間中國(guó)及其周邊鄰區(qū)(4°N—54°N，73°E—135°E)發(fā)生508次5級(jí)以上地震，中國(guó)5級(jí)以上地震主要分布在中國(guó)西北(新疆，青海)和西南(西藏，云南，四川)等地區(qū)，中東部地區(qū)地震較為平靜，可認(rèn)為該區(qū)域上空的電離層受地震影響較小.為更好地研究非震期間電離層背景電場(chǎng)的時(shí)頻特征，本文選擇中國(guó)中東部地區(qū)作為研究區(qū)域，經(jīng)緯度范圍為29°N—39°N，107°E—117°E.在研究區(qū)域內(nèi)2004年11月—2010年11月共發(fā)生了兩次5級(jí)以上地震，分別是2005年11月26日江西省九江市的5.7級(jí)地震和2006年7月4日河北省文安市的5.1級(jí)地震，為排除地震可能產(chǎn)生的電離層電磁擾動(dòng)影響，在后文的分析中剔除了這兩次地震前后15天的數(shù)據(jù).

前人研究表明，電離層中來(lái)自空間的低頻電磁波動(dòng)受地磁活動(dòng)影響較大，磁暴期間增幅可達(dá)8倍，一般性地磁擾動(dòng)期間，功率譜的最大增幅也有3～4倍(路立等，2011).因此為了更有效地提取地震引起的擾動(dòng)信息，需要將空間地磁擾動(dòng)(Kp≥3或Dst≤-30 nT)帶來(lái)的影響進(jìn)行剔除.2004—2010年在非震和地磁活動(dòng)平靜期經(jīng)過(guò)研究區(qū)域的軌道數(shù)共有1527條，其中夜側(cè)(升軌)數(shù)據(jù)792軌，日側(cè)(降軌)數(shù)據(jù)735軌(詳見表1).

表1 非震和地磁活動(dòng)平靜期經(jīng)過(guò)研究區(qū)域的軌道數(shù)Table 1 The orbits passing through the study area during periods of non-seismic and quiet geomagnetic activity

由于一天之中，DEMETER衛(wèi)星兩條相鄰軌道的經(jīng)度間隔約25°，本文的研究區(qū)域(經(jīng)度范圍為10°)，需要2～3天才有1條軌道落入研究區(qū)域內(nèi)，為了保證有足夠多的數(shù)據(jù)樣本來(lái)開展背景電場(chǎng)的時(shí)頻特征研究，本文將研究區(qū)域作為整體，不再進(jìn)一步劃分小網(wǎng)格.建立一個(gè)三維元胞數(shù)組，第一維度是日/夜側(cè)，長(zhǎng)度為2，第二維度是天數(shù)，長(zhǎng)度為365×7，第三維度是頻率，長(zhǎng)度為102(由DEMETER衛(wèi)星的頻率分辨率和本文研究的頻段范圍所決定)，將電場(chǎng)數(shù)據(jù)分散至每個(gè)元胞數(shù)組，計(jì)算每個(gè)元胞單元中電場(chǎng)功率譜的均值和均方差，分析其隨頻率的變化特征，及年變和季節(jié)變化特征(沒有記錄到數(shù)據(jù)的日期，將對(duì)應(yīng)的元胞單元數(shù)據(jù)記為nan)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究地震電離層電場(chǎng)擾動(dòng)提取時(shí)的時(shí)頻段選取問(wèn)題.

2 地震電離層低頻電場(chǎng)擾動(dòng)頻段選取分析

2.1 電場(chǎng)功率譜隨頻率的變化特征

DEMETER衛(wèi)星VLF頻段電場(chǎng)的頻率范圍為19.53 Hz～20 kHz，為了更有針對(duì)性地提取電離層電場(chǎng)擾動(dòng)，分析了200～2200 Hz范圍內(nèi)的背景電場(chǎng)功率譜隨頻率的變化特征，圖1給出了2008年8月電場(chǎng)功率譜隨頻率的變化曲線，其他月份的頻率曲線變化形態(tài)與此相近.

圖1 2008年8月DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的電場(chǎng)月均功率譜隨頻率的變化曲線橫軸為頻率，縱軸為電場(chǎng)功率譜，虛線代表日側(cè)結(jié)果，實(shí)線代表夜側(cè)結(jié)果，實(shí)線上的3個(gè)五角星指示電場(chǎng)功率譜極小值.Fig.1 The variation curve of the monthly mean electric power spectrum via frequency observed by DEMETER in August 2008The horizontal axis is the frequency,and the vertical axis is the electric field power spectrum.The dashed line represents the day side result,and the solid line represents the night side result.The three stars on the solid line represent the minimum point.

夜側(cè)電場(chǎng)功率譜曲線(圖1實(shí)線)存在3個(gè)功率譜極小值(如圖1中的3個(gè)五角星)，分別記為極值點(diǎn)1、極值點(diǎn)2和極值點(diǎn)3，其中極值點(diǎn)1和極值點(diǎn)3對(duì)應(yīng)電場(chǎng)功率譜下降幅度較小，而極值點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)功率譜下降幅度接近1個(gè)數(shù)量級(jí)，2004—2010年共計(jì)73個(gè)自然月內(nèi)這3個(gè)極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率(后文稱為特征頻點(diǎn))統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖2c—e，特征頻點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的頻率約為300 Hz，特征頻點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的頻率約為600 Hz，特征頻點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的頻率約為1600 Hz，下文對(duì)這3個(gè)特征頻點(diǎn)代表的電離層現(xiàn)象進(jìn)行說(shuō)明.

圖3為2008年8月份經(jīng)過(guò)研究區(qū)域的1條升軌(夜側(cè))數(shù)據(jù)，圖3a為衛(wèi)星的飛行軌跡，圖3b為該軌道的電場(chǎng)功率譜圖，圖3b中的黑色曲線是根據(jù)理論公式計(jì)算的質(zhì)子回旋頻率，黑色曲線上的紅色線段對(duì)應(yīng)本文的研究區(qū)域.質(zhì)子回旋頻率與地磁場(chǎng)和質(zhì)子的荷質(zhì)比成正比，地磁場(chǎng)采用IGRF模型計(jì)算得到，質(zhì)子回旋頻率與地磁場(chǎng)呈現(xiàn)相同的緯度變化特征，即磁赤道的質(zhì)子回旋頻率最小，隨著緯度的增加，質(zhì)子回旋頻率相應(yīng)增加.圖3b中紅色線段下方有一個(gè)窄帶的電場(chǎng)功率譜增強(qiáng)帶，上邊緣頻率對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)2，約為600 Hz，下邊緣頻率對(duì)應(yīng)特征頻點(diǎn)1，約為300 Hz.該窄帶電場(chǎng)功率譜增強(qiáng)現(xiàn)象與離子回旋作用密切相關(guān)，由于電場(chǎng)頻率與質(zhì)子回旋頻率十分相近，本文稱之為質(zhì)子回旋增強(qiáng)現(xiàn)象.

圖3 2008年8月份某條經(jīng)過(guò)研究區(qū)域的電場(chǎng)功率譜圖(a)衛(wèi)星飛行軌跡；(b)電場(chǎng)功率譜時(shí)頻圖.Fig.3 The electric field power spectrum map of one orbit flying through the study area in August 2008(a)The orbit trace；(b)The electric field power spectrum map.

與夜側(cè)電場(chǎng)功率譜變化曲線(圖1實(shí)線)相比，日側(cè)電場(chǎng)功率譜曲線(圖1虛線)同樣存在質(zhì)子回旋增強(qiáng)現(xiàn)象，但統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2a、b)顯示兩個(gè)特征頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率比日側(cè)高幾十Hz，這是由于地磁活動(dòng)平靜期衛(wèi)星高度處的日側(cè)地磁場(chǎng)略大于夜側(cè)，從而導(dǎo)致日側(cè)質(zhì)子回旋頻率略高于夜側(cè).值得注意的是，日側(cè)在1700 Hz附近不存在極小值，這可能因?yàn)槿諅?cè)電離層受磁層電磁耦合作用更明顯，從而掩蓋了地-電離層波導(dǎo)截止頻率處電場(chǎng)強(qiáng)度下降的現(xiàn)象.

質(zhì)子回旋增強(qiáng)和地-電離層波導(dǎo)截止頻率現(xiàn)象是電離層中天然存在的現(xiàn)象，電場(chǎng)幅度和其他頻段相差較大，因此在做地震電離層擾動(dòng)分析時(shí)有必要將其和其他頻段分開討論.根據(jù)圖2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，夜側(cè)電場(chǎng)的3個(gè)特征頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率范圍分別為NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)和NFreq3(1523～1679 Hz).這3個(gè)特征頻點(diǎn)將200～2200 Hz分為3個(gè)較寬的頻段，分別記為NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz).日側(cè)電場(chǎng)的2個(gè)特征頻點(diǎn)的范圍分別為DFreq1(215～330 Hz)和DFreq2(703～742 Hz)，將200～2200 Hz劃分為DBand1(330～703 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)兩個(gè)頻段.

圖2 日側(cè)和夜側(cè)電場(chǎng)功率譜極小值對(duì)應(yīng)的頻率直方圖(a)日側(cè)電場(chǎng)功率譜特征頻點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的頻率直方圖，中值為273 Hz；(b)日側(cè)電場(chǎng)功率譜特征頻點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的頻率直方圖，中值為722 Hz；(c)夜側(cè)電場(chǎng)功率譜特征頻點(diǎn)1對(duì)應(yīng)的頻率直方圖，中值為273 Hz；(d)夜側(cè)電場(chǎng)功率譜特征頻點(diǎn)2對(duì)應(yīng)的頻率直方圖，中值為585 Hz；(e)夜側(cè)電場(chǎng)功率譜特征頻點(diǎn)3對(duì)應(yīng)的頻率直方圖，中值為1621 Hz.Fig.2 The histograms of the frequency corresponding to minimum values of day-side and night-side electric field power spectrum(a)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(b)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 722 Hz;(c)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(d)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 585 Hz;(e)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 3 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 1621 Hz.

2.2 頻段選取分析

在提取地震前后的電離層電場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)，學(xué)者們針對(duì)不同頻段的電場(chǎng)開展分析研究.如Němec等(2008)為避免人工源VLF發(fā)射站的影響，分析了10 kHz以下的電場(chǎng)功率譜，將電場(chǎng)頻率等間隔劃分為16個(gè)頻段(每個(gè)頻段有32個(gè)頻點(diǎn)).楊靜等(2021)將電場(chǎng)頻段劃分為SLF(30～300 Hz)、ULF(330～3300 Hz)、VLF(4～15 kHz)和LF(15～20 kHz)4個(gè)頻段.本節(jié)依據(jù)2.1節(jié)的分析，將200～2200 Hz的夜側(cè)電場(chǎng)分為3個(gè)特征頻點(diǎn)(NFreq1-NFreq3)和3個(gè)頻段(NBand1-NBand3)，下文統(tǒng)稱為6個(gè)頻段.200～2200 Hz日側(cè)電場(chǎng)分為2個(gè)特征頻點(diǎn)(DFreq1-DFreq2)和2個(gè)頻段(DBand1-DBand2).圖4是夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)變曲線，其均值和標(biāo)準(zhǔn)方差結(jié)果見表2，各頻段間的相關(guān)系數(shù)見表3.

從圖4可以看出，高頻端的3個(gè)頻段(NBand2-NBand3)月均值時(shí)變曲線具有很好的相似性，而低頻端的3個(gè)頻段(NFreq1-NFreq2)月均值時(shí)變曲線相似.根據(jù)表3，NFreq3和NBand2頻段及NBand3頻段的相關(guān)性均高于0.9，表明相關(guān)性很好，結(jié)合表2中夜側(cè)電場(chǎng)均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，NFreq3與NBand2頻段和NBand3頻段的均值相近，可以將其合并為一個(gè)頻段進(jìn)行分析.而NBand1與NFreq1和NFreq2的相關(guān)系數(shù)接近0.9，說(shuō)明相關(guān)度較好，但NBand1頻段的均值與NFreq2相差較大，因此可以將NFreq1和NBand1頻段合并分析，NFreq2需單獨(dú)分析.

表2 夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜均值及標(biāo)準(zhǔn)方差Table 2 The mean value and standard variance of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

圖4 夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線Fig.4 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

表3 夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜相關(guān)系數(shù)Table 3 The correlation coefficient of power spectrum between the six frequency bands of the night-side electric field

表4分別為日側(cè)4個(gè)頻段電場(chǎng)功率譜均值和標(biāo)準(zhǔn)方差表，表5為日側(cè)4個(gè)頻段間的相關(guān)系數(shù)表.可以看出，對(duì)于日側(cè)的4個(gè)頻段，只有DFreq2與DBand2頻段的相關(guān)系數(shù)大于0.9，但表4顯示這兩個(gè)頻段的均值相差較大，表明日側(cè)電場(chǎng)各頻段間的相關(guān)性較差，因此各頻段應(yīng)盡量單獨(dú)分析以減小背景數(shù)據(jù)的離散度.

表4 日側(cè)電場(chǎng)4個(gè)頻段功率譜均值及標(biāo)準(zhǔn)方差Table 4 The mean value and standard variance of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

表5 日側(cè)電場(chǎng)不同頻段間的相關(guān)系數(shù)表Table 5 The correlation coefficient of power spectrum between the four frequency bands of the day-side electric field

3 地震電離層低頻電場(chǎng)擾動(dòng)背景時(shí)段選取分析

3.1 電場(chǎng)功率譜的年變和季變特征

夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線如圖4所示，日側(cè)電場(chǎng)4個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線見圖5.可以看出，年尺度變化上，從2005年到2009年，日側(cè)和夜側(cè)電場(chǎng)功率譜呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，在2009年達(dá)到最小值，2010年開始，電場(chǎng)功率譜幅度有所回升.這種變化趨勢(shì)與太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān).

根據(jù)圖4，夜側(cè)電場(chǎng)功率譜有明顯的季節(jié)變化特點(diǎn)，功率譜值通常在每年的7—9月份(夏季)達(dá)到最大.但不同頻段電場(chǎng)的季節(jié)變化特征又有不同.高頻端(NBand2-NBand3，>600 Hz)，夜側(cè)電場(chǎng)功率譜曲線呈現(xiàn)類余弦變換趨勢(shì)(參考2009年)，夏季值最大，冬季次之，分點(diǎn)季電場(chǎng)功率譜最小，其他年份曲線形態(tài)略有改變，但仍保留了這種季變特點(diǎn).而低頻端(NFreq1-NFreq2，<600 Hz)，夜側(cè)電場(chǎng)功率譜呈現(xiàn)類高斯分布趨勢(shì)，即夏季電場(chǎng)值最大，冬季最小，分點(diǎn)季次之.

圖5顯示，日側(cè)電場(chǎng)的季節(jié)變化規(guī)律和夜側(cè)略有不同，DBand1頻段沒有明顯的季節(jié)變化規(guī)律，而高頻端(DFreq2-DBand2)頻段呈現(xiàn)類高斯季節(jié)變化規(guī)律，在夏季取得最大值，冬季取得最小值.只有DFreq1頻段，日夜側(cè)隨時(shí)間變化規(guī)律相似，表明該頻段受地方時(shí)影響較小.

3.2 時(shí)段選取分析

根據(jù)3.1節(jié)的分析，不管是日側(cè)還是夜側(cè)，電場(chǎng)功率譜均值通常在夏季取得最大值，從圖4和圖5可以看出，夏季月份和其他月份的電場(chǎng)功率譜均值有時(shí)可差1個(gè)數(shù)量級(jí)，而同一月份，不同年度的變化相對(duì)較小.正因如此，有的學(xué)者在進(jìn)行地震電離層異常研究時(shí)會(huì)采用往年同期的數(shù)據(jù)作為背景場(chǎng)，但也有學(xué)者采用震前一個(gè)月或幾個(gè)月的數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)，背景取值法的使用更多依賴于學(xué)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，并無(wú)文獻(xiàn)給出兩種背景取值法的效果比較.本節(jié)基于DMETER衛(wèi)星6年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采取同一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這兩種背景取值法的效果和適用條件進(jìn)行分析.由于每個(gè)月的地磁活動(dòng)情況不同，導(dǎo)致本文研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)月的數(shù)據(jù)量也不相同(如夜側(cè)2005年12月研究區(qū)域內(nèi)共52個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，2004年12月共184個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，2006年1月共365個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，從而無(wú)法計(jì)算月與月之間的相關(guān)性，因此，本節(jié)采用數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)兩種背景取值法的效果作出評(píng)價(jià).具體過(guò)程為，針對(duì)2005年后的每個(gè)月份，在當(dāng)前月份的數(shù)據(jù)中分別加入去年該月份的數(shù)據(jù)和該月份前一個(gè)月的數(shù)據(jù)，獲得兩個(gè)新的數(shù)據(jù)集(如針對(duì)2006年2月，分別將2005年2月的數(shù)據(jù)和2006年1月的數(shù)據(jù)與2006年2月的數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，獲得兩個(gè)新的數(shù)據(jù)集)，用新數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)考察背景取值法的效果，顯然，新數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)方差越小，表明加入的背景場(chǎng)數(shù)據(jù)與當(dāng)前數(shù)據(jù)相關(guān)性越高，越適用于做背景場(chǎng).下文中加入往年同月數(shù)據(jù)的方法稱為方法一(Method1)，加入前一個(gè)月數(shù)據(jù)的方法稱為方法二(Method2).

圖5 日側(cè)電場(chǎng)4個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線Fig.5 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

圖6為通過(guò)兩種背景取值法加入背景場(chǎng)數(shù)據(jù)后的夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線，圖中的散點(diǎn)為每個(gè)月的觀測(cè)值.可以看出，這兩種方法得到的功率譜均值量級(jí)相當(dāng)，曲線變化趨勢(shì)相似.日側(cè)月均值時(shí)序曲線呈現(xiàn)相似的變化特點(diǎn)，這里不再給出圖件.

圖6 加入背景場(chǎng)后夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜月均值時(shí)序曲線Fig.6 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field after adding the background field

圖7是夜側(cè)電場(chǎng)6個(gè)頻段功率譜標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖7a1—a6中藍(lán)色和紅色曲線分別為6個(gè)頻段方法一和方法二的標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線，圖7b1—c6分別為6個(gè)頻段兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)方差統(tǒng)計(jì)結(jié)果.根據(jù)圖7b1—c6，對(duì)于夜側(cè)電場(chǎng)，低頻段(Freq1-Band2，≤600 Hz)標(biāo)準(zhǔn)方差集中在0.5附近，高頻段(Freq3-Band3，>600 Hz)標(biāo)準(zhǔn)方差較大，大部分大于0.5.圖7a1—a6中兩條曲線大致重合，6個(gè)頻段方法一占優(yōu)(即方法一的標(biāo)準(zhǔn)方差小于方法二)的月份數(shù)分別為36/72、34/72、35/72、30/72、31/72和34/72，與方法二占優(yōu)的月份數(shù)基本相當(dāng)，兩種方法占優(yōu)的月份有一定的隨機(jī)性，并無(wú)明顯的季節(jié)規(guī)律.但需要注意的是，在方法二占優(yōu)的月份中，方法一雖然比方法二的方差大，但兩者基本接近，但在方法一占優(yōu)的月份中，部分方法二的方差比方法一要大得多，如2009年3月份方法二的方差很大，甚至接近1.

圖7 夜側(cè)電場(chǎng)功率譜標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.7 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at night-side

圖8顯示，日側(cè)結(jié)果與夜側(cè)相似，高頻端標(biāo)準(zhǔn)方差相對(duì)較大，集中在0.5以上，而對(duì)于DFreq1頻段，方差集中在0.5以下.與夜側(cè)相同，2009年3月份方法二的方差比方法一大得多，但綜合日夜側(cè)的結(jié)果，這只是個(gè)別月份存在的現(xiàn)象，不具規(guī)律性.以上結(jié)果顯示，兩種背景取值法的效果相當(dāng)，往年同月數(shù)據(jù)略優(yōu)于當(dāng)月前一個(gè)月數(shù)據(jù).考慮到開展與地震有關(guān)的電離層電磁異常實(shí)時(shí)跟蹤分析的簡(jiǎn)便性和可操作性，可優(yōu)先考慮使用鄰期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)，而在做科學(xué)研究時(shí)，在有大量往年同期數(shù)據(jù)的情況下，可考慮使用往年同期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng).

圖8 日側(cè)電場(chǎng)功率譜標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.8 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at day-side

針對(duì)實(shí)時(shí)跟蹤分析與地震有關(guān)的電離層電磁異常的需求，以下分析鄰期背景場(chǎng)數(shù)據(jù)的最優(yōu)時(shí)長(zhǎng).同樣，采用數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)差法來(lái)衡量不同時(shí)長(zhǎng)的效果，圖9給出了夜側(cè)電場(chǎng)分別加入當(dāng)前月份前1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線，黑色為當(dāng)月數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差曲線，藍(lán)色、紅色和綠色曲線分別為加入前1個(gè)月、前2個(gè)月和前3個(gè)月的數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)方差曲線.可以看出，幾條曲線吻合較一致，表明多加入背景數(shù)據(jù)對(duì)提高數(shù)據(jù)的集中性作用并不明顯，而藍(lán)色曲線與黑色曲線吻合最好，部分月份紅色曲線和綠色曲線高于藍(lán)色曲線，表明背景數(shù)據(jù)量并非越多越好.在空間天氣平靜的情況下，使用當(dāng)前日期前一個(gè)月的數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)更優(yōu).日側(cè)與夜側(cè)結(jié)果相似，這里不再給出圖件和分析.

圖9 不同時(shí)長(zhǎng)的夜側(cè)背景電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)方差時(shí)序曲線Fig.9 Time series curve of the standard variance of the background electric field for different time period

4 討論及結(jié)論

4.1 討論

DEMETER衛(wèi)星和張衡一號(hào)衛(wèi)星飛行的空間是一個(gè)各圈層緊密聯(lián)系的復(fù)雜耦合系統(tǒng)，直接受太陽(yáng)活動(dòng)、行星際擾動(dòng)、內(nèi)磁層、巖石圈和大氣層的影響，產(chǎn)生了各種類型的電磁波動(dòng)現(xiàn)象，在本文研究的頻段(200～2200 Hz)中，主要有ELF頻段的電磁離子回旋波、嘶聲波，ELF/VLF頻段的哨聲波、合聲波等(Parrot et al.,2006;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2013,2014).依據(jù)電磁波動(dòng)的來(lái)源方向，可將電離層ULF/ELF/VLF電磁波動(dòng)分為上行和下行兩種類型(Zhima et al.,2013,2017).

上行電磁波動(dòng)是從巖石圈、大氣層向上傳播的電磁波動(dòng)，主要有閃電(雷暴)等自然電磁輻射和地基甚低頻發(fā)射站發(fā)射的VLF電磁信號(hào)及地面電力線路感應(yīng)的諧頻電磁波.地基甚低頻發(fā)射站發(fā)射的VLF信號(hào)通常在10 kHz以上，超出了本文研究頻段范圍，可不予考慮.電力線諧頻現(xiàn)象(PLHR)，是指衛(wèi)星上觀測(cè)到的由地基工業(yè)電力線系統(tǒng)(50 Hz/60 Hz)激發(fā)的電磁輻射，功率譜上表現(xiàn)為50/100 Hz或60/120 Hz為間隔的平行線，無(wú)明顯的頻散現(xiàn)象.這些諧振電磁波由電力線產(chǎn)生后直接穿透電離層傳播到達(dá)衛(wèi)星高度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在全球大部分區(qū)域可以觀測(cè)到該現(xiàn)象.Wu等(2017)基于DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)中國(guó)區(qū)域上空的PLHR現(xiàn)象開展了統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)果顯示，1～2 kHz的PLHR現(xiàn)象大部分集中于日側(cè)低緯地區(qū)(19°N—23°N)，且其電場(chǎng)功率譜密度的變化范圍為10-2.5～10-1μV2·m-2·Hz-1，該值在本文低頻背景電場(chǎng)變化范圍內(nèi)(表4).某一地區(qū)的電力線諧頻現(xiàn)象一旦產(chǎn)生將長(zhǎng)期存在，其幅度在背景場(chǎng)范圍之內(nèi)，因此可視為背景場(chǎng).嘶聲屬于電離層中的背景擾動(dòng)，閃電(雷暴)是電離層嘶聲波的主要來(lái)源，由于夏季閃電高發(fā)造成夏季電離層電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于其他季節(jié)，圖4也明顯反映出了這一特征.除此外，電離層可能還會(huì)受到中性大氣潮汐波和行星波的影響，已有研究表明(Mo et al.,2017;Mo and Zhang,2018)，平流層增溫期間(SSW)存在于低層大氣中的16日行星尺度波較易向上傳播，直至電離層高度影響赤道電離異常(EIA)結(jié)構(gòu).作者對(duì)DEMETER衛(wèi)星低頻電場(chǎng)數(shù)據(jù)也開展了頻率成分分析，發(fā)現(xiàn)背景數(shù)據(jù)中存在微弱的14日和數(shù)10日的周期成分，但對(duì)應(yīng)月份的電場(chǎng)幅度在一年之中處于中等強(qiáng)度范圍，表明這些周期成分可以作為背景場(chǎng)使用.關(guān)于中性大氣波動(dòng)對(duì)電離層影響的深入研究已超出了本文的研究范圍，這里不再給出討論.

下行電磁波動(dòng)是從等離子體層或內(nèi)磁層向下傳播到頂部電離層的電磁波動(dòng)(Chen et al.,2017;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2017；曹晉濱等，2009a,b)，包括電磁離子回旋波、嘶聲波和合聲波等，這些波動(dòng)在平靜時(shí)期可以被觀測(cè)到，是電離層背景擾動(dòng)，在磁暴和亞暴期間會(huì)顯著增強(qiáng)，因此本文通過(guò)Kp指數(shù)和Dst指數(shù)對(duì)這部分強(qiáng)擾動(dòng)進(jìn)行了限制，刻畫的低頻電場(chǎng)特征更接近于電離層背景特征.下行電磁離子回旋波中的質(zhì)子回旋波頻率約為600 Hz，是本文進(jìn)行頻段劃分的一個(gè)重要依據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖1)，夜側(cè)質(zhì)子回旋增強(qiáng)頻段約為330～566 Hz，日側(cè)質(zhì)子回旋增強(qiáng)頻段約為330～703 Hz，頻段比夜側(cè)略高，這是由于日側(cè)地磁場(chǎng)強(qiáng)度較夜側(cè)略高.由于質(zhì)子回旋波的主要能量來(lái)源與其他頻段不同，所受影響因素也不同，因此需要將其和其他頻段分開討論.

質(zhì)子回旋增強(qiáng)和地-電離層波導(dǎo)截止現(xiàn)象是電離層中存在的自然現(xiàn)象，這兩個(gè)頻段的電場(chǎng)幅值與其他頻段也有較大差別，如果將這些自然現(xiàn)象納入其他頻段的電磁場(chǎng)背景統(tǒng)計(jì)中,會(huì)天然增加數(shù)據(jù)的離散度,從而加大異常提取的難度,在進(jìn)行與地震有關(guān)的電離層電磁擾動(dòng)研究時(shí)，需要分頻段討論.依據(jù)這兩個(gè)現(xiàn)象和日夜側(cè)的頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖2)，將200～2200 Hz頻段的夜側(cè)電場(chǎng)劃分為NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)、NFreq3(1523～1679 Hz)、NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz)共6個(gè)頻段，而日側(cè)電場(chǎng)可以劃分為DFreq1(215～330 Hz)、DBand1(330～703 Hz)、DFreq2(703～742 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)共4個(gè)頻段.由于圖4中NBand2、NFreq3和NBand3頻段月均值時(shí)序曲線具有高度的相似性，頻段間的相關(guān)性分析表明，這3個(gè)頻段相關(guān)系數(shù)確實(shí)很高，且月均值接近，因而在分析地震前后的電離層電場(chǎng)異常時(shí)，可將這3個(gè)頻段合并為一個(gè)寬頻段進(jìn)行研究.雖然圖5中DFreq2和DBand2曲線具有很高的相關(guān)性，但這兩個(gè)頻段的均值相差較大，因此建議分開討論.

前人在分析地震前后的電離層電磁異常時(shí)，一些學(xué)者采用了往年同期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)，一些學(xué)者采用了震前幾個(gè)月數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)，背景的取值方法依賴于研究人員的經(jīng)驗(yàn).本文試圖分析這兩種方法的優(yōu)劣，以期為基于張衡一號(hào)衛(wèi)星開展電離層電磁異常實(shí)時(shí)跟蹤分析提供指導(dǎo).最直觀的方法是分析當(dāng)前月與背景值的相關(guān)系數(shù)，但由于每個(gè)月的地磁活動(dòng)情況不同導(dǎo)致每個(gè)月的數(shù)據(jù)量不同，因此無(wú)法直接求取相關(guān)系數(shù).作者采用在當(dāng)月數(shù)據(jù)中加入背景場(chǎng)后的數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)方差來(lái)間接衡量當(dāng)月數(shù)據(jù)與背景數(shù)據(jù)的相關(guān)性.分析發(fā)現(xiàn)這兩種方法的效果并無(wú)明顯區(qū)別，雖然部分月份(如2009年3月)的數(shù)據(jù)中加入鄰期數(shù)據(jù)后，標(biāo)準(zhǔn)方差會(huì)達(dá)到1，但只是個(gè)別現(xiàn)象，并不能直接否認(rèn)鄰期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)的可能.事實(shí)上，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，用鄰期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)差與往年同月數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差相差并不大.而關(guān)于鄰期數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)時(shí)長(zhǎng)的分析表明，背景數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)并非越長(zhǎng)越好，在背景數(shù)據(jù)量足夠的前提下，優(yōu)先選取與當(dāng)月鄰近的一個(gè)月數(shù)據(jù)最好，使用的時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，背景場(chǎng)受季節(jié)變化的影響越大，從而降低了與當(dāng)月數(shù)據(jù)的相關(guān)度.

為排除地震可能產(chǎn)生的電離層電磁擾動(dòng)，本文選取了中國(guó)中東部地震平靜區(qū)域(29°N—39°N，107°E—117°E)進(jìn)行了電離層背景電場(chǎng)研究，并獲得了一些認(rèn)識(shí).這些結(jié)論是否可以對(duì)中國(guó)其他區(qū)域的電離層電場(chǎng)異常研究提供幫助呢？為回答這個(gè)問(wèn)題，圖10給出了中國(guó)及其周邊鄰區(qū)(3°N—55°N，73°E—137°E)2005年DEMETER衛(wèi)星記錄到的200～2200 Hz電場(chǎng)功率譜均值空間分布及其隨經(jīng)緯度的變化曲線，圖10a—c為日側(cè)結(jié)果，圖10d—f為夜側(cè)結(jié)果.可以看出，無(wú)論是日側(cè)還是夜側(cè)，中國(guó)及其周邊鄰區(qū)上空電場(chǎng)隨經(jīng)緯度的變化并不大，電場(chǎng)功率譜隨經(jīng)度沒有明顯的變化規(guī)律(圖10b、e)，電場(chǎng)功率譜隨緯度的增加先減小再變大，在15°附近取得極小值，但隨著緯度從0°增加到50°，電場(chǎng)功率譜的變化范圍仍小于10-0.5μV2/(m2·Hz)，尤其在中國(guó)區(qū)域(緯度>20°)電場(chǎng)功率譜隨緯度的變化更小，這種空間方向上的變化，遠(yuǎn)小于晝夜側(cè)電場(chǎng)功率譜變化和不同頻段間的電場(chǎng)功率譜差異.因此，本文的研究結(jié)論可以推廣到中國(guó)其他區(qū)域，為其他區(qū)域電離層電場(chǎng)異常研究提供指導(dǎo).

圖10 中國(guó)及其周邊鄰區(qū)DEMETER衛(wèi)星2005年電場(chǎng)功率譜空間分布圖(a)—(c)為日側(cè)結(jié)果，(a)為空間分布圖，橫軸為經(jīng)度，縱軸為緯度，色標(biāo)為200～2200 Hz的電場(chǎng)功率譜均值，(b)為電場(chǎng)功率譜均值隨經(jīng)度的變化曲線，灰色點(diǎn)為2005年12個(gè)月的數(shù)據(jù)散點(diǎn)，紅色曲線為中值及誤差棒，(c)為電場(chǎng)功率譜均值隨緯度的變化曲線，灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)及紅色曲線意義同(b)；(d)—(f)為夜側(cè)結(jié)果，圖(d)橫縱坐標(biāo)及色標(biāo)意義和圖(a)意義，圖(e)同圖(b)，圖(f)同圖(c).Fig.10 Spatial distribution of electric field power spectrum in China and its surrounding areas observed by DEMETER satellite in 2005(a)—(c)are the day side results,(a)is the spatial distribution map,the horizontal axis is longitude,and the vertical axis is latitude,the colorbar is the mean of the electric field power spectrum of 200～2200 Hz,(b)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the longitude,the scatter gray point is the data point of the 12 months in 2005,the red curve is the median and error bar,(c)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the latitude,both the gray points and red curves have the same meaning as (b)；(d)—(f)are the results for night-side,(d)is the same as figure (a),(e)is the same as figure (b),(f)is the same as figure (c).

在本文研究區(qū)域內(nèi)，2005—2010年共發(fā)生了兩次5級(jí)以上地震：2005年11月26日江西九江5.7級(jí)地震(29.7°N，115.7°E)和2006年7月4日河北文安5.1級(jí)地震(38.9°N，116.3°E).根據(jù)Dobrovolsky等(1979)提出的巖石圈孕震區(qū)大小估算公式R=100.43M(R為孕震區(qū)直徑，單位為km，M為地震震級(jí))，江西九江5.7級(jí)地震和河北文安5.1級(jí)地震的孕震范圍分別約為282 km和156 km，在剔除空間擾動(dòng)干擾(Kp>3,Dst<-30)后，江西九江5.7級(jí)地震前后的5個(gè)月(2005年8月1日—2005年12月30日)內(nèi)飛越震中上空區(qū)域(26.7°N—32.7°N，112.7°E—128.7°E)只有13條升軌和14條降軌數(shù)據(jù)，河北文安5.1級(jí)地震前后的5個(gè)月(2006年4月1日—2006年8月31日)內(nèi)飛越震中上空區(qū)域(36.9°N—40.9°N，114.3°E—118.3°E)只有20條升軌和10條降軌數(shù)據(jù).這兩次地震前后可用數(shù)據(jù)量太小，無(wú)法支撐開展震例分析.因此在上文分析的基礎(chǔ)上，本文以2008年5月12日MS8.0汶川地震(31°N，103.4°E)為例進(jìn)行震例分析.

表6 低頻背景電場(chǎng)均方差和相對(duì)擾動(dòng)幅度統(tǒng)計(jì)信息表Table 6 The mean square error of the background electric field and the relative disturbance

圖11 汶川地震不同背景時(shí)長(zhǎng)時(shí)背景電場(chǎng)(253～566 Hz)功率譜均值、均方差和相對(duì)擾動(dòng)結(jié)果(a)震前3個(gè)月電場(chǎng)功率譜均值；(b)震前3個(gè)月電場(chǎng)功率譜均方差；(c)地震時(shí)觀測(cè)值相對(duì)3個(gè)月背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度；(d)震前2個(gè)月電場(chǎng)功率譜均值；(e)震前2個(gè)月電場(chǎng)功率譜均方差；(f)地震時(shí)觀測(cè)值相對(duì)2個(gè)月背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度；(g)震前1個(gè)月電場(chǎng)功率譜均值；(h)震前1個(gè)月電場(chǎng)功率譜均方差；(i)地震時(shí)觀測(cè)值相對(duì)1個(gè)月背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度.Fig.11 The mean value and the mean square error of the background electric field (253～566 Hz)and the relative disturbance results for Wenchuan earthquake with different background duration(a)The mean value of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(b)The mean square error of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(c)The relative perturbation via background data of three months;(d)Same as (a)but for two months before the earthquake;(e)Same as (b)but for two months before the earthquake;(f)Same as (c)but for two months before the earthquake;(g)Same as (a)but for one month before the earthquake;(h)Same as (b)but for one month before the earthquake;(i)Same as (c)but for one month before the earthquake.

4.2 結(jié)論

本文針對(duì)中國(guó)中東部地震平靜區(qū)域(29°N—39°N，107°E—117°E)，篩選出地磁活動(dòng)平靜期(Dst>-30 nT，Kp<3)內(nèi)，DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的73個(gè)自然月共計(jì)1527條軌道的VLF頻段電場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)其時(shí)頻特征進(jìn)行了分析和研究，獲得了以下認(rèn)識(shí)：

(1)在利用夜側(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析與地震有關(guān)的電離層異常時(shí)，可將200～2200 Hz劃分為253～566 Hz、566～605 Hz和605～2200 Hz共3個(gè)頻段，而處理日側(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可劃分為215～330 Hz、330～703 Hz、703～742 Hz和742～2200 Hz共4個(gè)頻段.

(2)高頻端(>600 Hz)的背景數(shù)據(jù)方差較大，在提取電離層異常時(shí)需要設(shè)置較大的閾值，而低頻端(<600 Hz)需要設(shè)置相對(duì)較小的閾值.

(3)采用往年同月數(shù)據(jù)和當(dāng)月前1個(gè)月數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)的效果相當(dāng)，就震情實(shí)時(shí)跟蹤分析需要，可優(yōu)先考慮使用鄰期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng).

(4)使用鄰期數(shù)據(jù)做背景場(chǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)時(shí)段并非越長(zhǎng)越好，在空間天氣平靜的情況下，可使用當(dāng)前日期前1個(gè)月的數(shù)據(jù)做背景場(chǎng).

以上研究結(jié)論可以推廣到中國(guó)其他區(qū)域，為地震頻發(fā)的川滇地區(qū)及新疆地區(qū)上空電離層電場(chǎng)異常的提取和研究提供指導(dǎo).

致謝感謝法國(guó)DEMETER數(shù)據(jù)中心提供的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，感謝中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所的張盛峰博士提供的地震目錄，感謝審稿專家提出的寶貴建議.