張紅波 歐 明 甄衛(wèi)民 吳 健 馮 健 張風(fēng)國(guó)

(1．武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2．中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107)

1. 引 言

大量觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示在地震發(fā)生前后，地震活動(dòng)區(qū)上方的電離層存在異?，F(xiàn)象。目前為止，統(tǒng)計(jì)上證實(shí)的主要電離層前兆特性[1]包括：

1) 地震會(huì)導(dǎo)致等離子體密度變化(相對(duì)于未擾動(dòng)的正常狀態(tài))，形成電離層前兆，震前5天到幾個(gè)小時(shí)可以觀測(cè)到這些前兆。這些等離子體變化(相對(duì)于未擾動(dòng)的正常狀態(tài))可能有正負(fù)符號(hào)。

2) 一般電離層參數(shù)偏移正常值的持續(xù)時(shí)間比較短，約為4～6小時(shí)(相對(duì)于磁暴的影響)。只有大地震時(shí)(比如1964年阿拉斯加“耶穌受難日”大地震前)的電離層參數(shù)偏離正常值持續(xù)時(shí)間可達(dá)12小時(shí)左右。

3) 平均地震電離層參數(shù)變化和電離層逐日變化(±30%)具有同等量級(jí)，但在某一本地時(shí)刻，地震感應(yīng)變化更明顯，高達(dá)100%。

4) 地震-電離層總電子含量(TEC)變化與臨界頻率變化一致。

5) 地震-電離層感應(yīng)對(duì)等離子體垂直分布產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電離層標(biāo)高增加。標(biāo)高變化主要由離子質(zhì)量變化(輕離子濃度增大)或平行粒子流造成，而非等離子體溫度造成。

6) 地震前幾天，在孕震區(qū)上空突發(fā)E層活動(dòng)增多，D層電離增大。

7) 地震電離層影響效應(yīng)可觀測(cè)門限取決于孕震區(qū)大小和震級(jí)；地震-電離層異常變化趨勢(shì)和形狀取決于觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于孕震震中的位置和本地時(shí)，不同經(jīng)緯度的依從關(guān)系可能不同。

8) 在F層最大電子密度高度上，電離層受影響區(qū)域取決于震級(jí)，對(duì)于M>7的大地震，受影響經(jīng)緯度范圍可以高達(dá)40度。

9) 受影響變化最大的電離層區(qū)與孕震震中在電離層中的垂直投影位置不一致。在中高緯地區(qū)會(huì)向赤道方向偏移。在特定環(huán)境下，在磁共軛區(qū)內(nèi)可以觀測(cè)到相應(yīng)的電離層變化。

10) 在低緯和赤道區(qū)，地震-電離層感應(yīng)導(dǎo)致赤道整體結(jié)構(gòu)的異常變化。最經(jīng)常觀測(cè)到的效應(yīng)是赤道雙冠頂向赤道漂移，直到它們整個(gè)消失。

上述電離層前兆需要天地基多種電離層觀測(cè)手段聯(lián)合觀測(cè)才能得到。天基電離層觀測(cè)手段覆蓋空間廣，能夠?qū)崿F(xiàn)全球電離層觀測(cè)，但缺乏時(shí)間上的連續(xù)性；地基電離層觀測(cè)手段可對(duì)特定地區(qū)實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)；兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可滿足電離層觀測(cè)的空間分辨率和時(shí)間分辨率要求[2-4]。其中，天基全球定位系統(tǒng)(GPS)掩星可以獲得全球范圍電離層TEC和電子密度剖面等信息，通過(guò)對(duì)其進(jìn)一步處理，可以得到電離層峰值處標(biāo)高(scale height,Hs)等電離層形態(tài)信息，用于地震前電離層異常分析。

2. 掩星電子密度峰值處標(biāo)高的估計(jì)

在信號(hào)傳播路徑為直線這一假設(shè)下,根據(jù)星載GPS掩星接收機(jī)觀測(cè)到的信號(hào)傳播路徑上的斜路徑總電子含量,利用Abel積分反演技術(shù)即可獲得電離層不同高度上的電子密度[5]。在局部電子密度球?qū)ΨQ假設(shè)下，GPS掩星接收機(jī)觀測(cè)到的信號(hào)傳播路徑上的TEC[6]為

(1)

式中：rGPS和rLEO分別是GPS和低地球軌道(LEO)衛(wèi)星的軌道半徑；r0是掩星點(diǎn)到地心的距離。由于LEO衛(wèi)星軌道高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPS衛(wèi)星軌道高度，可認(rèn)為掩星面和LEO衛(wèi)星軌道面一致以及LEO衛(wèi)星軌道為圓軌道。利用非掩星側(cè)的輔助觀測(cè)數(shù)據(jù)校正TEC,消除LEO衛(wèi)星軌道高度以上的TEC0,得到LEO衛(wèi)星軌道以下的TEC′.

TEC′(r0) =TEC-TEC0

(2)

式(2)的Abel積分逆變換存在近似解析解[7]：

(3)

式中,ΔTEC′(r)=dTEC′(r)/dr.

獲得氣象、電離層和氣候觀測(cè)星座系統(tǒng)(COSMIC)掩星電子密度剖面后，可估計(jì)電離層標(biāo)高Hs.首先采用電離層Chapman-α模型對(duì)掩星電子密度剖面數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的方法是應(yīng)用Chapman-α模型來(lái)擬合峰值高度附近200～600 km的電子密度數(shù)據(jù)，首先，通過(guò)最小二乘擬合過(guò)程得到峰值電子密度NmF2、峰高h(yuǎn)mF2和模型標(biāo)高Hm，隨后計(jì)算擬合值與真值相對(duì)誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差。若標(biāo)準(zhǔn)偏差大于15%，則舍棄該電子密度剖面[8-9]，大多數(shù)COSMIC掩星電子密度剖面符合該條件。

(4)

采用電離層Chapman-α模型擬合電子密度剖面得出的模型標(biāo)高Hm，更接近于頂部電離層的中性大氣標(biāo)高，而不是真實(shí)意義的等離子體標(biāo)高，因此，通過(guò)上述過(guò)程可以完成電子密度剖面產(chǎn)品的質(zhì)量管控。隨后從符合條件的COSMIC電子密度剖面中估計(jì)電離層Hs.

電離層峰值高度處標(biāo)高Hs定義為[10]：頂部電離層電子密度衰減到NmF2的1/e (0.368)時(shí)的高度hsc與電子密度峰值高度hmF2的差，即

Hs =hsc-hmF2

(5)

其與Hm關(guān)系可通過(guò)Chapman-a模型推導(dǎo)獲得，即

Hs=2.947*Hm

(6)

電離層Hs具有清晰的電離層物理意義，該標(biāo)高的變化意味著由峰值電子密度、高度、離子溫度和電子溫度變化引起的電子密度剖面形態(tài)的改變。

3. 東日本大地震前電離層異常分析

2011年3月11日13時(shí)46分(北京時(shí)間)在日本本州島仙臺(tái)港以東太平洋國(guó)際海域發(fā)生里氏9.0級(jí)地震，震中位于北緯38.1度，東經(jīng)142.6度，被稱為“東日本大地震”。

3.1 數(shù)據(jù)獲取及地磁活動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)分析

本文主要利用美國(guó)大氣研究大學(xué)聯(lián)盟(UCAR)的COSMIC數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)中心的掩星數(shù)據(jù)、空間物理交互數(shù)據(jù)資源(Space Physics Interactive Data Resource，SPIDR) 的電離層垂測(cè)儀數(shù)據(jù)以及日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(JSPS)的相對(duì)VTEC擾動(dòng)數(shù)據(jù)，研究分析東日本大地震前的電離層參數(shù)異常變化。

天基電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)選取以地震震中位置為中心，經(jīng)度和緯度跨度為40度的地理范圍內(nèi)，時(shí)間從2011年3月2日至2011年3月13日期間的COSMIC掩星電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)。地基電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)則從SPIDR選取了震中附近的五個(gè)垂測(cè)儀在此期間的f0F2等觀測(cè)數(shù)據(jù)。

查閱國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的地磁Dst指數(shù)、太陽(yáng)10.7 cm射電流量(F10.7)和太陽(yáng)黑子數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，顯示3月2日至3月10日期間地磁活動(dòng)平靜，在10日9:00UT以后至12日，地磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，達(dá)到了小磁暴水平。太陽(yáng)10.7 cm射電流量(F10.7)和太陽(yáng)黑子數(shù)顯示該段時(shí)間太陽(yáng)活動(dòng)處于中等水平,在3月8日存在F10.7小幅增加,但其對(duì)電離層影響是全球性的。

3.2 電離層f0F2分析

鑒于地震電離層異常現(xiàn)象的區(qū)域性特點(diǎn)，選取日本三個(gè)垂測(cè)站(從北向南依次為Kokubunji站(TO536)、Yamagawa站(YG431)和Okinawa站(OK426))和韓國(guó)兩個(gè)垂測(cè)站(I-Cheon站(IC437)和Jeju站(JJ433))的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析東日本大地震前的電離層f0F2異常變化。五個(gè)站與此次震中的大圓距離均小于2000 km，具體位置見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，日本三個(gè)垂測(cè)站均位于環(huán)太平洋地震帶上，而韓國(guó)兩個(gè)站則位于地震帶外。

圖1 五個(gè)地基垂測(cè)儀站位置分布

五個(gè)垂測(cè)站3月1日至3月15日期間的f0F2觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列見(jiàn)圖2。通過(guò)五個(gè)垂測(cè)站f0F2觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以清晰的看出：TO536站和YG431站在3月5日至3月11日期間的f0F2日最大值沒(méi)有明顯變化，但存在較大的異常擾動(dòng)現(xiàn)象，且兩站之間數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的相關(guān)性。而與之相對(duì)應(yīng)的是：韓國(guó)IC437站、JJ433站和日本OK426站同期間的f0F2日最大值存在明顯的逐日變化，8日f(shuō)0F2明顯高于其它時(shí)間。

與f0F2月中值相比，TO536站在8日13點(diǎn)前后兩個(gè)小時(shí)內(nèi)存在f0F2整體增強(qiáng)和短時(shí)下降并存現(xiàn)象，增強(qiáng)幅度達(dá)到20%，而減小幅度則達(dá)到100%；YG431站也存在類似現(xiàn)象。該現(xiàn)象屬于與高層大氣內(nèi)的聲重力波運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電離層行波式擾動(dòng)(TID)，而與地磁活動(dòng)及太陽(yáng)活動(dòng)的數(shù)據(jù)無(wú)相關(guān)性；5日和9日兩個(gè)站f0F2數(shù)據(jù)存在短時(shí)下降異?，F(xiàn)象，減小幅度超過(guò)100%。

在分析了各站hmF2數(shù)據(jù)和俄羅斯Khabarovsk重測(cè)站(KB548)的觀測(cè)數(shù)據(jù)后，認(rèn)為8日TO536站和YG431站的行波式擾動(dòng)可能由與地震有關(guān)的大氣聲重力波向上傳播到電離層引起的；而其余時(shí)間的短時(shí)下降異?？赡苡傻卣鹨鸬臄U(kuò)展F造成。8日其它三個(gè)站的f0F2增加可能由F10.7小幅增加引起。此外，TO536站和YG431站與地震震中處于同一地震帶，存在明顯擾動(dòng)異常。而位于地震帶外的韓國(guó)IC437站、JJ433站以及雖然處于同一地震帶，但距震中將近2000 km的日本OK426站均無(wú)明顯異?，F(xiàn)象?；谖鍌€(gè)站與震中的地理位置關(guān)系及其相應(yīng)的電離層f0F2變化相關(guān)性，作者認(rèn)為地震-電離層感應(yīng)可能存在區(qū)域強(qiáng)相關(guān)性的沿地震帶耦合機(jī)理，具體物理響應(yīng)過(guò)程有待于進(jìn)一步深入研究。

3.3 電離層VTEC分析

針對(duì)電離層VTEC，可從兩種角度(大時(shí)間尺度的宏觀特性和高時(shí)空分辨率的微觀特性)開(kāi)展異常變化分析。由于GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)(IGS)的全球電離層FEC地圖(GIM)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為2小時(shí)，因此其僅能用于電離層大空間和時(shí)間尺度的整體VTEC變化分析；而基于電離層VTEC的微尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)可開(kāi)展地震-電離層耦合的方式等課題研究。

日本建有密集的GPS觀測(cè)站網(wǎng)絡(luò)，其國(guó)土地理院(Geographical Survey Institute (GSI)的GPS地球觀測(cè)網(wǎng)(GPS Earth Observation Network，GEONET)能夠?qū)﹄婋x層形成高時(shí)空分辨率觀測(cè)能力：空間分辨率為0.15度(經(jīng)度)×0.15度(緯度)，時(shí)間分辨率為30 s.目前日本學(xué)術(shù)振興會(huì)利用GEONET數(shù)據(jù)處理并發(fā)布日本地區(qū)的高時(shí)空分辨率的相對(duì)VTEC擾動(dòng)圖[11]，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品可用于震前電離層VTEC擾動(dòng)分析，同時(shí)可與日本垂測(cè)儀觀測(cè)結(jié)果開(kāi)展聯(lián)合分析,獲得電離層VTEC的時(shí)變特性。

圖2 3月1日至3月15日期間TO536站、YG431站、OK426站、IC437站和JJ433站垂測(cè)儀的f0F2時(shí)間序列圖

圖3(a)和(b)為8日TO536站和YG431站15分鐘間隔的f0F2觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖3(b)和(d)表示兩站上空10分鐘間隔的相對(duì)VTEC擾動(dòng)數(shù)據(jù)，即消趨勢(shì)相對(duì)TEC擾動(dòng)值。其獲得過(guò)程為：首先利用GPS雙頻相位數(shù)據(jù)解算出GPS衛(wèi)星與GPS接收機(jī)之間的相對(duì)傾斜TEC，并減去兩小時(shí)滑窗均值來(lái)消除相對(duì)TEC大尺度變化趨勢(shì)以及硬件偏差，隨后乘以傾斜因子將其轉(zhuǎn)換成相對(duì)VTEC的擾動(dòng)值。從圖4可以看出，相對(duì)VTEC的擾動(dòng)時(shí)間和f0F2的擾動(dòng)時(shí)間基本一致，且呈現(xiàn)較大的波浪起伏形態(tài)，其中TO536站13:00LT和14:15LT時(shí)段，而YG431站在11:00LT和14:00LT時(shí)段的相對(duì)VTEC減小幅度超過(guò)2TECU。這進(jìn)一步驗(yàn)證了TO536站和YG431站垂測(cè)儀觀測(cè)結(jié)果可能由電離層行波式擾動(dòng)造成的。

(a) TO536站3月8日f(shuō)0F2觀測(cè)數(shù)據(jù)

(b) TO536站3月8日上空相對(duì)VTEC擾動(dòng)值的時(shí)間序列

(c) YG431站3月8日f(shuō)0F2觀測(cè)數(shù)據(jù)

(d) YG431站3月8日上空相對(duì)VTEC擾動(dòng)值的時(shí)間序列圖3 f0F2與相對(duì)VTEC擾動(dòng)值的相關(guān)分析

3.4 電離層Hs分析

表1給出了從3月2日至3月13日13:00LT至16:00LT之間距離震中2000 km以內(nèi)的COSMIC掩星電子密度剖面的Hs值。圖4(a)～(d)給出了部分日期的電子密度剖面圖及其Hs值，圖中掩星電子密度剖面的峰值位置與震中的大圓距離小于1000 km則以實(shí)線繪制，否則以虛線繪制。

(a) 2011-3-2掩星電子密度剖面及其Hs(本地時(shí))

(b) 2011-3-8掩星電子密度剖面及其Hs(本地時(shí))

(c) 2011-3-11掩星電子密度剖面及其Hs(本地時(shí))

(d) 2011-3-13掩星電子密度剖面及其Hs(本地時(shí))圖4 3月2日至3月13日13:00LT～16:00LT期間距震中2000 km以內(nèi)的COSMIC掩星電子密度剖面及其Hs

從表1中可以看出，3月2日，震區(qū)上空電離層Hs為92 km，3月7日14點(diǎn)以前的Hs也小于100 km，14點(diǎn)以后Hs開(kāi)始增加，達(dá)到112 km.值得注意的是，3月8日，電離層Hs存在明顯異常，Hs高達(dá)173 km，即使距震中較遠(yuǎn)的電子密度剖面得到的Hs也達(dá)到120 km.3月9日Hs均在120 km左右。地震發(fā)生當(dāng)天的Hs為123 km，地震發(fā)生后的兩天內(nèi)，Hs回落到100 km水平。

表1 電離層Hs的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

電離層Hs存在地方時(shí)變化和季節(jié)性變化。春秋季節(jié)中緯地區(qū)，在14:00LT點(diǎn)后出現(xiàn)小幅下降；磁暴期間，會(huì)受電子和離子增溫影響。本文分析Hs的變化是在3月份2日至13日的同一時(shí)段基礎(chǔ)上得出的，且10日以前地磁活動(dòng)平靜?？梢钥闯觯卣鸢l(fā)生前震中附近的電離層Hs存在增加現(xiàn)象，增加幅度超到20%。除了8日Hs變化可能受太陽(yáng)F10.7小幅增加影響外，可認(rèn)為7日至11日14:00LT后電離層Hs增加現(xiàn)象與地震有關(guān)聯(lián)。

4. 結(jié) 論

綜合地磁活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)等因素分析，認(rèn)為震前電離層的f0F2、相對(duì)VTEC及Hs等異常變化與磁暴無(wú)關(guān)，但某些變化可能受到太陽(yáng)活動(dòng)影響?？傊?，上述異常變化符合已經(jīng)證實(shí)的震前電離層異常現(xiàn)象，認(rèn)為其可能與地震有一定關(guān)聯(lián)，表明電離層異常變化對(duì)于地震短期預(yù)報(bào)具有重要參考意義。但要弄清其前因后果，并做到短期預(yù)報(bào)，需要深入研究地震-電離層耦合機(jī)理及模型，并基于多種電離層探測(cè)手段開(kāi)展多種電離層參數(shù)聯(lián)合分析，以增強(qiáng)地震電離層前兆的辨識(shí)度。

致謝本文研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自于空間物理交互數(shù)據(jù)資源、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)、UCAR的COSMIC數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)中心和國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，在此表示感謝。

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