大豐市地震臺(tái) 莊 濤

基于GNSS掩星反演技術(shù)的電離層異常變化研究
——以東日本地震為例

大豐市地震臺(tái) 莊 濤

電離層是隨時(shí)空變化而變化的復(fù)雜系統(tǒng)，它的擾動(dòng)對(duì)短波通訊、地空和星間信息鏈路以及空間平臺(tái)的運(yùn)行都有重要影響；當(dāng)擾動(dòng)劇烈時(shí)，甚至?xí)瓜到y(tǒng)的部分功能喪失。地震電離層異常探測(cè)已成為當(dāng)前地震學(xué)和地球物理學(xué)的熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一，已有研究結(jié)果表明，大震之前極有可能存在電離層異常變化，f0F2或TEC值的變化是電離層變化指數(shù)的主要考察對(duì)象。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段受自然條件影響較大，而GNSS無(wú)線電掩星電離層探測(cè)技術(shù)則不受天氣限制，能全天候、大范圍的監(jiān)測(cè)電離層的狀態(tài)，所獲資料全球發(fā)布均勻，具有較高的電子垂直分辨率。

一、大地震來(lái)臨前的電離層征兆

歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在地震發(fā)生前，震區(qū)上方電離層都會(huì)發(fā)生異常，據(jù)資料分析統(tǒng)計(jì)，地震來(lái)臨前的電離層征兆特性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.地震來(lái)臨的前幾天，震區(qū)上方的E層電子活動(dòng)突然增多；D層電離也增加；F層電離層受影響的區(qū)域范圍取決于地震震級(jí)，高于里氏7級(jí)的地震，其影響的經(jīng)緯度范圍超過(guò)40°。

2.在低緯度地區(qū)，包括赤道，地震–電離層感應(yīng)會(huì)影響該維度地區(qū)的整體結(jié)構(gòu)，促使它們發(fā)生變化。最常見(jiàn)的現(xiàn)象是赤道雙冠頂向赤道漂移，直至不見(jiàn)。

3.等離子體密度會(huì)受地震干擾，這是一個(gè)地震來(lái)臨前的征兆。一般在5 d內(nèi)可檢測(cè)到等離子體密度的變化，該變化有正負(fù)之分。

4.地震來(lái)臨時(shí)，電離層參數(shù)較正常值的偏移時(shí)間段較短，只有4 ～ 6 h，很少有地震會(huì)超出這個(gè)范圍。

5.地震時(shí)的電離層總電子（TEC）含量變化和臨界頻率變化一樣。

6.受影響最大的電離層區(qū)與震中在電離層上的垂直投影不重合，中高維度地區(qū)則會(huì)偏向赤道方向。

7.等離子體垂直分布在地震中的改變，會(huì)使電離層標(biāo)高增加，這個(gè)變化主要與電子質(zhì)量的改變及平行粒子流有關(guān)。

8.地震對(duì)于電離層的影響情況主要取決于地震的震級(jí)及受震范圍，孕震區(qū)的電離層異常變化情況；在不同的經(jīng)緯度也會(huì)有所不同。

無(wú)線電掩星電離層探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)解決了諸多難題，該技術(shù)能反演得到電離層密度剖面。GPS衛(wèi)星的信號(hào)傳到低軌衛(wèi)星，有時(shí)會(huì)被地球擋住從而中斷，有時(shí)則能正常接收，這種現(xiàn)象被稱為掩星，這跟日常生活中的日升日落相似。掩星的路徑首先是GPS衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)再被LEO衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)接收。信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路徑中，掩星路徑可能有多條，它們的偏移與LEO衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)。

二、Abel積分反演推算

Abel積分算法簡(jiǎn)單，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，天文學(xué)上常利用它來(lái)進(jìn)行銀河系徑向質(zhì)量分布求解。在研究電離層時(shí)，同樣可以根據(jù)GPS衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)傳播路徑的彎曲角、傾斜路徑上的總電子含量（STEC）來(lái)用Abel積分反演技術(shù)推算出電離層的電子垂直密度分布。進(jìn)行GPS信號(hào)傳播路徑彎曲角求解時(shí)，先要根據(jù)附加相位延遲，計(jì)算出彎曲角；之后才能反演出電離層電子密度。但是實(shí)際情況下，這種彎曲角往往很小，在F層中最大也不會(huì)超過(guò)0.03°，這使得利用彎曲角反演電子密度的方法在精度方面不是很理想，所以，筆者更傾向于采用已知的STEC數(shù)據(jù)來(lái)反演電子密度，它將GPS信號(hào)傳播路徑的彎曲度忽略不計(jì)，假設(shè)路徑為直線并利用延遲信號(hào)量來(lái)推算總電子含量，之后即可通過(guò)Abel算法反演出電子密度輪廓線，信號(hào)傳播路徑如圖1所示。

計(jì)算STEC的公式如下：

式（1）中，T為傳播路徑上的總電子含量（STEC），N為電子密度，n為折射指數(shù)，S為附加相位延遲。

由于不計(jì)信號(hào)傳播路徑彎曲度，所以信號(hào)L1與L2的傳播路徑都相同，均是直線，利用附加相位延遲計(jì)算得到的STEC均相等。此法能消除衛(wèi)星鐘和衛(wèi)星軌道雙誤差，不需要地面站再矯正，快捷實(shí)時(shí)。公式如下：

式（2）中，s1和s2分別為信號(hào)L1與L2的附加相位延遲，f1和f2分別為信號(hào)L1與L2的載波頻率。

GPS信號(hào)從GPS衛(wèi)星到LEO衛(wèi)星傳播路徑上的總電子含量T（p）的求解公式如下：

式（3）中，lLEO為信號(hào)到LEO衛(wèi)星的距離，lGPS為信號(hào)到GPS衛(wèi)星的距離，Ne（r）為距離信號(hào)r處的電子密度，r為測(cè)點(diǎn)到信號(hào)的距離，p為碰撞中心距。

在局部球?qū)ΨQ假設(shè)下，STEC的Abel積分可變換為

此法不計(jì)衛(wèi)星軌道高度以上的電子，Abel積分反演推算后得到如下結(jié)果：

三、東日本地震電離層異常變化分析

1.數(shù)據(jù)獲取。本文，筆者采用的掩星數(shù)據(jù)、空間物理交互數(shù)據(jù)資源、相對(duì)VTEC擾動(dòng)數(shù)據(jù)主要來(lái)自美國(guó)大氣研究大學(xué)聯(lián)盟（COSM IC）數(shù)據(jù)分析與存儲(chǔ)中心、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)源自對(duì)震區(qū)震中位置周?chē)?0°經(jīng)緯度范圍內(nèi)，時(shí)間從2011年3月2日跨至2011年3月13日。查閱地磁Dst指數(shù)，太陽(yáng)10.7 cm射電流量（F10.7）和太陽(yáng)黑子的歷史數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)3月2日到3月10日電磁活動(dòng)較為平靜，10日至12日地磁發(fā)生擾動(dòng)，一度達(dá)到小磁暴水平。

2.電離層f0F2分析。筆者主要選取了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用Abel算法進(jìn)行反演分析，來(lái)觀察f0F2的異常變化。所選5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)與震中的大圓距離均小于2 000 km，其中3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)位于環(huán)太平洋地震帶上（有2個(gè)位于日本國(guó)內(nèi)，1個(gè)位于其周?chē)Ｉ希?，另?個(gè)位于地震帶外。對(duì)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)演算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，日本國(guó)內(nèi)的2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在5日至11日內(nèi)f0F2的最大值沒(méi)有特別的波動(dòng)，但異常擾動(dòng)很明顯，兩點(diǎn)之間的演算數(shù)據(jù)相關(guān)性較強(qiáng)。其他的3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的f0F2最大值均有很明顯的變化，8日達(dá)到峰點(diǎn)。日本本土2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的f0F2月中值在8月13號(hào)前2 h內(nèi)均有短暫的總體增強(qiáng)和瞬時(shí)下降的現(xiàn)象，其中漲幅達(dá)20%，跌幅達(dá)100%，這個(gè)現(xiàn)象即是典型的電離層行波式擾動(dòng)。將各檢測(cè)點(diǎn)的hm F2數(shù)據(jù)和俄羅斯Khabarovsk重測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，2個(gè)本土站點(diǎn)的行波式擾動(dòng)現(xiàn)象極有可能是地震期間的大氣聲重力波向上傳播對(duì)電離層進(jìn)行干擾而造成的，而其他時(shí)間內(nèi)短暫的下降則可能與由地震引起的擴(kuò)展F有關(guān)。由于這2個(gè)站點(diǎn)都位于同一地震帶上，所以它們的擾動(dòng)現(xiàn)象十分明顯，而其他3個(gè)站點(diǎn)并未有明顯的擾動(dòng)現(xiàn)象。

四、結(jié)論

結(jié)果顯示，所選取的5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)中，2個(gè)點(diǎn)的擾動(dòng)現(xiàn)象非常明顯，其余3個(gè)點(diǎn)的擾動(dòng)現(xiàn)象較弱。因而，擾動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生可能取決于檢測(cè)點(diǎn)與震中點(diǎn)的地理位置，地震–電離層感應(yīng)存在較強(qiáng)的區(qū)域相關(guān)性，感應(yīng)機(jī)理為沿地震帶耦合機(jī)理。