李施佳 蔡昌盛 付凱斌

(中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，長沙 410083)

用GPS觀測數(shù)據(jù)探測日本9.0級地震的電離層異常*

李施佳 蔡昌盛 付凱斌

(中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，長沙 410083)

利用位于日本2011年3月11日9.0級地震區(qū)域的三個IGS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)，計算得到了地震前后四天的電離層總電子含量(TEC)值。通過分析發(fā)現(xiàn):地震當天出現(xiàn)了明顯的電離層TEC擾動異?，F(xiàn)象，擾動異常隨測站離震源距離的加大而顯著減弱;平均電離層TEC在發(fā)生地震后的一段時間內(nèi)顯著升高。

地震;電離層;總電子含量;電離層擾動;GPS

1 引言

地震是帶有突發(fā)性且破壞性最大的自然災(zāi)害之一。為探討地震預(yù)報方法，國內(nèi)外學(xué)者在地震電離層方面進行了大量的研究。Akhoondzadeh和Karia等［1，2］對一些地震引起的電離層TEC變化進行了研究;Klimenko等［3］研究了2008年汶川地震發(fā)生前的電離層擾動機理;祝芙英等［4］采用電離層TEC擬合后的剩余殘差識別出了TEC異常并用該方法探測出了汶川地震前電離層TEC存在顯著的異常擾動;吳云等［5］采用統(tǒng)計分析方法對亞洲三次地震前的垂向TEC(VTEC)進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在震前十天內(nèi)孕震區(qū)上空的VTEC出現(xiàn)了明顯異常擾動。

電離層擾動是指電離層結(jié)構(gòu)偏離其常規(guī)形態(tài)的急劇變化。電離源的突變、非平衡態(tài)動力學(xué)過程、不穩(wěn)定的磁流動力過程和某些人為因素等，都可引起電離層擾動。

關(guān)于地震引起電離層擾動，一些學(xué)者認為，是地震引起的電磁輻射和聲重力波使電離層TEC產(chǎn)生變化(電磁輻射和聲重力波傳播到電離層時使等離子體電子重新分布，改變了其中的電子密度，從而產(chǎn)生電離層異常［6-8］);另一種觀點認為，地震活動所產(chǎn)生的破裂及震動導(dǎo)致了大氣電場的改變，尤其是其中垂直電場的改變，將直接導(dǎo)致電離層電子濃度發(fā)生變化［9，10］。

本文在以往電離層TEC研究［1-5］的基礎(chǔ)上，采用GPS偽距和載波相位觀測值聯(lián)合求解電離層TEC的方法對日本2011年3月11日Mw9.0地震期間電離層TEC異常進行了分析。

2 TEC計算方法

由GPS的雙頻觀測量可以確定兩個頻率的GPS信號在電離層介質(zhì)中傳播的總時延量之差，在一級近似條件之下，整個射線路徑上的電離層的總電子含量TEC可由此時延差求得［11］。

利用GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)中的載波和偽距可以分別進行電離層TEC的計算，但二者各有利弊。載波相位測量中由于含有整周模糊度，故求解得到的TEC值并非絕對TEC值，而是能反映TEC變化的相對值。但載波相位的信噪比大且多路徑效應(yīng)對載波相位的影響較小，所以利用載波相位得到的TEC值的精度比由偽距觀測量得到的TEC值的精度高。盡管利用偽距觀測值求得的TEC值不夠精確，但結(jié)果中不含有模糊度參數(shù)。故本文聯(lián)合采用偽距和載波相位觀測值的方法，首先通過載波相位觀測值求出包含模糊度參數(shù)的相對TEC值，然后利用偽距觀測值通過一段時間的觀測量求出該模糊度，從而得到絕對TEC值［11］。我們在TEC值的計算中沒有考慮硬件延遲偏差的影響，這是因為該偏差量在短時間內(nèi)保持穩(wěn)定，不影響我們探測電離層TEC的異常。偽距和載波相位觀測值計算TEC的方法為:

式中P1、P2為偽距觀測值;φ1、φ2為兩個頻段上的載波相位觀測值;λ1、λ2為兩個頻段上的波長;N1、N2為兩個頻段上的整周模糊度。

式(2)中所包含的模糊度項可以通過對式(1)與式(2)進行多歷元求差取平均獲得，其值如式(3)為:

式中，Amb為模糊度項(N1λ1+N2λ2)，n為歷元個數(shù)。由于偽距觀測值噪聲較大，利用(3)式計算模糊度需要采用一段時間的觀測數(shù)據(jù)。

將式(3)獲得的模糊度值回帶到式(2)中便可得到電離層絕對TEC值，

3 計算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)源

從IGS網(wǎng)站上獲得日本9.0級地震期間(2011年3月9—12日)3個IGS測站的GPS觀測數(shù)據(jù)(表1)，數(shù)據(jù)采樣率為30 s。TSKB和TSK2站到震源間距約362千米，DAEJ站到震源的距離為1 441千米。3個測站接收機截止高度角在接收數(shù)據(jù)時分別設(shè)置為10°、10°和5°。

表1 采用的3個IGS測站Tab.1 Used three IGS stations

3.2 計算結(jié)果及分析

對3個測站4天(2011年3月9—12日)電離層TEC值的計算發(fā)現(xiàn)，地震當天TSKB和TSK2測站在當?shù)貢r間14:30—16:30時間段存在明顯的電離層異常。圖1、2給出了TSKB和TSK2測站地震前后四天在該時段電離層TEC的變化。通過觀察圖1(c)和圖2(c)不難發(fā)現(xiàn)，地震當天電離層TEC出現(xiàn)了擾動現(xiàn)象，而這種擾動現(xiàn)象在一些衛(wèi)星上表現(xiàn)得特別明顯，如圖1(c)和圖2(c)中的18號、22號和26號衛(wèi)星擾動異常非常明顯。地震前和地震后的電離層TEC(圖1、2的(a)、(b)和(d))沒有發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。通過對比地震前后和地震當天的電離層TEC變化不難看出，地震造成電離層TEC擾動的持續(xù)時間最長不超過2小時。

圖3給出了DAEJ測站地震前后四天的電離層TEC隨時間的變化。從圖3(c)可以看出，21號和26號衛(wèi)星計算得到的電離層TEC值在15:00—17: 00有輕微的擾動現(xiàn)象。這種輕微的擾動現(xiàn)象在地震前和地震后的相同時間段上并未出現(xiàn)。DAEJ測站在地震當天觀察到的這種TEC擾動現(xiàn)象沒有前兩個測站的明顯，原因是測站離震源太遠，大部分衛(wèi)星捕獲不到地震造成的TEC異常。

需要說明的是，在計算TEC值的過程中發(fā)現(xiàn)部分測站TEC出現(xiàn)了負值，負值的出現(xiàn)主要是忽略硬件延遲偏差的影響所致。對于出現(xiàn)負值的測站，我們將所有四天的TEC值均平移了一個相同的常數(shù)。另外，為了避免增加不必要的投影誤差，圖中所有的TEC值均是斜向TEC，沒有投影到天頂方向。為了方便比較，所有分圖選擇了相同的衛(wèi)星。

圖1 TSKB站地震前后電離層TEC的變化Fig.1 Ionospheric TEC variation at TSKB station before and after the earthquake

圖2 TSK2站地震前后電離層TEC的變化Fig.2 Ionospheric TEC variation at TSK2 station before and after the earthquake

由于各顆衛(wèi)星的高度角和方位不同，因而由不同衛(wèi)星計算獲得的TEC值反映的是不同信號傳播路徑上的電離層總電子含量，即使衛(wèi)星信號穿過同一路徑，由于硬件延遲偏差的存在，計算獲得的TEC也存在明顯的差異。因此，單顆衛(wèi)星獲得的TEC值并不能反映該測站位置的真實總電子含量。為了反映測站位置電離層TEC的變化情況，我們利用上述3個測站四天的數(shù)據(jù)進行了TEC的均值計算，也就是在同一時刻將所有衛(wèi)星計算的TEC值取平均。圖4給出了地震前后四天當?shù)貢r間從 13:00—20:00電離層TEC的平均值。通過比較發(fā)現(xiàn)，在地震當天(2011年3月11日)，當?shù)貢r間14:00—16: 00這一段時間內(nèi)TSKB站、TSK2站和DEAJ站TEC平均值都有明顯的增加，且超過其他日期相同時間段的TEC平均值。通過對地震前后電離層平均TEC的對比分析，不難看出電離層TEC均值在強震后有較為明顯的增加，持續(xù)約3個小時。

4 結(jié)論

通過對日本Mw9.0級地震期間3個測站觀測數(shù)據(jù)的計算，獲得了各顆衛(wèi)星對應(yīng)的電離層TEC值。結(jié)果顯示地震期間電離層TEC出現(xiàn)了擾動現(xiàn)象，距離測站越近，電離層擾動越明顯，這種擾動最長持續(xù)約2個小時。不同衛(wèi)星由于所處的高度角和方位角不同，擾動強度有差異。對地震前后四天電離層TEC的平均值的比較發(fā)現(xiàn)，強震后一段時間內(nèi)電離層TEC有明顯的上升趨勢，電離層TEC的顯著增加趨勢持續(xù)時間約3個小時。

圖3 DAEJ站地震前后電離層TEC的變化Fig.3 Ionospheric TEC variation at DAEJ station before and after the earthquake

圖4 地震前后電離層TEC平均值的比較Fig.4 Comparision between the mean ionospheric TEC before and after the earthquake

1 Akhoondzadeh M and Saradjian M R.TEC variations analysis concerning Haiti(January 12，2010)and Samoa(September 29，2009)earthquakes［J］.Advances in Space Research，2011，47:94-104.

2 Karia S P and Pathak K N.Change in refractivity of the atmosphere and large variation in TEC associated with some earthquakes observed from GPS receiver［J］.Advances in Space Research，2011，47:867-876.

3 Klimenko M V，et al.Formantion mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12，2008［J］.Advances in Space Research，2011，48:488-499.

4 祝芙英，等.汶川Ms8.0地震前電離層TEC異常分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2008，(6):16-21.(Zhu Fuying，et al.Study on ionospheric TEC anomaly prior to Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(6):16-21)

5 吳云，喬學(xué)軍，周義炎.利用地基GPS探測震前電離層TEC異常［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2005，(2):36-40.(Wu Yun，Qiao Xuejun and Zhou Yiyan.Preseismic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GPS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2):36-40)

6 Pulinets S A，et al.Quasielectrostatic model of atmospherethermosphere-ionosphere coupling［J］.Advance Space Research，2000，26(8):1 209-1 218.

7 Eftaxias K J，et al.Experience of short term earthquake precursors with VL F-V HF electron magnetic emissions［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2003，(3):217 -228.

8 Afraimovich E L，et al.The shock acoustic waves generated by earthquake［J］.Annales Geophvsicae，2001，19:395-409.

9 Zaslavski Y，Parrot M and Blance E.Analysis of VTEC measurements above active seismic regions［J］.Phys Earth Planet Int.，1998，105:219-228.

10 孟泱，王澤民，鄂棟臣.基于GPS數(shù)據(jù)的地震前電離層TEC異常研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2008，33(1):81-84.(MengYang，Wang Zemin and E Dongchen.Ionopsheric TEC anomalies of pre-earthquake based on GPS data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2008，33(1):81-84)

11 張東和，蕭佐.利用GPS計算TEC的方法及其對電離層擾動的觀測［J］.地球物理學(xué)報，2000，43(4):451-458.(Zhang Donghe and Xiao Zuo.A method of calculating TEC with GPS data and its application to the ionospheric disturbances［J］.Chinese Journal of Geophysics，2000，43(4):451 -458)

IONOSPHEREIC ANOMALY DETECTION OF Mw9.0 JAPAN EARTHQUAKE BY USING GPS OBSERVATION DATA

Li Shijia，Cai Changsheng and Fu Kaibin
(Department of Geomatics Engineering，Central South University，Changsha 410083)

By use of the data from three IGS stations located in the area of Mw9.0 Japanese earthquake，the

total ionospheric electronic content(TEC)values in four days before and after the earthquake were obtained.There was an explicit ionospheric disturbance phenomenon on that day by analyzing and comparing the computational results.The TEC disturbance phenomenon can be found from different satellite data，which become insignificant with increased distance between the stations and epicenter.A four-day average TEC values before and after the earthquake are computed.The results indicate a significant increase of mean TEC for a few hours after the earthquake.

earthquake;ionosphere;TEC;ionospheric disturbance;GPS

1671-5942(2012)03-0036-05

2011-12-13

國家自然科學(xué)基金(41004011);中南大學(xué)前沿研究計劃(2009QZZD002);中南大學(xué)自由探索計劃(201012200086)

李施佳，女，1989年生，碩士研究生，主要從事GNSS精密單點定位方面的研究工作.E-mail:lishijia-1989@163.com

P207;P315.72+8

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