熊 晶 吳 云 林 劍

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢430071

1 引言

地震電離層前兆研究表明，大地震發(fā)生前，孕震區(qū)上空電離層F2 層最大電子密度NmF2(F2 layer peak electron density)和電離層電子密度總含量TEC(Total Electron Content)會(huì)出現(xiàn)異常變化［1－10］。但在這些研究成果中，電離層異常判斷的背景值是基于震前多天觀測值的均值，而這種異常判斷方法無法保證背景值不會(huì)受到地震活動(dòng)的影響，所以其準(zhǔn)確性值得商榷。本文將采用BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用2006—2010年UCAR 公布的NmF2 數(shù)據(jù)，建立局部地區(qū)電離層模型，解算電離層NmF2，提供“干凈”的電離層NmF2 參考值，以避免異常判斷方法的弊端。

掩星觀測與電離層測高儀、衛(wèi)星電離層頂部探測、地基TEC 觀測等電離層探測手段相比，掩星觀測能夠提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)、高精度、全天候的全球電離層三維電子密度數(shù)據(jù)，而且，相關(guān)研究結(jié)果表明掩星探測數(shù)據(jù)反演的電子密度剖面與非相關(guān)散射雷達(dá)和電離層測高儀觀測結(jié)果一致［11，12］。目前，美國、德國、阿根廷等多個(gè)國家均有掩星計(jì)劃在研或運(yùn)行，而中國臺(tái)灣地區(qū)與美國合作的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate)是迄今為止最成功的掩星計(jì)劃［13］，它由6 顆在800km 處運(yùn)行的低軌小衛(wèi)星組成觀測星座，在軌期間能提供每天最多約3 000 個(gè)掩星探測剖面，雖然現(xiàn)在衛(wèi)星已到使用壽命，但其在軌6年累計(jì)的觀測數(shù)據(jù)能為電離層模型的建立提供豐富的電離層電子密度數(shù)據(jù)，而且正在研制的COSMIC-2 系統(tǒng)，預(yù)計(jì)其數(shù)據(jù)觀測能力將十倍于COSMIC-1。

為了研究2008年5月12日汶川7.9級(jí)地震前孕震區(qū)電離層電子密度的變化情況，我們選取UCAR 公布的2006-08—2010-12月電離層F2 層最大電子密度NmF2，建立以震中為中心，經(jīng)緯向跨度為80° ×80°(10°S ～70°N，60°E ～140°E)的區(qū)域電離層NmF2 模型，解算震前孕震區(qū)上空各掩星NmF2探測點(diǎn)的模型值，通過觀測值與模型值的比較，研究汶川地震前電離層是否出現(xiàn)異常變化。

2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

選取年積日DOY、當(dāng)?shù)貢r(shí)LT、經(jīng)度LON、緯度LAT 和F10.7 太陽活動(dòng)指數(shù)FLUX 為網(wǎng)絡(luò)輸入，掩星觀測點(diǎn)NmF2 為網(wǎng)絡(luò)輸出，利用MATLAB 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建BP 網(wǎng)絡(luò)模型，以2006-08—2010-12月考察范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。另外，由于在磁暴發(fā)生時(shí)期，COSMIC 數(shù)據(jù)誤差較大，為了使模型更加精確，我們剔除磁擾時(shí)段(kp≤3)的數(shù)據(jù)。而且，在日出日落時(shí)段，電離層電子密度變化劇烈，故也將此時(shí)段的數(shù)據(jù)剔除。目前的研究顯示，汶川地震前的電離層異常主要出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)的下午時(shí)段，同時(shí)，為了避免過多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致MATLAB 運(yùn)算內(nèi)存溢出錯(cuò)誤，故只選取考察區(qū)域當(dāng)?shù)貢r(shí)12:00LT—17:00LT的掩星探測數(shù)據(jù)來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。

另外，為了確保區(qū)域電離層模型的準(zhǔn)確性，我們采用均方根(RMS，Root mean Square Error)描述網(wǎng)絡(luò)的整體誤差。其中，Oi 為觀測值，Mi 為模型值，N為符合篩選條件的掩星NmF2 觀測點(diǎn)的總數(shù)。經(jīng)過比較各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的組合，例如:隱層層數(shù)及神經(jīng)元個(gè)數(shù)、激活函數(shù)、學(xué)習(xí)速率、期望誤差等，得出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)組合，根據(jù)

得到對(duì)應(yīng)的最小網(wǎng)絡(luò)誤差為:RMS=1.1×105el/cm3。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比與分析

針對(duì)汶川地震前出現(xiàn)的電離層異常，目前的研究成果均基于TEC 數(shù)據(jù)［6－9］，而電離層NmF2 與TEC 有明顯的正相關(guān)性［14－16］，于是可以將汶川震前TEC 的異常變化情況與NmF2 的變化情況相比對(duì)。相關(guān)研究表明，汶川地震前第3天(5月9日)當(dāng)?shù)貢r(shí)下午17:00LT 震中附近2 495km 半徑范圍內(nèi)，震中南部及東南部上空TEC 出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，幅度增大約40% ～50%。圖1(a)黑色虛線圈內(nèi)為NmF2 明顯增大的區(qū)域，半徑約為2 000km，兩條藍(lán)色實(shí)線之間的NmF2 觀測點(diǎn)將用來代表震中所在經(jīng)度帶內(nèi)NmF2 在不同緯度的變化情況;圖1(b)表示震中附近3 個(gè)NmF2 觀測點(diǎn)對(duì)應(yīng)掩星事件的電子密度剖面顯示的2008年5月9日12:00LT—17:00LT考察區(qū)域內(nèi)的電離層NmF2 觀測值與由BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解算相應(yīng)的NmF2 模型值之間的偏離程度，表示為:(O-M)/M，其中，O 為NmF2 觀測值，M 為對(duì)應(yīng)NmF2 觀測點(diǎn)的模型值。從圖1(a)可以看出，震中南側(cè)大約475km(95km/° ×5°=475km)處，電離層NmF2 出現(xiàn)明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象(圖1(a)中的3 號(hào)NmF2 點(diǎn))，幅度約為50%，而離3 號(hào)NmF2 點(diǎn)西南向約100km 的處的2 號(hào)NmF2 點(diǎn)幅度增大不到10%，震中東側(cè)大約2 000km(115km/° × 20°=2 300km)的1 號(hào)NmF2 點(diǎn)也出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，增強(qiáng)幅度約為20%，在考察區(qū)域其他地區(qū)的NmF2 沒有出現(xiàn)明顯的異常，變化的幅度基本低于10%。

地震前第2天(5月10日)當(dāng)?shù)貢r(shí)下午時(shí)段，TEC 的變化幅度沒有超過異常閾值(圖2，(a)表示汶川地震前第2天(2008年5月10日)12:00LT－17:00LT 考察范圍內(nèi)的電離層NmF2 觀測值與對(duì)應(yīng)點(diǎn)模型值的偏差程度，黑色虛線圈內(nèi)為NmF2 明顯增大的區(qū)域，半徑約為2000km，兩條藍(lán)色實(shí)線之間的NmF2 觀測點(diǎn)將用來代表震中所在經(jīng)度帶內(nèi)NmF2 在不同緯度的變化情況;(b)表示震中附近4個(gè)NmF2 觀測點(diǎn)對(duì)應(yīng)掩星事件的密度剖面)。與基于TEC 的研究結(jié)果不同的是，圖2(a)顯示NmF2 出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象，幅度達(dá)到50%。

圖3(a)為4月28—5月19日震中所在的區(qū)域(10°S ～70°N ，83°E ～123°E，即圖1、2 中藍(lán)色實(shí)線之間的區(qū)域)，各天下午時(shí)段12:00LT—17:00LT 內(nèi)NmF2 觀測值相對(duì)模型值的變化情況。圖3(b)為對(duì)震中所在的經(jīng)度帶以5°劃分緯度，用各緯度區(qū)域內(nèi)NmF2 偏離程度的均值代表該區(qū)域NmF2 的變化情況。圖3(c)表示上述時(shí)期Kp 指數(shù)的變化情況，經(jīng)查詢國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的空間天氣報(bào)告(http://spaceweather.cma.gov.cn/bulletin/month/)，雖然4月底至5月初沒有發(fā)生小磁暴，但4月28—5月5日Kp 指數(shù)均在3 左右，說明地磁環(huán)境較為活躍，從圖3(b)可看出，此段時(shí)間各緯度區(qū)域的NmF2 均出現(xiàn)明顯擾動(dòng)，5月3—5日電離層出現(xiàn)明顯的正擾動(dòng)，這與TEC 的異常分析結(jié)果相一致。而后直到5月19日，Kp 指數(shù)均在2 以下，說明地磁環(huán)境極為平靜，但6—8日NmF2 出現(xiàn)明顯的負(fù)異常，幅度約30%，而9日出現(xiàn)明顯正異常，幅度達(dá)到40%，TEC 的異常分析也有類似的現(xiàn)象。另外，10日也出現(xiàn)明顯正異常，幅度達(dá)到50%，這與TEC 的分析結(jié)果不同。

4 結(jié)論

圖1 顯示汶川地震前第3天(5月9日)震中附近上空電離層下午時(shí)段出現(xiàn)NmF2 顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象，相關(guān)研究表明，當(dāng)天下午的TEC 及foF2 也有明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象。震前第6 ～4天(5月6—8日)出現(xiàn)一系列NmF2 減小的現(xiàn)象，同時(shí)，TEC 也出現(xiàn)類似的情況。與TEC 分析結(jié)果的一致性，說明采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立區(qū)域電離層模型的分析方法是可靠的。而5月10日的TEC 沒有出現(xiàn)異常增大的現(xiàn)象，我們認(rèn)為這有可能是與TEC 異常分析的方法有關(guān)，其異常判斷的閾值基于當(dāng)前觀測值若干天前的觀測值均值，則閾值很可能已經(jīng)包含了地震活動(dòng)對(duì)電離層的影響，而我們采用模型值作為異常判斷的閾值，可以避免上述方法的弊端。

目前，關(guān)于地震電離層耦合效應(yīng)的物理機(jī)理還沒有定論，有研究證明，地震前孕震區(qū)巖石的微破裂可以產(chǎn)生大量正電子穴，大量的正電子穴足以影響孕震區(qū)的電磁環(huán)境，其產(chǎn)生的上升電場可以造成NmF2 和TEC 的顯著減?。?7，18］。但是，尚沒有相關(guān)理論能解釋地震前NmF2 增強(qiáng)的現(xiàn)象，有可能是孕震區(qū)存在下降電場造成，這需要進(jìn)一步的研究和論證。綜上所述，在空間天氣平靜的情況下，我們認(rèn)為5月6—8日NmF2 減弱和5月9—10日NmF2 增強(qiáng)的現(xiàn)象極有可能與地震孕育活動(dòng)有關(guān)。

致謝感謝COSMIC 數(shù)據(jù)中心CDAAC 和美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心提供相關(guān)研究數(shù)據(jù)。

圖3 NmF2 觀測值與模型偏差情況的統(tǒng)計(jì)與Kp 指數(shù)Fig.3 Statiestics of the deviations between NmF2 observations and model values and the Kp index

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