謝益炳 伍吉倉 陳俊平 徐克科 彭 遙

1) 中國上海200092同濟大學測繪與地理信息學院 2) 中國上海200030中國科學院上海天文臺 3) 中國上海200092現(xiàn)代工程測量國家測繪局重點實驗室 4) 中國河南焦作454000河南理工大學測繪與國土信息工程學院5) 中國南京210049 61175部隊

蘆山MS7.0地震前后電離層電子含量擾動分析*

1) 中國上海200092同濟大學測繪與地理信息學院 2) 中國上海200030中國科學院上海天文臺 3) 中國上海200092現(xiàn)代工程測量國家測繪局重點實驗室 4) 中國河南焦作454000河南理工大學測繪與國土信息工程學院5) 中國南京210049 61175部隊

基于IGS提供的GIM數(shù)據(jù)和陸態(tài)網(wǎng)測站數(shù)據(jù)， 采用統(tǒng)計學分析法對蘆山MS7.0地震前后各10天的垂直總電子含量(VTEC)進行統(tǒng)計分析． 結(jié)果顯示， 4月16—21日出現(xiàn)明顯的VTEC異常減少． 因此， 在排除太陽活動因素后， 認為電離層的異常變化有可能是地震發(fā)生的前兆信息．

電離層 垂直總電子含量 蘆山MS7.0地震 異常

引言

地震是地球內(nèi)部能量釋放的一種形式. 越來越多的研究結(jié)果顯示， 地震對地球環(huán)境的影響不僅在地球表面， 還可能影響到電離層的電子濃度(余濤等, 2009).

自20世紀60年代中期， Barnes和Leonard (1965)在對1964年阿拉斯加MS8.4大地震進行研究時， 發(fā)現(xiàn)電離層出現(xiàn)異常擾動現(xiàn)象后， 國內(nèi)外研究者開始對地震電離層擾動進行分析研究． Pulinets等(2003)結(jié)合10余年的數(shù)據(jù)， 認為地震前電離層會出現(xiàn)異常； Hsia等(2009)對臺灣地區(qū)上百次地震進行統(tǒng)計分析， 得出類似結(jié)論； 張強等(2007)和趙瑩等(2010)通過對地震震例進行分析， 發(fā)現(xiàn)電離層異常主要出現(xiàn)在震前， 尤其以震前2—5天最為突出， 且震前異常均屬負異常． 還有一些學者通過對不同地震進行研究均得到了一些有意義的結(jié)論. 例如， 齊曙光等(2012)采用從點到面、 從時間到空間的方法分析了海地MS7.0地震前電子含量(TEC)的變化情況， 發(fā)現(xiàn)震前3天TEC出現(xiàn)異常擾動； 閆相相等(2013)利用美國宇航局噴氣推進實驗室提供的TEC數(shù)據(jù)和日本NICT測高儀數(shù)據(jù)分析了日本MW9.0地震前TEC的變化情況， 也發(fā)現(xiàn)震前3天TEC出現(xiàn)異常情況. 此外， 祝芙英等(2009)、 徐彤等(2012)、 張小紅等(2013)對地震前TEC變化情況進行了相應的研究， 均得出類似的結(jié)論．

本文選取2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震前、 后各10天的電離層垂直總電子含量(VTEC)變化作為研究對象， 使用IGS提供的GIM (global ionospheric model)數(shù)據(jù)， 利用四分法對此次地震前后電離層VTEC變化進行分析比較， 并利用震中附近的陸態(tài)網(wǎng)臺站數(shù)據(jù)進行了驗證．

1 異常探測原理及方法

IGS網(wǎng)站提供全球電離層VTEC數(shù)據(jù). 該數(shù)據(jù)每兩小時公布一次， 數(shù)據(jù)緯度間隔為2.5°， 經(jīng)度間隔為5°， 數(shù)據(jù)單位為0.1 TECU (1 TECU=1016el/m2)． 因此用戶可以根據(jù)測站坐標和時間內(nèi)插得到其上空的VTEC數(shù)據(jù)． 本文所用的內(nèi)插方法(李征航， 張小紅， 2009)為

(1)

式中，Ei=E(Ti),Ei+1=E(Ti+1)；t表示觀測時刻；Ti+1和Ti表示t前后相鄰時刻；β,λ表示穿刺點的地心緯度和經(jīng)度；Ei(β,λ)表示在i時刻、 經(jīng)度λ、 緯度β下的電離層VTEC．

一般情況， 在統(tǒng)計分析中， 描述數(shù)據(jù)集中趨勢的統(tǒng)計量有平均數(shù)、 中位數(shù)和眾數(shù)． 平均數(shù)與每一個數(shù)據(jù)相關， 受數(shù)據(jù)的變動影響較大， 特別是容易受到極端值的影響； 中位數(shù)只與數(shù)據(jù)的排列有關， 不受數(shù)據(jù)離群值的影響； 而眾數(shù)則與數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率有關， 具有非唯一性．

由于電離層電子密度分布為非常態(tài)， 一般選用中位數(shù)來衡量數(shù)據(jù)的集中趨勢． 這里我們選取前15天作為滑動值， 取其中位數(shù)作為基本參照， 采用滑動四分位法對震例進行統(tǒng)計分析(趙瑩等， 2010)．

四分位數(shù)是將數(shù)列分為4個部分的數(shù)， 包括下四分位數(shù)Q1， 中位數(shù)Q2， 上四分位數(shù)Q3以及四分位數(shù)間距Q(李建勇， 2010)． 其中Q1表示這一點下端有占總數(shù)25%的數(shù)據(jù)， 而Q3表示這一點以下的數(shù)據(jù)占總數(shù)的75%． 四分位數(shù)間距Q表示Q3與Q1的差值． 統(tǒng)計學上，Q=1.34σ， 即四分位間距的期望值是標準差σ的1.34倍．

本文根據(jù)前15天同一時刻的VTEC數(shù)據(jù)， 計算其中位數(shù)和上、 下四分位數(shù)； 然后與當天同一時刻的數(shù)據(jù)進行對比. 當實測VTEC值超出所設上界， 即超過Q1+Q， 則為上界異常， 即正異常； 反之若超出下界則為下界異常， 即低于Q3-Q， 為負異常． 本文設定上界為中位數(shù)與四分位間距之和， 下界為中位數(shù)與四分位間距之差. 具體方法詳見趙瑩等(2010)文章．

2 實例分析

蘆山地震發(fā)生于2013年4月20日8時2分(地方時)， 震中位于(30.3°N， 103.0°E)， 震源深度為13 km， 如圖1所示． 截止到4月24日10時， 共發(fā)生余震4045次， 其中M>3.0余震103次， 最大余震為M5.7． 為研究此次地震對于電離層TEC的干擾程度， 本文利用IGS提供的GIM數(shù)據(jù)， 選取震中一點(30°N, 103°E)進行內(nèi)插得到地震前25天和震后10天的VTEC數(shù)據(jù)． 按照四分位法， 以3月17—31日為參考， 進行滑動求解．

圖1 蘆山地震震中(星形)及陸態(tài)網(wǎng)測站(紅色三角形)分布圖

Fig.1 Epicenter (denoted by star) of the LushanMS7.0 earthquake and distribution of sites (denoted by red triangles)

圖2給出了2012年4月—2013年3月的VTEC時間序列． 從圖2可看出， 在2012年6月18、 23和24日， 7月15—17日， 10月30—31日， 11月5日， 11月29—30日出現(xiàn)了電離層負異常的情況． 經(jīng)查閱中國科學院空間環(huán)境研究預報中心(http:∥www.sepc.ac.cn/)的歷史產(chǎn)品可知6月18日曾出現(xiàn)磁暴，Kp>5， 而23日和24日地磁出現(xiàn)微擾； 7月

圖2 蘆山MS7.0地震震中上空2012年4月—2013年3月VTEC時間序列

Fig.2 Time sequence of VTEC over the epicenter of LushanMS7.0 earthquake during April 2012 through March 2013

圖2 蘆山MS7.0地震震中上空2012年4月—2013年3月VTEC時間序列

Fig.2 Time sequence of VTEC over the epicenter of LushanMS7.0 earthquake during April 2012 through March 2013

15—17日出現(xiàn)Dst指數(shù)和Kp指數(shù)異常； 10月30—31日地磁活躍； 11月5日Kp值異常； 而11月29—30日由于受11月26日和27日的影響， 出現(xiàn)地磁比較活躍． 因此，上述幾天出現(xiàn)的短時間負異常可能是由于地磁干擾所致.

圖3給出了蘆山地震前、 后10天震中上空VTEC的時間序列． 從圖3可以看出， 4月為進一步顯示電離層VTEC溢界情況， 更清楚地反映VTEC下界異常及其強度， 采用觀測值與上下界限之差繪于圖4． 從圖4可明顯看出， 隨著時間的推移， 越接近地震發(fā)生時間， 下界異常的強度越大， 然后逐漸減小直至恢復正常．

圖4 蘆山地震震中上空VTEC偏離上下界值的時間序列

Fig.4 Time sequence of VTEC deviation between upper and lower boundaries over the epicenter of Lushan earthquake

圖5 蘆山地震前后太陽活動指數(shù)與磁暴指數(shù)

Fig.5 Solar activity and geomagnetic storm index before and after Lushan earthquake

16—21日出現(xiàn)明顯的電離層VTEC超出下界， 尤其是震前一天更為明顯． 自4月22日開始， 電離層VTEC逐漸恢復正常并趨于穩(wěn)定．

為了確定電離層VTEC異常是否由蘆山地震引起， 根據(jù)中國科學院國家空間科學中心(2013)提供的數(shù)據(jù)， 我們對地磁擾動水平系數(shù)Kp(地磁活動指數(shù)， 時間分辨率為3小時)和Dst指數(shù)(表征環(huán)電流強度)進行了統(tǒng)計(圖5)． 一般認為，Kp<3時電離層是比較安靜的； 而Dst<-50 nT時， 中級磁暴可能發(fā)生; 當Dst<-100 nT時， 有可能發(fā)生大磁暴． 由圖5所示可知， 4月1—30日蘆山地震前后F10.7、Kp指數(shù)和Dst指數(shù)均處于較低水平， 因此可以排除蘆山地震前后電離層受太陽活動和磁暴等空間活動的影響．

在此基礎上， 本文還對同一經(jīng)度帶上不同緯度的電離層VTEC按式(1)進行內(nèi)插， 形成不同緯度的時間序列圖(圖6)． 從圖6a中可以看到， 蘆山地震前電離層在震中緯度大約10° 的范圍內(nèi)發(fā)生了異常； 從圖6a和圖6b中可以進一步看出， 蘆山地震前同一經(jīng)度(105°E)上不同緯度的電子含量均超出下界， 且震中南方出現(xiàn)明顯的負異常， 同時在南半球磁共軛區(qū)域也觀測到負異常， 地震后逐漸恢復平靜．

圖6 蘆山地震前(a)、 后(b)10天不同緯度的二維VTEC與上下界的差值.圖中紅色直線代表地震發(fā)生對應的緯度

Fig.6 Two-dimensional VTEC deviation between upper and lower boundaries in different latitudes 10 days before (a) and after (b) Lushan earthquake where red lines represent the corresponding latitudes about the earthquake

圖7 所選4個觀測站的VTEC時間序列

Fig.7 Time sequence of VTEC at four stations

為驗證上述方法是否正確， 蘆山地震前是否存在電離層異常， 本文選取震源附近4個陸態(tài)網(wǎng)觀測站的實測數(shù)據(jù)， 進行異常探測和分析． 這4個觀測站分別為GSLZ (36.078°N, 103.671°E)、 SCDF(30.978°N， 101.122°E)、 SCMB(28.840°N， 103.534°E)和YNDC(26.108°N， 103.181°E)． 首先利用P4組合進行相位平滑偽距， 扣除衛(wèi)星和接收機硬件延遲， 得到測站上空的電離層時間變化序列； 然后再利用上述滑動四位數(shù)法繪制各個測站電離層上界、 下界、 均值和實測值的時間序列(圖7)． 從圖7可以看出， 地震前各觀測點實測值逐漸減小， 均出現(xiàn)下界異常， 震后恢復正常．

3 結(jié)論

一般認為， 在地震的孕震期、 臨震前、 主震和余震中， 形變和電磁等地球物理場都會發(fā)生不同程度的變化， 這些變化將不同程度地影響電離層． 本文利用IGS提供的GIM數(shù)據(jù)， 采用四分位法進行統(tǒng)計分析， 計算結(jié)果表明：

1) 2013年4月20日蘆山地震前、 后， 電離層VTEC觀測值均低于前15天的VTEC均值， 且在4月16—21日期間均出現(xiàn)不同程度的下界異常． 排除磁暴和其它太陽活動的影響， 可認為這些負異常與該次蘆山地震有關， 電離層前兆確實存在．

2) 4月30日電離層VTEC出現(xiàn)正異常， 經(jīng)查閱中國科學院空間環(huán)境研究預報中心資料可知， 由于受到太陽風的影響， 24小時內(nèi)出現(xiàn)12小時的地磁活躍狀態(tài)， 因而有可能是受地磁影響而出現(xiàn)正異常．

3) 通過對不同緯度的TEC分析， 可以看出在南半球磁共軛區(qū)域也存在相同的現(xiàn)象．

4) 利用震區(qū)附近的4個陸態(tài)網(wǎng)觀測站的實測數(shù)據(jù)， 亦可看出電離層在地震前存在下界異常．

地震的發(fā)生是個非常復雜的過程， 對電離層的擾動現(xiàn)象盡管有諸多物理解釋， 但至今尚未定論． 因此， 如何改進數(shù)據(jù)分析方法， 科學合理地定義VTEC異常評判標準， 以及如何區(qū)分由地震引起的電離層異常和其它因素造成的異常有待于進一步研究．

感謝上海天文臺GNSS分析中心提供的陸態(tài)網(wǎng)數(shù)據(jù)．

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Perturbation analysis of the ionospheric TEC before and after the LushanMS7.0 earthquake

1)CollegeofSurveyingandGeo-informatics,TongjiUniversity,Shanghai200092,China2)ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China3)KeyLaboratoryofModernEngineeringSurveying,NationalAdministrationofSurveying,MappingandGeoinformation,Shanghai200092,China4)CollegeofSurveyingandGeo-informatics,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China5) 61175Troops,Nanjing210049,China

By using the statistical analysis method, the ionospheric VTEC data of ten days before and after the LushanMS7.0 earthquake have been analyzed and discussed in detail, based on the GIM data offered by IGS and the Crustal Movement Observation Network of China.The results show that obvious VTEC reduction appeared between 16 and 21 April, 2013. So the abnormal variations of the ionospheric TEC may be precursors to the earthquake, excluding the solar activity factors.

ionosphere; VTEC; LushanMS7.0 earthquake; anomaly

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.008.

國家自然科學基金(41174024， 11273046， 40974018)、 中科院百人計劃、 國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃， 2013AA122402)及上海市科學技術委員會項目(12DZ2273300)共同資助.

2013-07-16收到初稿， 2013-09-07決定采用修改稿.

e-mail: xieyibingaige@163.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.008

P352

A

謝益炳, 伍吉倉, 陳俊平, 徐克科, 彭遙. 2014. 蘆山MS7.0地震前后電離層電子含量擾動分析. 地震學報, 36(1): 95--105.

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