李 旺，郭金運,2，于學(xué)敏，于紅娟

(1.山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.海島(礁)測繪技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

0 引 言

地震是地殼快速釋放能量過程中產(chǎn)生的震動，常常造成嚴(yán)重人員傷亡，能引起火災(zāi)、水災(zāi)、海嘯、滑坡等自然災(zāi)害，對人類生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅。由于地震產(chǎn)生機(jī)制的復(fù)雜性，地震預(yù)報一直是全球性的難題，目前對于地震預(yù)報的研究仍處于探索階段。研究結(jié)果表明，地震不僅能對地球表面造成影響，而且能使大氣及電離層產(chǎn)生異常[1-2]。隨著衛(wèi)星技術(shù)的日益成熟，利用高精度的電離層觀測資料來進(jìn)行震前電離層異常分析成為現(xiàn)實。

目前研究結(jié)果表明：一般在震級大于5級的地震發(fā)生之前的幾小時到幾天之內(nèi)，震中附近區(qū)域電離層會有較為明顯的擾動現(xiàn)象[3]，因此利用電離層的異常變化來進(jìn)行地震研究是一種有效的方法。然而影響電離層擾動的因素很多，比如太陽活動、地磁場的變化等都會使電離層產(chǎn)生擾動現(xiàn)象，正確及時的把地震前兆信息從電離層擾動現(xiàn)象中提取出來是利用該方法的核心問題[4],對此科研工作者進(jìn)行了大量的試驗，Leonard 和Barnes研究1964年阿拉斯加大地震時發(fā)現(xiàn)有電離層擾動現(xiàn)象[5]，Liperovsky等對1985-1990年的地震研究發(fā)現(xiàn)，太陽活動強(qiáng)烈的年份ES層擾動次數(shù)明顯比其他年份少，并且震前三天ES層擾動次數(shù)明顯增加，震級大于5.5的地震前有擾動現(xiàn)象的機(jī)率大于95%[6]。Liu等對1994-1999年間臺灣地區(qū)M6.0級以上的地震研究發(fā)現(xiàn)，震前1～6天，當(dāng)?shù)貢r間12∶00-17∶00電離層f0F2相對其15天中值有較明顯的下降，并將此現(xiàn)象作為地震前兆來預(yù)報地震[7]。進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行地震監(jiān)測成為主流，吳云等對亞洲三次大地震TEC變化的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，臨震前10天內(nèi)，孕震區(qū)域上空TEC均發(fā)現(xiàn)了明顯的異常擾動[8]，姚宜斌等對2010年全球7次M7.0以上地震研究發(fā)現(xiàn)，7次地震中有5次發(fā)生了顯著的電離層異常，并且震前電離層正負(fù)異常均有可能發(fā)生，對應(yīng)的磁共軛區(qū)也有異常出現(xiàn)，但是概率和幅值均低于震中附近區(qū)域[9]。Lin等運用非線性主成分分析發(fā)現(xiàn)汶川地震前TEC異常擾動確實存在，且峰值點在UT 02∶00-UT 04∶00之間[10]，Tsugawa等對2011年3月11日東日本大地震研究發(fā)現(xiàn)震后幾分鐘內(nèi)，震區(qū)電離層有短時異常擾動，異常區(qū)域中心在震中東南170 km處[11]，Mullayarov等對東日本大地震的研究表明震前3天確實有地震造成的異常擾動產(chǎn)生，同時震前12～14天也有可能異常產(chǎn)生[12]。以上大多研究單個地震前的TEC擾動，且其背景值的選取具有隨意性，本文利用CODE提供的TEC數(shù)據(jù)，分析了同緯度帶上2008年5月12日四川汶川地震和2011年3月11日日本大地震前TEC的變化情況，比較兩次地震前TEC異常的共同點及不同之處，并根據(jù)電離層的變化特征，合理的選取背景值，在排除其他可能造成TEC擾動的因素外，提取震前TEC異常擾動信息。

1 數(shù)據(jù)情況

本文采用歐洲定軌中心(CODE)提供的全球電離層TEC資料(數(shù)據(jù)來源網(wǎng)站：ftp://ftp.unibe.ch/aiub)，CODE位于瑞士伯爾尼大學(xué)天文學(xué)研究所里面，是IGS的7個分析中心之一。自1998年4月1日開始，CODE利用分布全球跟蹤站的雙頻GPS接收機(jī)的碼和相位觀測資料，解算得到TEC，目前CODE提供的全球電離層TEC地圖數(shù)據(jù)(GIM),空間分辨率為5°(經(jīng)度)×2.5°(緯度)，時間分辨率為2 h，對全球每個網(wǎng)格點TEC進(jìn)行異常探測，TEC是信號傳播路徑上電子密度的線積分，表示該方向上電離層電子總數(shù)量，是研究全球電離層大尺度方向上變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13-14]，地磁和太陽活動數(shù)據(jù)分別采用中科院空間中心提供的赤道地區(qū)地磁活動指數(shù)Dst、全球地磁活動指數(shù)Kp和F10.7太陽輻射流量(網(wǎng)址：http://159.226.22.201:9010/Portal/)赤道地區(qū)地磁活動指數(shù)Dst主要用來表征中低緯地區(qū)地磁活動的狀態(tài)，數(shù)據(jù)分辨率為1 h，可以描述環(huán)電流擾動場DR的強(qiáng)度，地磁平靜狀態(tài)下Dst指數(shù)一般為-20 nT～20 nT，全球地磁活動指數(shù)Kp用來描述每個3 h內(nèi)地磁擾動強(qiáng)度的指數(shù)，共分9個等級，地磁平靜狀態(tài)下Kp指數(shù)一般小于3，F(xiàn)10.7太陽輻射流量是和太陽黑子一樣用來表述太陽活動強(qiáng)弱的常用指標(biāo)，F(xiàn)10.7是指波長10.7公分的無線電波，接近被觀察的太陽電波的輻射位置。其擴(kuò)散度來自于日冕活躍區(qū)被磁場拘束的電漿的輻射熱，能夠良好的表現(xiàn)出太陽活動的強(qiáng)度，通常取值在60～300之間[15]。

2 汶川地震TEC異常擾動檢測

北京時間2008年5月12日14時28分04秒，我國四川省汶川縣(31.01°N，103.40°E)發(fā)生里氏8.0級地震，震源深度14 km，是建國以來影響最大的地震，破壞力極大，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10萬平方公里，造成嚴(yán)重的損失。震前數(shù)天，我國各地電離層觀測站均探測到擾動現(xiàn)象。利用CODE提供的格點數(shù)據(jù)文件，插值求出震中位置(31.0°N,103.4°E)上空的電離層TEC，采用各時段前27天同一時刻的TEC做其背景值，利用滑動四分位法，對震中區(qū)域的電離層進(jìn)行異常探測，探測時間為震前一個月及震后三天，結(jié)果如圖1所示。

由圖1(a)可以看出，震前后F10.7太陽輻射流量并沒有太大的變化，大約在75 SFU左右，這表明，在汶川地震前后的這段時間內(nèi)，太陽活動并沒有顯著的變化，可以排除其造成電離層的異常擾動的可能；1(b)顯示震前后這段時間，地磁Dst指數(shù)有明顯的變化，在震前29天、26天、23天、7天左右約有-20 nT的負(fù)擾動，而在震前16天左右，Dst指數(shù)變化達(dá)到了約-50 nT,可能發(fā)生了中小等級磁暴，1(c)給出了全球地磁活動指數(shù)Kp指數(shù)的變化，震前26天、10天處Kp指數(shù)約為4，震前19天Kp指數(shù)達(dá)到了6左右，這表明這幾天全球范圍有較弱的地磁活動。與此對應(yīng)的，汶川地區(qū)電離層TEC的變化也與地磁活動有著關(guān)系，圖1(d)給出了汶川電離層TEC的變化曲線和判定TEC是否異常的上下邊界，可以看出，大部分時間內(nèi)，TEC的觀測值都處在上下邊界之內(nèi)，表明此時TEC的變化處在正常范圍內(nèi)，不存在異常擾動，而在某些時刻，淺色的觀測值明顯超過大于上邊界或者小于下邊界，其異常值如1(e)所示，在震前27天、25天、18天、6天、3天附近處有著較小的擾動，擾動范圍在-2～2 TECU之間，而在震前14天附近處有著較大的擾動，其擾動值為-4 TECU左右。這些TEC異常擾動大部分與地磁活動有關(guān)，對比圖1(b)、1(c)和1(e)可以發(fā)現(xiàn)，除了震前3天外，其它時刻TEC異常擾動的前1～2天內(nèi)全球地磁活動都發(fā)生了擾動變化。如震天16天，Dst指數(shù)達(dá)到了-50 nT左右，震前14天，TEC擾動變化達(dá)-4 TECU.震前3天附近，TEC也約有-2～2 TECU的擾動，但其前幾天的地磁及太陽活動都處于非常平穩(wěn)的狀態(tài)(F10.7<80 SFU,Kp≤3，20 nT>Dst>-20 nT)，這可能與孕震期間的地球內(nèi)部變化有關(guān)，為了更直接的觀察此時刻的電離層變化，圖2和圖3分別示出了5月6日(震前6天)和5月9日(震前3天)全球TEC擾動分布結(jié)果。

圖1 2008年4月12日～5月15日期間太陽活動、地磁活動及汶川地區(qū)電離層的信息(a)F10.7太陽射電通量日變化;(b)地磁Dst指數(shù)日變化;(c)地磁Kp指數(shù)日變化;(d)汶川電離層TEC變化曲線; (e)汶川電離層TEC震前后的異常值(橫坐標(biāo)為0的時段表示汶川地震的當(dāng)天，淺線表示地震發(fā)生的時刻)

如圖2所示，異常大約從UTC6時開始出現(xiàn)，異常值比較小，最大異常值約-3.5 TECU；UTC8時，異常峰值的范圍和幅度達(dá)到了最大值，異常的范圍位于110°～130°E，15°～25°N，異常最大值位于118°E，23°N，出現(xiàn)在汶川東南的中國東南地區(qū)，最大異常值達(dá)到了-6 TECU，同時震中的磁赤道共軛區(qū)也出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，磁赤道共軛區(qū)的異常范圍比較小，出現(xiàn)在印尼的巴厘島附近海域，大約在115°～125°E，5°～15°S，且峰值較小，最大峰值約為-4 TECU；UTC10時，異常區(qū)域開始減小，且異常區(qū)域向西緩慢移動，最大異常峰值為-5 TECU，同時對應(yīng)的磁赤道共軛區(qū)的異?，F(xiàn)象消失；至UTC12時，震中附近的異常區(qū)域基本消失，異常位置靠近震中偏向赤道方向，異常持續(xù)時間約為6 h左右，同時在全球的其它地方也出現(xiàn)局部擾動，例如巴倫支海、印度半島南部海域和墨西哥地區(qū)出現(xiàn)增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度約為2.5 TECU，加大拿東部海域和澳大利亞南部海域出現(xiàn)減小現(xiàn)象，幅度約為-3 TECU.

如圖3所示，UTC 8時，汶川以東區(qū)域出現(xiàn)局部異常，范圍較小，大致在115°～130°E，25°～35°N，最大異常峰值為3 TECU,此后異常逐漸增大，并緩慢向西移動；UTC10時，異常峰值的范圍和幅度達(dá)到最大值，范圍在90°～135°E，20°～35°N之間，覆蓋中國南部及東海大部分區(qū)域，異常值在110°E，27°N處，最大峰值達(dá)到9 TECU，同時在震中的磁赤道共軛區(qū)也出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，范圍較小，大致在105°～120°E,5°～15°S區(qū)域內(nèi)，異常峰值為5 TECU；UTC10時，異常區(qū)域幾乎消失，只有在四川及青藏高原部分地區(qū)有少許異常擾動，異常擾動量也只有2～3 TECU，此時對應(yīng)磁赤道共軛區(qū)的異常擾動也消失；至UTC12時，震中附近區(qū)域電離層異常擾動全部消失。這次擾動大約持續(xù)了6 h，在該擾動時間內(nèi)，全球范圍內(nèi)的電離層狀態(tài)相對平穩(wěn)，只有北半球的局部區(qū)域出現(xiàn)少許增強(qiáng)現(xiàn)象，大約在0～2 TECU之間。

利用CODE提供的數(shù)據(jù)，插值得到汶川上空的TEC時間序列，發(fā)現(xiàn)TEC逐漸變小，但在震前三天突然增強(qiáng)，并且在5月9日UTC10時的時候，中國南部大部分區(qū)域都有顯著的增強(qiáng)，峰值點位于震中區(qū)域東南10°范圍內(nèi)，并且南半球磁力線共軛區(qū)域也出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象，除了該區(qū)域異常擾動，全球范圍內(nèi)沒有其他區(qū)域出現(xiàn)顯著異常，且震前幾天太陽和地磁活動都處于平靜的狀態(tài)，這可能與該區(qū)域震前的電場增加有關(guān)，這有可能是地震之前的預(yù)兆之一。而5月6日8時震中東南區(qū)域出現(xiàn)的減小現(xiàn)象，這可能與地磁場的擾動有關(guān)，因為除了該區(qū)域出現(xiàn)異常外，全球其他地區(qū)也出現(xiàn)了一些或增或減的異常，而且在前一天，Dst指數(shù)出現(xiàn)-20 nT的負(fù)擾動，所以該天電離層TEC減少可能與地磁活動有關(guān)。

圖2 5月6日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 06∶00;(b)UTC 08∶00;(c)UTC 10∶00;(d)UTC12∶00;五角星代表汶川位置

圖3 5月9日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 08∶000;(b)UTC 10∶00;(c)UTC 12∶00;(d)UTC14∶00;五角星代表汶川位置

3 日本3.11大地震TEC異常檢測

2011年3月11日，日本當(dāng)?shù)貢r間14時46分，日本東北部海域發(fā)生里氏9.0級地震并引發(fā)海嘯，地震震中位于宮城縣以東太平洋海域(38.10°N,142.60°E)，震源深度海下10 km.東京有強(qiáng)烈震感，地震引發(fā)的海嘯影響到太平洋沿岸的大部分地區(qū)，這次地震恐為日本有地震記錄以來的最強(qiáng)地震，造成了重大人員傷亡及財產(chǎn)損失。本文通過CODE提供的GIM，插值求出震中區(qū)域的電離層TEC時間序列，以其前27天同時刻的TEC做背景值，通過滑動四分位法進(jìn)行TEC異常探測，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 2011年2月9日-3月14日太陽、地磁活動及震中區(qū)域電離層TEC的信息(a)F10.7太陽射電通量日變化;(b)地磁Dst指數(shù)日變化;(c)地磁Kp指數(shù)日變化;(d)汶川電離層TEC變化曲線;(e)汶川電離層TEC震前及震后的異常值;(橫坐標(biāo)為0的時段表示日本地震的當(dāng)天，淺線表示地震發(fā)生的時刻)

從圖4(a)可以看出，震前一個月內(nèi)，太陽活動比較劇烈，出現(xiàn)兩次小高峰，分別為震前23天和震前3天，震前23天的這次稍弱，F(xiàn)10.7指數(shù)稍弱，約為110 SFU，震前3天(3月8日)的F10.7指數(shù)是東日本大地震前后一個月內(nèi)最強(qiáng)的一天，達(dá)到了164 SFU，有可能對電離層造成一定的擾動，圖4(b)顯示出震前后的這段時間，地磁場變化比較明顯，震前24天、21天、9天及震前1～2天內(nèi)，Dst指數(shù)都有一定的波動，震前9天的Dst指數(shù)達(dá)到了-59 nT，而地震當(dāng)天，Dst指數(shù)更是達(dá)到了-80 nT，同時，Kp指數(shù)也變化明顯，在Dst指數(shù)有較大波動的當(dāng)天，Kp指數(shù)也隨之增強(qiáng)，震前24天、21天、9天及地震當(dāng)天，Kp指數(shù)都超過了5.圖4(d)給出了震前后一個多月的TEC觀測值及判定邊界，從圖4(d)可以看出淺色的觀測值有多處超過了黑色的上邊界及深色的下邊界，其對應(yīng)異常值如圖4(e)所示，震前24天、21天、9天及地震前三天內(nèi)，震中區(qū)域都發(fā)生了較大的增強(qiáng)現(xiàn)象，達(dá)到了5 TECU，對比圖4(b)、圖4(c)發(fā)現(xiàn)，大部分TEC異常的當(dāng)天或前一天都發(fā)生了地磁擾動的現(xiàn)象，只有地震前三天的時候，其當(dāng)天及前幾天的地磁環(huán)境很平穩(wěn)，所以該次增強(qiáng)并不是地磁擾動導(dǎo)致的，而該天的太陽輻射很強(qiáng)，F(xiàn)10.7指數(shù)達(dá)到了164 SFU，所以該日的增強(qiáng)與太陽輻射有一定的關(guān)系，是否和孕震期間地球內(nèi)部變化導(dǎo)致的還需要進(jìn)一步的分析判斷。

圖5示出了3月8日(震前3天)02∶00-16∶00 UTC 2 h間隔的全球VTEC異常分布圖，從圖5可以看出，在UTC 2時的時候，全球呈現(xiàn)著多處異常擾動，大部分分布在北美洲、大西洋中部及印度洋等地，擾動量約為3～5 TECU，震中地區(qū)沒有異?，F(xiàn)象，UTC 4時，全球TEC的擾動范圍略有減小，震中地區(qū)北部和南部分別出現(xiàn)一條異常擾動帶，范圍較小，主要分布在太平洋中部，擾動范圍在2～5 TECU之間，此后異常逐漸增大，并緩慢向西移動；UTC 6時，震中區(qū)域能看到明顯異常，主要異常區(qū)域分布在震中東南部，異常峰值點位于140°E，30°N，最大異常值達(dá)到21 TECU以上，同時對應(yīng)的磁赤道共軛區(qū)也出現(xiàn)異常，異常范圍略小，異常值約為9～12 TECU之間，此時，全球范圍內(nèi)，大西洋中部，中東地區(qū)，東北亞等地區(qū)也有少量異常擾動，異常值較小，只有2～5 TECU；UTC 8時，異常區(qū)域的范圍及幅度達(dá)到了最大值，此時的異常范圍位于90°～160°E，12.5°～37.5°N，長度大致為3∶1，峰值點向移動到震中的西南部，達(dá)到21 TECU以上，磁赤道共軛區(qū)的異常范圍和幅度也顯著增加，異常范圍在澳大利亞北部海域，峰值點位于135°E，-5°S，幅度達(dá)到21 TECU，此時全球范圍內(nèi)只有歐洲地區(qū)及印度大陸南部海域有稍大的異常擾動，擾動幅度也較??；UTC10時，異常范圍繼續(xù)向西移動，異常幅度明顯減弱，最大異常值為17 TECU，此后異常區(qū)域明顯減弱，至 UTC 16時，震中區(qū)域異常擾動基本消失，此次異常擾動的時間較長，超過了10 h,在此期間，全球范圍內(nèi)其他地區(qū)也發(fā)生了一些異常，但不論異常范圍還是異常幅度和震中區(qū)域的異常比較起來，都不明顯，可以肯定，當(dāng)天全球范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的TEC異常區(qū)域，和該天的強(qiáng)太陽輻射有一定的關(guān)系(該天太陽輻射在震前后一個月內(nèi)最強(qiáng))，但是如果僅是太陽活動引起的電離層異常一般表現(xiàn)為大范圍的異常，且異常幅度分布較均衡，但是此次異常，震中附近區(qū)域的電離層異常幅度達(dá)到21 TECU異常，是其他地區(qū)的4～5倍，且持續(xù)時間較長(在當(dāng)?shù)貢r間晚上也有較強(qiáng)的擾動)，所以可以肯定此次異常不全是空間環(huán)境所致，可以進(jìn)一步確認(rèn)3月8日發(fā)生的電離層異常與東日本大地震有一定的相關(guān)性。

圖5 3月8日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 02∶00; (b)UTC 04∶00;(c)UTC 06∶00;(d)UTC 08∶00;(e)UTC 10∶00;(f)UTC 12∶00;(g)UTC 14∶00;(h)UTC 16∶00；五角星為震中位置

4 結(jié)束語

采用CODE提供的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，通過插值得到震中區(qū)域震前后一個多月的TEC時間序列，通過滑動四分位法分析了汶川和日本兩次地震前的電離層TEC變化情況，分析結(jié)果表明:震前10天內(nèi)，震中區(qū)域的電離層都不是平靜的，由于地磁和太陽活動都可以引起電離層擾動，因此分析地震前電離層的異常前，需要排除地磁及太陽活動的因素。

通過對兩次大地震分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者的共同點，首先，兩次異常現(xiàn)象都持續(xù)了一定的時間，汶川地震異常持續(xù)了6 h，東日本大地震持續(xù)了10 h；其次，兩次地震前TEC異常區(qū)域中心都不是位于震中正上空，而是從震中的東南方向西移動，最后消失在震中的西南方，總的來說，異常區(qū)峰值點位于震中附近靠近赤道的方向，同時震中對應(yīng)的磁赤道共軛區(qū)都出現(xiàn)了異?，F(xiàn)象；最后，兩次異常的峰值都出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r間的14∶00-18∶00.除了共同點，兩者還有一定的差異，比如東日本大地震異常幅度達(dá)到21 TECU以上，是汶川地震前TEC異常值的2～3倍，這表明異常的幅度和震級的強(qiáng)度具有一定的關(guān)系，這可以為以后震前電離層監(jiān)測提供一定的參考。

致謝:感謝歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM，感謝中科院空間中心提供的地磁和太陽輻射數(shù)據(jù)。

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