李　哲　唐　龍　張小紅

1　武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢市珞喻路129號(hào)，430079 2　廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州市外環(huán)西路100號(hào)，510006

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利用GPS TEC探測(cè)2015年尼泊爾地震激發(fā)的電離層擾動(dòng)

李哲1唐龍2張小紅1

1武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，武漢市珞喻路129號(hào)，430079 2廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州市外環(huán)西路100號(hào)，510006

利用尼泊爾周邊區(qū)域6個(gè)IGS GPS跟蹤站數(shù)據(jù)，對(duì)2015-04-25尼泊爾地震激發(fā)的電離層擾動(dòng)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，地震發(fā)生后，尼泊爾上空電離層總電子含量(total electron content，TEC)存在不同頻率的電離層擾動(dòng)，擾動(dòng)中心頻率約為3 mHz和4 mHz。前者發(fā)生在震中附近1 000 km左右的范圍，后者范圍達(dá)2 000 km，推斷其分別為地震破裂產(chǎn)生的聲重波信號(hào)以及瑞利波向上傳播到電離層所激發(fā)的異常擾動(dòng)信號(hào)。聯(lián)合兩個(gè)頻率擾動(dòng)信號(hào)，根據(jù)觀測(cè)的擾動(dòng)位置以及經(jīng)驗(yàn)擾動(dòng)速度反演震中位置，結(jié)果與實(shí)際情況符合較好。

GPS；電離層擾動(dòng)；總電子含量；震中位置

震后電離層中主要存在兩種同震電離層擾動(dòng)：一種為地震破裂產(chǎn)生的較低頻的聲波(或聲重波)信號(hào)，以聲速進(jìn)行傳播[1-3]；另外一種為表面波即瑞利波引發(fā)的較高頻聲波信號(hào)，以瑞利波的速度進(jìn)行傳播[4-6]。不少學(xué)者利用全球不同類(lèi)型的密集GPS網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)震后電離層擾動(dòng)的傳播特征進(jìn)行分析，但對(duì)GPS測(cè)站較少區(qū)域的地震實(shí)例研究不多。本文利用分布在2015年尼泊爾MW8.1地震震中周?chē)膸讉€(gè)IGS跟蹤站觀測(cè)該地震引發(fā)的電離層擾動(dòng)，并根據(jù)擾動(dòng)特征推算震中位置。

1　數(shù)據(jù)處理

無(wú)幾何關(guān)系的雙頻載波相位組合觀測(cè)值與電離層總電子含量(total electron content, TEC)的關(guān)系式為：

(1)

式中，sT為電離層TEC(單位為T(mén)ECu),f1、f2為載波頻率,L1、L2為載波相位觀測(cè)值,const為未知的常量偏差，包括載波相位模糊度以及硬件延遲,ε為測(cè)站噪聲。

為了提取電離層擾動(dòng)序列，需要去除電離層TEC的背景趨勢(shì)項(xiàng)。采用Savitzky-Golay滑動(dòng)濾波進(jìn)行處理[7]：

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可以提取各歷元的擾動(dòng)項(xiàng)，得到最終的擾動(dòng)序列，利用該擾動(dòng)序列可以判斷電離層中是否存在擾動(dòng)。

2　觀測(cè)與分析

距離2015-04-25尼泊爾地震震中相對(duì)較近的IGS跟蹤站有6個(gè)(CHUM、CUSV、HYDE、IISC、LHAZ、POL2)，其中LHAZ站距離震中最近。

圖1為2015-04-25根據(jù)測(cè)站與震中之間的距離由近到遠(yuǎn)繪制的各測(cè)站GPS觀測(cè)值擾動(dòng)序列?？梢钥闯觯诘卣鸢l(fā)生后(紅色實(shí)線為地震發(fā)生時(shí)刻)，距離震中較近的測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV的GPS序列中出現(xiàn)了明顯擾動(dòng)(圖中紅框部分)。

圖2(a)、圖2(c)、圖2(e)分別給出了測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV在UT06:00～07:00觀測(cè)的擾動(dòng)序列，圖2(b)、圖2(d)、圖2(f)為相應(yīng)測(cè)站的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡圖。圖中紅色五角星為震中位置，藍(lán)色菱形為測(cè)站位置，顏色條為UT05:00～08:00衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)軌跡，將序列中擾動(dòng)出現(xiàn)的初始觀測(cè)時(shí)間作為特征點(diǎn)。由圖2(a)可以看出，在測(cè)站LHAZ觀測(cè)衛(wèi)星PRN23、PRN9以及PRN16所得擾動(dòng)序列中，UT06:22、UT06:28和UT06:28分別出現(xiàn)擾動(dòng)，擾動(dòng)位于震中以北，與震中之間的距離分別為574.6 km、639.1 km、663.6 km。從時(shí)間上看，測(cè)站LHAZ先于測(cè)站HYDE和CUSV觀測(cè)到擾動(dòng)，測(cè)站HYDE對(duì)衛(wèi)星PRN16、PRN23和PRN27的觀測(cè)序列中，分別在UT06:29、UT06:29和UT06:30探測(cè)到擾動(dòng)，擾動(dòng)位于震中以南，與震中相距1 165.4 km、1 185.4 km和1 472.2 km；測(cè)站CUSV對(duì)衛(wèi)星PRN23、PRN16和PRN26觀測(cè)序列分別在UT06:31、UT06:34、UT06:34于震中的東方向探測(cè)到擾動(dòng)，與震中之間的距離分別為1 866.1 km、2 136.5 km和2 153.0 km。

圖1　2015-04-25尼泊爾地震震中附近各測(cè)站UT05:00～08:00擾動(dòng)序列Fig.1　Disturbances series of each station in the vicinity of Nepal in Apr 25,2015

圖2　測(cè)站LHAZ、HYDE及CUSV 擾動(dòng)序列及衛(wèi)星軌跡分布Fig.2　Disturbances series and satellite traces of station LHAZ, HYDE and CUSV

圖2的觀測(cè)結(jié)果表明，測(cè)站LHAZ在UT06:22(震后10 min左右)最先探測(cè)到電離層擾動(dòng)，擾動(dòng)出現(xiàn)在震中以北570 km處。隨后，測(cè)站HYDE和CUSV分別在震中以南和以東1 000 km以外區(qū)域探測(cè)到了電離層擾動(dòng)，最遠(yuǎn)可達(dá)2 000 km以上。

為進(jìn)一步探討觀測(cè)到的電離層擾動(dòng)特性，選擇測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV觀測(cè)衛(wèi)星PRN16的擾動(dòng)序列的頻率進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可以得出，測(cè)站LHAZ的中心頻率為3.2 mHz，測(cè)站HYDE對(duì)應(yīng)的中心頻率有兩個(gè)，分別為3.9 mHz和3.2 mHz，測(cè)站CUSV對(duì)應(yīng)的中心頻率為3.9 mHz。根據(jù)頻率分析可認(rèn)為，存在兩種不同類(lèi)型的擾動(dòng)信號(hào)。由圖3中心頻率對(duì)應(yīng)的時(shí)間可得，3.2 mHz擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星PRN16電離層穿刺點(diǎn)和震中的距離分別為650 km和1 100 km，分別在震中以北方向和以南方向；3.9 mHz擾動(dòng)對(duì)應(yīng)的電離層穿刺點(diǎn)分別在震中以南1 180 km和震中以東2 130 km處。由于地震破裂產(chǎn)生的較低頻聲波(或聲重波)信號(hào)傳播距離有限(一般在1 000 km以內(nèi))，而瑞利波引發(fā)的較高頻聲波信號(hào)傳播距離可達(dá)2 000 km以上[8]，因此，判斷頻率為3.2 mHz的擾動(dòng)信號(hào)可能為地震破裂聲波引起，而3.9 mHz擾動(dòng)信號(hào)可能為瑞利波信號(hào)。

圖3　測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV擾動(dòng)序列及其時(shí)頻圖Fig.3　Disturbances series and time-frequency graph of station LHAZ, HYDE and CUSV

為了對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)觀測(cè)的電離層擾動(dòng)位置以及經(jīng)驗(yàn)傳播速度反推震中位置。圖4給出了測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV觀測(cè)的電離層擾動(dòng)位置分布，圖中紅色五角星為實(shí)際震中位置，藍(lán)色圓點(diǎn)為測(cè)站位置，彩色弧線為各測(cè)站觀測(cè)的衛(wèi)星軌跡，“×”為出現(xiàn)擾動(dòng)的位置。

圖4　測(cè)站LHAZ、HYDE和CUSV觀測(cè)的電離層擾動(dòng)位置分布Fig.4　Distribution of disturbances observed by station LHAZ, HYDE and CUSV

地震破裂產(chǎn)生的聲波以震中為圓心沿各個(gè)方向傳播[5]，可近似認(rèn)為聲波從地面?zhèn)鞑サ诫婋x層的軌跡為直線(圖5中綠色虛線)，則地震破裂聲波傳播公式為：

(r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi)))2+

(4)

圖5　擾動(dòng)傳播示意圖Fig.5　Diagram of disturbances propagation

瑞利波引發(fā)的電離層擾動(dòng)傳播速度與瑞利波相同，但其激發(fā)的聲波從地表傳播到電離層高度(基本上沿垂直方向[6])需要一定的時(shí)長(zhǎng)(如圖5中藍(lán)色虛線所示)：

r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi))=

(5)

式中，vR為瑞利波的傳播速度。

為剔除可能的周期性電離層擾動(dòng)，對(duì)比這3個(gè)測(cè)站04-24～26觀測(cè)到的部分衛(wèi)星的擾動(dòng)序列(圖6)。通過(guò)對(duì)比3 d的幾組GPS時(shí)間序列可以看出，在04-25 UT06:00～07:00的擾動(dòng)序列中有明顯的電離層擾動(dòng)，而地震前后2 d擾動(dòng)不明顯。這進(jìn)一步證明，04-25 UT06:00～07:00電離層中出現(xiàn)的擾動(dòng)并非為電離層自身周期性日變化，而是由地震引起的。

圖6　測(cè)站LHAZ、HYDE及CUSV擾動(dòng)序列Fig.6　Disturbances series of station LHAZ, HYDE and CUSV

3　結(jié)　語(yǔ)

本文利用尼泊爾地震震中周邊6個(gè)IGS跟蹤站GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)2015-04-25尼泊爾地震引發(fā)的電離層擾動(dòng)進(jìn)行初步分析。結(jié)果表明，地震發(fā)生后，尼泊爾上空電離層存在地震破裂產(chǎn)生的聲重波信號(hào)以及瑞利波信號(hào)。前者頻率約為3 mHz，傾斜向上傳播至電離層高度，出現(xiàn)在距震中約1 000 km以內(nèi)；瑞利波信號(hào)頻率約為4 mHz，激發(fā)垂直向上傳播的聲波到達(dá)電離層高度后，再以瑞利波速度沿水平方向傳播，傳播距離較遠(yuǎn)，在距震中2 000 km處仍可觀測(cè)到信號(hào)。

本文根據(jù)觀測(cè)的電離層擾動(dòng)位置以及經(jīng)驗(yàn)的傳播速度反推的震中位置，與實(shí)際震中位置符合較好，證明了觀測(cè)結(jié)果的可靠性。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比地震前后2 d的GPS時(shí)間序列，排除了電離層自身周期性變化的影響。本文計(jì)算結(jié)果表明，利用少量的GPS觀測(cè)站也可以探測(cè)地震引發(fā)的電離層擾動(dòng)信號(hào)，這對(duì)于測(cè)站較少的地區(qū)進(jìn)行地震電離層研究具有重要意義。

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disturbances with different frequencies (3 mHz and 4 mHz) above the Nepal area after the earthquake. We deduce that the disturbances with a frequency of 3 mHz within 1 000 km are generated by AGW(acoustic gravity wave) produced by vertical motions of the earth’s surface, and the disturbances with a frequency of 4 mHz, which can reach over 2 000 km, are caused by the Raleigh wave’s upward propagation. Furthermore, we invert the epicenter in the light of the observed disturbance location and empirical disturbance velocities, combining the two kinds of disturbance signals to validate our results. The inverted epicenter accords well with the real position.

Foundation support:Special Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China, No. 20130141110001;Basic Research Fund of Geomatics of Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education,No.15-01-07.

About the first author:LI Zhe, postgraduate,majors in ionosphere disturbances and GNSS application in geosciences,E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn.

Ionospheric Disturbances Triggered by 2015 Nepal Earthquake Detected by GPS TEC

LIZhe1TANGLong2ZHANGXiaohong1

1School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, 129 Luoyu Road,Wuhan 430079,China 2School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology,100 West-Waihuan Road,Guangzhou 510006,China

This paper analyses the ionospheric disturbances triggered by the 25 April 2015 Nepal earthquake, using data from 6 IGS GPS stations in the Nepal area. The results show that there are ionospheric

GPS; ionospheric disturbances; TEC; epicenter

TANG Long,lecture, majors in GNSS positioning and ionosphere monitoring,E-mail:ltang@whu.edu.cn.

2015-09-17

唐龍，講師，主要研究方向?yàn)镚NSS定位及電離層監(jiān)測(cè),E-mail:ltang@whu.edu.cn。

10.14075/j.jgg.2016.09.002

1671-5942(2016)09-0757-04

P228

A

項(xiàng)目來(lái)源：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20130141110001)；地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)繪基礎(chǔ)研究基金(15-01-07)。第一作者簡(jiǎn)介：李哲，碩士生，主要研究方向?yàn)殡婋x層擾動(dòng)及GNSS地學(xué)應(yīng)用，E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn。