夏彩韻，張小濤

（1. 遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2. 中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045）

0 引言

自Davise 等[1]和Leonard 等[2]發(fā)現(xiàn)1964 年美國阿拉斯加8.5 級大地震前數(shù)十小時電子濃度出現(xiàn)顯著擾動現(xiàn)象之后，電離層擾動與地震發(fā)生的關(guān)系成為一個研究領(lǐng)域。近年來，利用電磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)來提取由地震活動引起電離層異常變化的研究受到了地震學界的廣泛關(guān)注。越來越多的研究結(jié)果顯示，地震對地球環(huán)境的影響不僅集中在地球表面，還可能影響到高空大氣和電離層，使得電離層電子濃度等參量出現(xiàn)異常[3-4]。由于我國已于2018 年2 月2 日發(fā)射首個地震電磁衛(wèi)星——張衡一號，其預(yù)定載荷與2004 年法國DEMETER 衛(wèi)星相似，因此，充分利用DEMETER 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，嘗試新的處理方法，以期能夠提取與地震相關(guān)的電離層異常，為地震電離層前兆觀測研究積累更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗是一項很有意義的工作[5-6]。

2008 年5 月12 日汶川Ms8.0 地震是近些年來很受關(guān)注的一次大地震（震級資料來源：http：//www.ceic.ac.cn/）， 一 部 分 學 者 利 用DEMETER 衛(wèi)星觀測資料來對這此次大震進行研究[7-9]，發(fā)現(xiàn)多個電離層參量均出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。越來越多的觀測結(jié)果研究表明，強震前有大量的電磁異常信號被記錄下來，這些異常往往出現(xiàn)在震前幾天或幾小時，顯示了明顯的短臨前兆特征，電磁觀測可能成為實現(xiàn)地震短臨預(yù)報的突破點[7]。然而，大部分地震電離層異?，F(xiàn)象都是瞬時的，僅存在某個軌道很短的時間，而且目前采用的異常提取方法均不能夠很好地消除強背景干擾[10]。

圖像信息方法（Pattern Informatics Method，簡稱PI）通過對DEMETR 衛(wèi)星上觀測數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析處理，能夠把電離層擾動異常的時空過程顯示出來[11-12]。筆者通過對該方法的震例研究做了綜述總結(jié)，發(fā)現(xiàn)其回溯性研究的震例中大部分都在震前一個月左右出現(xiàn)異常，震前10 天左右異常減弱，相對于前人其他方法的研究結(jié)果出現(xiàn)的異常時間一般在震前幾小時至數(shù)天內(nèi)[13]，該方法所得到的結(jié)果很是鼓舞人心，但由于以往震例研究中未考慮電離層本身背景場以及由太陽活動（磁暴）等引起的長趨勢變化的影響，獲得的震例也非常有限，因此對異常特征的描述還不具有普遍性，仍值得繼續(xù)深入研究[14]，為我國發(fā)射的“張衡一號”地震電磁試驗衛(wèi)星的電離層異常信息分析積累更多的經(jīng)驗。

1 改進型圖像信息（MPI）方法

本文是以圖像信息（PI）方法為基本算法，PI方法能夠提取地震活動性時空異常，從理論上講也能夠提取電離層衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。然而，電磁衛(wèi)星資料與地震目錄不同，電離層參數(shù)是離差量很大的參數(shù)，為了從離差量和大量電離層觀測數(shù)據(jù)中提取可能存在的地震前兆異常信息，需要對PI 方法進行改進。本文進一步參考 并改進了武安緒等[11]、尼魯帕爾·買買吐孫[12]對PI方法的改進步驟，其MPI 方法實現(xiàn)過程如下：

（1）將研究區(qū)域網(wǎng)格化，構(gòu)建時間序列Ni（t）（Ni（t）為第i 個網(wǎng)格內(nèi)從t0至t 時刻的地震電離層參量值，本論文研究中為衛(wèi)星觀測量的差異場）。

（2）時間參數(shù)的設(shè)定：背景參考時間段tb～t1、變化時間段t1～t2、預(yù)測時間段t2～t3三個時間段（圖1）。其中，t0為研究資料的起始時刻，tb以Δt 為步長從t0時刻向t1時刻滑動，一般情況下取t2-t1=t3-t2。

圖1 時間參數(shù)定義示意圖Fig.1 Sketch map of temporal parameters

（3）計算“電離層參量強度函數(shù)Ii（tb，t）”在兩個時刻tb和t 之間（其中tb＜t），地震強度函數(shù)Ii（tb，t）定義為：從tb到t 的單位時間內(nèi)網(wǎng)格i 中電離層各參量的觀測值。其表達式為：

（4）將“電離層參量強度函數(shù)Ii（tb，t）”標準化：為了對不同時段的地震強度函數(shù)進行比較，需要這些地震強度函數(shù)具有相同的統(tǒng)計屬性。因此對“地震強度函數(shù)”進行標準化處理。

其中〈Ii（tb，t）〉為所有網(wǎng)格在t 時刻“地震強度函數(shù)”的平均值，σ（tb，t）是所有網(wǎng)格在t 時刻“電離層參量強度函數(shù)”的標準偏差。

（5）利用“電離層參量標準強度”之差判斷電離層參量是否異常：

（6）計算“電離層參量標準強度函數(shù)”的平均變化：

（7）計算每個網(wǎng)格的電離層參量異常信息：

（8）求電離層參量異常的概率增益：

（9）取消PI 方法中閾值取對數(shù)的變換，形成更客觀、連續(xù)的、線性變化的前兆空間演化場，使空間圖像更具有直觀的可對比性。以固定的時間窗長來滑動的方式（具體描述，t0，t1，t2分別加一天，獲得每一個ti-t2時段的PI圖像），形成MPI 時空圖像來描述電離層中各參量的演化過程，以期能夠在電離層強背景場中提取和觀察到可能存在的與地震相關(guān)的異常變化信息。

2 數(shù)據(jù)獲取及處理

法國地震電磁探測衛(wèi)星（Detection of Electro-magnetic EmissionfromEarthquake Regions，簡稱DEMETER 衛(wèi)星），于2004 年6 月29 日發(fā)射，于2010 年末停止運行，在軌期間積累了6年多的電離層觀測資料。衛(wèi)星軌道為極軌近圓形，高度初始為710 km，2005 年12 月之后軌道降至約670km，其主要載荷包括電場探測儀（ICE）、等離子體分析儀（IAP）、感應(yīng)式磁力儀（IMSC）、朗繆爾探針（ISL）以及高能粒子探測儀（IDP）[15]。本文主要采用DEMETER 衛(wèi)星中朗繆爾探針（ISL）探測到的電離層中電子濃度、電子溫度等數(shù)據(jù)來進行提取與地震相關(guān)的電離層擾動異常研究。

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文的數(shù)據(jù)來源于法國DEMETER 衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)中心（URL http：//smsc.cnes.fr/DEMETER/）。分別以三次地震的震中為中心，選取±20°作為震例的研究區(qū)域，并進一步將研究區(qū)域網(wǎng)格化。智利、于田以及汶川3 次強震的地震參數(shù)詳見表1。

表1 本文研究震例

2.2 數(shù)據(jù)處理

由于DEMETER 衛(wèi)星軌道重訪周期為16 天（2008 年5 月之后變?yōu)?3 天），其軌道分為升軌和降軌，升軌是指衛(wèi)星從南緯飛向北緯的軌道，對應(yīng)地方時的夜間，對應(yīng)的磁地方時為MLT～22：30；降軌是指衛(wèi)星從北緯飛向南緯的軌道，對應(yīng)地方時的白天，對應(yīng)的磁地方時為MLT～10：30，每一個升軌和降軌稱之為一個半軌。衛(wèi)星每天運行14 軌，經(jīng)過一個重訪周期軌道后，升軌（降軌）相鄰軌道間距在赤道附近約1.6°，電離層的經(jīng)向尺度遠遠大于緯向尺度。所以為了保證至少有兩個軌道的數(shù)據(jù)，本文在網(wǎng)格尺度上選取2°×5°（緯度×經(jīng)度）。針對每一個網(wǎng)格里的數(shù)據(jù)按照升軌和降軌的時間分別按日求平均，并賦值當天。有些網(wǎng)格內(nèi)數(shù)據(jù)時序仍然不連續(xù)，因此通過MATLAB 軟件中平滑內(nèi)插值方法使每一天都有數(shù)值，最終得到每一個格點的電離層參數(shù)隨時間變化的年變模型?；谛l(wèi)星運行特征，具體網(wǎng)格化時，無值格子的網(wǎng)格或數(shù)據(jù)較少的網(wǎng)格，根據(jù)經(jīng)緯度的年變趨勢進行克里金（Kriging Method）空間插值，其以空間結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)進行估值，建立每一天的電離層空間分布模型。由于電離層本身存在隨時間、空間的背景變化特征[16]，地震前存在的大部分微弱的電離層異常擾動都可能被淹沒在衛(wèi)星軌道運行相關(guān)的強背景場中。因此，為了從離差很大的電磁衛(wèi)星資料中識別和提取存在的微弱地震前兆異常信息，本文在數(shù)據(jù)處理中進一步去除電離層中電子濃度（Ne）、電子溫度（Te）的年變及由太陽活動等引起的長趨勢變化，將得到的殘差值作為MPI 方法的輸入量。以汶川地震為例，圖2（a，b） 為網(wǎng)格（30°～32°N，100°～105°E）夜間電子濃度（Ne）、電子溫度（Te）去除背景場的趨勢變化圖。據(jù)美國太空天氣預(yù)測中心（http：//www.sipc.noaa.gov/index.html）太陽活動周期研究，2006 年至2010 年均屬于太陽活動低年，受太陽活動影響（磁暴等）比較小。大量的探測資料表明，電子濃度（Ne）變化與太陽活動周期性變化呈正相關(guān)性[17]。所以，從圖上可以看出電子濃度在2006—2010 年之間呈逐年降低的趨勢，為了將電子濃度的年變值與長趨勢剔除，從而得到可能由地震引起的變化值。因此，對原始觀測值進行以60 天為滑動步長對其進行平滑處理。將原始值與平滑值（背景值）相減做差值，以得到的殘差值建立差異場來作為MPI 方法的輸入量，進行震例研究，得到電離層中各參量在地震前后的時空演化圖。

圖2 網(wǎng)格（30°～32°N，100°～105°E）電子濃度（a）、電子溫度（b）Fig.2 Electron density（a）and electron temperature（b）were eliminated the ionospheric background changes in grid（30°～32°N，100°～105°E）

3 震例研究與結(jié)果分析

2008 年5 月12 日四川汶川8.0 級地震災(zāi)難給當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全造成了巨大的損失，與此同時，探索與發(fā)展地震預(yù)報方法和手段也引起了人們更大的關(guān)注。本論文以汶川地震為震例，為了分析2008 年5 月12 日汶川8.0級地震前的孕育演化過程，通過MPI 方法計算，得到了震前的空間電離層電子濃度和電子溫度變化時空演化圖，以期獲得可能與地震相關(guān)的異常信息。

從圖3（a，b） 中可以看出電子濃度均表現(xiàn)比較平靜，沒有顯著異常，圖3（c，d）中看出震中附近上空處電子濃度在4 月12 日明顯出現(xiàn)低值異常，并逐漸增強至5 月2 日，隨后逐漸異常趨勢逐漸減弱，震中正南方向高值也開始逐漸降低，直至地震發(fā)生。電子溫度在4月4 日震中上空出現(xiàn)低值異常，持續(xù)增強，直到4 月20 日開始異常減弱，震前10 天趨于平靜。本文從震前更長時間掃描得到的結(jié)果與武安緒等[11]、尼魯帕爾·買買吐孫[18]的震例結(jié)果變化趨勢基本相同，但在震前異常提取上更加明顯突出，出現(xiàn)異常的時間也更易捕捉。，這也從計算語言編寫角度上證明了MPI 方法具有一定的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）本文基于DEMETER 衛(wèi)星觀測的電子濃度（Ne）、電子溫度（Te），利用MPI 方法對其進行處理，探索了2008 年5 月12 日汶川8.0級強震前后電離層中各參量與地震有關(guān)的異?，F(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在震前一個月左右震中上空附近電子濃度、電子溫度均出現(xiàn)不同程度的異常擾動，震前10 天左右減弱并趨于平靜，直到地震發(fā)生。盡管3 個震例MPI 異常的演化圖像有所區(qū)別，但均有一共同特點，即平靜—異常出現(xiàn)—持續(xù)顯著—異常減弱—震前平靜，這與武安緒等[11]、尼魯帕爾·買買吐孫等[12]的研究結(jié)果也是一致的。由于DEMETER 電磁衛(wèi)星觀測的局限性，其重訪周期為16 天，通過改進型圖像信息（MPI）方法處理得到了地震前后至少46 天的連續(xù)的時空演化圖，從而可能進一步觀測到與地震相關(guān)的一個過程。該方法所得到的異常信息相對于其他方法的研究結(jié)果出現(xiàn)的異常在震前幾小時至數(shù)天內(nèi)[13]，這一突出特點使該方法在地震短臨預(yù)報中更具有可操作性。

（2） 雖然目前沒有直接的證據(jù)顯示此次地震前一個月左右出現(xiàn)的異常擾動是由地震孕育所引起的，但在數(shù)據(jù)處理中不僅考慮了電離層中電子濃度（Ne）、電子溫度（Te） 的年變，還進一步剔除了可能有太陽活動引起的長趨勢變化，對電離層各參量進行了剔除年變和長趨勢的處理，所以提取到的異常也較前人更突出、明顯，進一步說明本文數(shù)據(jù)處理的有效性及得到的異常更具真實性。因此，本文研究中在震前所提取到的異常認為是與地震孕育以及震前平靜具有一定的內(nèi)在關(guān)系。當然，對于產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能與巖石破裂前的聲發(fā)射活動出現(xiàn)明顯的相對平靜現(xiàn)象有關(guān)的[19]。

（3）MPI 方法對地震電磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)處理的核心是通過對時間參數(shù)的合理搭配，以期在消除當前數(shù)據(jù)中存在的背景趨勢的同時，又能較好的突出當前時段的短期變化異常信息，所以在對時間參數(shù)T0、T1、T2的選取上，還需要去檢驗更多的震例，以期能夠獲得與地震相關(guān)的變化特征。在今后的研究中，還需要將電離層各參量出現(xiàn)的異常與地面的多種觀測相結(jié)合，如：地下流體、形變等綜合考慮多種異常信息的相關(guān)性。