朱軍桃,趙苗興,龔朝飛,王 雷

(桂林理工大學(xué) 測(cè)繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541006)

地震具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、防御難度大且社會(huì)影響深遠(yuǎn)等特點(diǎn),嚴(yán)重危害人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)(http://www.ceic.ac.cn)統(tǒng)計(jì),2016年9月至今,在世界范圍內(nèi)超過(guò)6.0級(jí)的地震有198起,造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失讓人們難以承受。由于地震產(chǎn)生原因復(fù)雜,影響因素眾多,地震預(yù)報(bào)特別是短臨預(yù)報(bào)目前仍然處于探索階段[1]。1964年美國(guó)阿拉斯加大地震時(shí),Leonard等[2]首次發(fā)現(xiàn)電離層擾動(dòng)與地震之間存在某些聯(lián)系,從此拉開了震前電離層異常擾動(dòng)研究的序幕;Pulinets等[3-4]提出了利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào),統(tǒng)計(jì)分析了10年的地震電離層數(shù)據(jù),確認(rèn)電離層在地震前后有顯著的異?，F(xiàn)象;林劍等[5]利用GPS數(shù)據(jù)研究了汶川地震前后電離層的異常擾動(dòng),發(fā)現(xiàn)地震前后一周,孕震區(qū)上空連續(xù)出現(xiàn)電離層異常擾動(dòng),異常形態(tài)具有共軛結(jié)構(gòu),且呈現(xiàn)向赤道漂移趨勢(shì);童楊津等[6]采用滑動(dòng)四分位法發(fā)現(xiàn)墨西哥M7.2地震前電離層TEC出現(xiàn)正異?，F(xiàn)象;楊力等[7]采用滑動(dòng)時(shí)窗法和相關(guān)性分析法研究了日本九州島地震震前電離層異常變化。隨著電離層探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,孕震區(qū)電離層異常擾動(dòng)成了當(dāng)前地震預(yù)報(bào)的熱點(diǎn)之一。除了傳統(tǒng)的電離層異常分析方法外,姚宜斌等[8]提出了一種基于奇異譜分析的電離層異常探測(cè)方法,結(jié)合三維層析發(fā)現(xiàn)2015年尼泊爾地震前出現(xiàn)大范圍電離層正異常,異常隨高度變化規(guī)律與電離層電子密度垂直分布規(guī)律相一致;張小紅等[9]提出一種利用時(shí)間序列法(ARIMA模型)進(jìn)行震前電離層異常探測(cè)的新方法,發(fā)現(xiàn)時(shí)間序列法預(yù)測(cè)背景值的精度要明顯高于傳統(tǒng)方法,且預(yù)報(bào)背景值的平均偏差要比傳統(tǒng)方法小2倍左右;黃海莎等[10]介紹了震前電離層TEC異常探測(cè)原理的研究進(jìn)展和主要的異常探測(cè)方法,總結(jié)了時(shí)間序列法、Kalman濾波和小波變換在地震電離層異常分析中的應(yīng)用, 為研究震前電離層異常擾動(dòng)提供了新的思路; 楊可可等[11]利用IGS數(shù)據(jù)分析中心提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),用雙線性插值法和滑動(dòng)四分位法對(duì)日本九州島地震上空電離層變化特性進(jìn)行分析,探討地震對(duì)電離層變化情況的影響。

2017-08-08T21:19:46(年積日220 d, 協(xié)調(diào)世界時(shí)UT 13:19:46)九寨溝(33.20°N, 103.82°E)發(fā)生MS7.0級(jí)地震,震源深度20 km,造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失。本文以此次地震為背景,利用GIM數(shù)據(jù)分析地震前后電離層異常擾動(dòng),充分考慮太陽(yáng)活動(dòng)、地磁變化等因素，分析電離層異常與地震的關(guān)聯(lián)性。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文采用CODE(The Center for Orbit Determination in Europe)提供的GIM(global ionosphere maps)數(shù)據(jù)(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/)進(jìn)行電離層異常研究, 該數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h, 空間分辨率為2.5°×5°, 單位為TECU(1 TECU=1016個(gè)電子/m2)。CODE位于瑞士伯尼爾大學(xué), 是IGS(International GNSS Service)的7個(gè)分析中心之一, 其發(fā)布的GIM數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的插值及平滑處理,過(guò)濾掉了小范圍的電離層擾動(dòng),非常適合研究全球大尺度的震前電離層異常擾動(dòng)。本次九寨溝地震震級(jí)高、強(qiáng)度大,根據(jù)以往的研究成果分析，其很可能引起了大尺度的電離層擾動(dòng)。在CODE制作GIM的過(guò)程中,使用了武漢、拉薩、烏魯木齊、昆明、上海等GPS觀測(cè)站的數(shù)據(jù),因此可以采用CODE的GIM數(shù)據(jù)分析九寨溝地震期間的電離層異常擾動(dòng)現(xiàn)象。在日地環(huán)境方面,本文采用中科院空間環(huán)境研究預(yù)報(bào)中心(space environment prediction center, SEPC)發(fā)布的赤道地區(qū)地磁活動(dòng)指數(shù)(Dst)、 全球地磁活動(dòng)指數(shù)(Kp)和10.7 cm射電流量(F10.7)( http://www.sepc.ac.cn/)反映太陽(yáng)活動(dòng)和地磁變化情況。

在異常檢測(cè)之前,采用“db4”正交小波和軟閾值函數(shù)對(duì)GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值去噪處理,去噪的原理及具體過(guò)程見文獻(xiàn)[12-13]。小波閾值去噪可以很好地保護(hù)有用的信號(hào)尖峰和突變信號(hào),并且有效去除暫態(tài)信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)引起的噪聲。經(jīng)小波閾值去噪后,有效地去除了地震異常檢測(cè)中的噪聲干擾。

本文采用滑動(dòng)四分位法[14-15]進(jìn)行震前電離層的異常檢測(cè)。在時(shí)窗長(zhǎng)度的選取方面,考慮到TEC變化具有季節(jié)效應(yīng),時(shí)窗長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng),且本文主要研究震前的電離層TEC異?，F(xiàn)象,因此時(shí)窗長(zhǎng)度選擇15天。選取年積日第205～223天共19 d的TEC數(shù)據(jù)作為待檢測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包含震前15天和震后3天,滑動(dòng)四分位法檢測(cè)TEC異常的具體過(guò)程如下:

將某一時(shí)刻待測(cè)數(shù)據(jù)及其前15天同一時(shí)刻數(shù)據(jù)按升序排列,得到I1、I2、 …、I16, 計(jì)算其四分位數(shù)Q1、Q2、Q3[11]

(1)

四分位(IQR)為

IQR=Q3-Q1,

(2)

該時(shí)刻TEC上限UP和下限LOW可表示為

(3)

其中k為倍常數(shù), 決定篩選異常的閾值范圍。本文k值取1.5,即取1.5倍的IQR作為異常篩選的上下限。 假設(shè)待檢測(cè)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布, UP和LOW用均值(μ)和標(biāo)準(zhǔn)差(δ)可表示為μ±2δ,即與平均值的偏差超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差的值被認(rèn)定為異常值,置信度為95%[16]。若某一時(shí)刻待檢測(cè)數(shù)據(jù)高于上限或低于下限,則表明該時(shí)刻TEC出現(xiàn)正異?；蜇?fù)異常。

2 電離層異常擾動(dòng)分析

2.1 日地環(huán)境分析

太陽(yáng)活動(dòng)、地磁變化等諸多因素都會(huì)引起電離層的異常擾動(dòng),因此,在研究地震與電離層異常的關(guān)系時(shí)首先要分析孕震區(qū)地震前后日地環(huán)境變化。本文采用滑動(dòng)四分位法對(duì)年積日第205～223天的Dst、Kp和F10.7進(jìn)行了異常檢測(cè)(倍常數(shù)k=1.5),Dst、Kp、F10.7變化情況及異常檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 Dst、Kp、F10.7變化情況(a)及異常探測(cè)結(jié)果(b)Fig.1 Variation(a) and abnormal detection results(b) of Dst,Kp,F10.7 index

結(jié)果顯示,年積日第216天Dst和Kp均出現(xiàn)正異?，F(xiàn)象,說(shuō)明該日地磁活動(dòng)強(qiáng)烈且存在磁暴現(xiàn)象,若該日出現(xiàn)電離層TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象需要特別關(guān)注。除年積日第216天以外,此次地震前后太陽(yáng)及地磁活動(dòng)平靜,日地環(huán)境平穩(wěn)。

2.2 TEC時(shí)間序列異常分析

本文選取震中(33.20°N, 10.3.82°E)作為檢測(cè)點(diǎn), 震中TEC采用雙線性插值法內(nèi)插獲得。 同時(shí), 選取同一緯度的點(diǎn)A(32.5°N, 100°E)和點(diǎn)B(32.5°N, 110°E)、 同一經(jīng)度的點(diǎn)C(35°N, 105°E)和點(diǎn)D(30°N, 105°E)作為參考點(diǎn), 如圖2所示,

圖2 地震信息分布Fig.2 Seismic information distribution

孕震區(qū)半徑由公式R=100.43M計(jì)算得出(R為半徑,M為震級(jí))。利用滑動(dòng)四分位法對(duì)震中及各參考點(diǎn)TEC時(shí)間序列進(jìn)行檢測(cè), 并繪制異常分布圖, 結(jié)果如圖3、 圖4所示, 其中黑色縱線為震發(fā)時(shí)刻。

圖3 震中TEC時(shí)間序列及異常分布異常Fig.3 Epicenter TEC time series and anomaly distribution

震中在年積日第216和218天檢測(cè)到TEC正異常現(xiàn)象, 異常持續(xù)時(shí)間分別為7和5 h, 異常時(shí)刻集中在(UT)00:00—08:00, 即當(dāng)?shù)貢r(shí)間(LT)08:00—16:00, 其中, 第216天異常峰值為2 TECU, 第218天異常峰值較大, 達(dá)6 TECU。 在年積日第208天, 震中檢測(cè)到TEC負(fù)異常現(xiàn)象, 異常值為-2 TECU, 異常時(shí)刻為(UT)23:00, 即當(dāng)?shù)貢r(shí)間(LT)次日的07:00。 整體來(lái)看, 震中在震前有2天出現(xiàn)TEC正異常, 有1天出現(xiàn)TEC負(fù)異常, 正異?？倳r(shí)長(zhǎng)為12 h, 負(fù)異?？倳r(shí)長(zhǎng)為1 h; 震后未發(fā)現(xiàn)TEC異?，F(xiàn)象。

分析圖4,參考點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果與震中存在高度的一致性。年積日第218天,參考點(diǎn)A和參考點(diǎn)D發(fā)現(xiàn)的TEC正異常規(guī)模大于其他檢測(cè)點(diǎn); 年積日第216天, 震中和參考點(diǎn)C發(fā)現(xiàn)的TEC正異常峰值較大; 年積日第208天, 參考點(diǎn)C發(fā)現(xiàn)的TEC負(fù)異常達(dá)-4 TECU,參考點(diǎn)A和參考點(diǎn)D負(fù)異常只有-0.1 TECU左右。因此,震前出現(xiàn)的TEC異常區(qū)域不垂直對(duì)應(yīng)震中地區(qū)。

圖4 參考點(diǎn)TEC時(shí)間序列及異常分布Fig.4 TEC time series and anomaly distribution of reference point

綜上所述, 孕震區(qū)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間2017年7月28日(年積日第208天)、 8月4日(年積日第216天)和8月6日(年積日第218天)檢測(cè)到TEC異?，F(xiàn)象,這些異?，F(xiàn)象是否由孕震引起還需結(jié)合日地環(huán)境和異?？臻g分布進(jìn)一步分析。

2.3 全球TEC異常分析

利用滑動(dòng)四分位法只能進(jìn)行單點(diǎn)的TEC異常檢測(cè),不能確定異常的形態(tài)與分布。為了進(jìn)一步判斷電離層異常與九寨溝地震的相關(guān)性,本文對(duì)GIM數(shù)據(jù)的每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行異常檢測(cè),并制得當(dāng)?shù)貢r(shí)間2017年7月28日、8月4日和8月6日的全球TEC異常分布圖,如圖5—7所示,其中“★”表示震中,圓圈代表孕震區(qū),橫線代表赤道。

圖5給出了2017年7月28日間隔2 h的全球TEC異常分布,可以看出,該日全球TEC異常主要為負(fù)異常且集中在赤道附近(15°S—15°N),并沿赤道自東向西移動(dòng),該現(xiàn)象屬于赤道異常,與孕震關(guān)系不大。孕震區(qū)周圍在LT06:00開始出現(xiàn)TEC負(fù)異常, 異常位于孕震區(qū)西南方向, 隨后異常逐漸擴(kuò)大、 向西移動(dòng)并靠近赤道, 至LT10:00異常消失, 負(fù)異常最大約-2 TECU。 結(jié)合該日日地環(huán)境平穩(wěn),且其他區(qū)域未出現(xiàn)類似現(xiàn)象,因此,該日孕震區(qū)周圍出現(xiàn)的電離層TEC負(fù)異常現(xiàn)象可能是孕育地震引起,異常區(qū)域沒(méi)有垂直對(duì)應(yīng)于震中,而是位于震中的西南方向并逐漸向赤道漂移。

圖5 2017年7月28日全球TEC異常分布圖Fig.5 Global TEC anomaly maps on July 28,2017

圖6給出了2017年8月4日間隔2 h的全球TEC異常分布圖, 該日全球出現(xiàn)大范圍的TEC正異常現(xiàn)象,異常在全球范圍內(nèi)呈帶狀分布,南半球異常的規(guī)模、幅度及持續(xù)時(shí)間均大于北半球。結(jié)合前文對(duì)日地環(huán)境的分析,該日地磁活動(dòng)強(qiáng)烈且存在磁暴現(xiàn)象,因此,該日電離層TEC正異常現(xiàn)象可能是地磁擾動(dòng)引起。雖然孕震區(qū)域也出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)8 h的TEC正異常,但是該異?，F(xiàn)象是全球性的,在其他區(qū)域也有出現(xiàn),并不能作為地震前兆。

圖6 2017年8月4日全球TEC異常分布圖Fig.6 Global TEC anomaly maps on August 4,2017

圖7給出了2017年8月6日間隔2 h的全球TEC異常分布圖。除了赤道異常以外,北半球只有孕震區(qū)周圍在該日出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的TEC正異?，F(xiàn)象,異常從LT04:00持續(xù)到LT14:00,最大異常值達(dá)10 TECU,最大異常出現(xiàn)在LT14:00,位于震中西南方,異常區(qū)域由震中的東北方逐漸向西南方移動(dòng),表現(xiàn)出向赤道漂移的趨勢(shì)。同時(shí),孕震區(qū)對(duì)應(yīng)的赤道共軛區(qū)內(nèi)也發(fā)現(xiàn)明顯的TEC正異?，F(xiàn)象,赤道共軛區(qū)的異常范圍大于孕震區(qū)的異常范圍,異常區(qū)域也表現(xiàn)出向赤道漂移的趨勢(shì)?？紤]到該日日地環(huán)境平穩(wěn),所以孕震區(qū)周圍出現(xiàn)的電離層TEC正異?，F(xiàn)象可能是孕育地震引起,異常區(qū)域及異常峰值沒(méi)有垂直對(duì)應(yīng)于震中,異常區(qū)域自東北方向穿過(guò)震中逐漸向赤道漂移且具有共軛結(jié)構(gòu)。

圖7 2017年8月6日全球TEC異常分布圖Fig.7 Global TEC anomaly maps on August 6,2017

3 結(jié) 論

本文基于CODE提供的GIM數(shù)據(jù), 采用滑動(dòng)四分位法作為異常檢測(cè)方法, 分析了2017年8月8日九寨溝MS7.0級(jí)地震前后電離層的異常情況。 通過(guò)對(duì)震中及周圍4個(gè)參考點(diǎn)TEC時(shí)間序列的異常檢測(cè), 發(fā)現(xiàn)地震孕育區(qū)內(nèi), 2017年7月28日出現(xiàn)電離層TEC負(fù)異?，F(xiàn)象, 2017年8月4日和8月6日出現(xiàn)電離層TEC正異?，F(xiàn)象。 結(jié)合日地環(huán)境和全球TEC異常分布進(jìn)一步分析后得出: 2017年7月28日出現(xiàn)的電離層TEC負(fù)異?，F(xiàn)象和8月6日出現(xiàn)的電離層TEC正異?，F(xiàn)象可能是本次地震的前兆,其中7月28日異常出現(xiàn)在LT06:00—10:00, 異常區(qū)域沒(méi)有垂直對(duì)應(yīng)于震中, 而是位于震中的西南方向并逐漸向赤道漂移, 8月6日異常出現(xiàn)在LT04:00—14:00,異常區(qū)域沒(méi)有垂直對(duì)應(yīng)于震中,異常區(qū)域自東北方向穿過(guò)震中逐漸向赤道漂移且具有共軛結(jié)構(gòu);而2017年8月4日出現(xiàn)的電離層TEC正異常現(xiàn)象可能是由地磁擾動(dòng)引起。

地震電離層異常的耦合機(jī)制是個(gè)非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程,目前,還沒(méi)有很好的物理模型對(duì)其進(jìn)行解釋。現(xiàn)階段地震電離層異常擾動(dòng)的研究仍處于探索階段,要將震前電離層異常擾動(dòng)做為地震預(yù)報(bào)的一種手段還有許多問(wèn)題亟待解決。本文的研究成果再次證明了強(qiáng)震前確實(shí)存在電離層異常擾動(dòng),為研究地震電離層異常的耦合機(jī)制提供了參考和依據(jù)。