劉 江,王 明,陳 聰,饒?zhí)珖?guó)
(1.四川省地震局,成都 610041;2.四川啟明豪盛軟件科技有限公司,成都 610031)
近年來(lái),地基電離層探測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地震前兆研究[1]。其中,電離層垂直電子濃度總含量(VTEC)是電離層特性的一個(gè)重要參量,對(duì)于電離層監(jiān)測(cè)具有十分重要的意義。而GNSS觀測(cè)由于具有觀測(cè)及時(shí)、覆蓋范圍廣、觀測(cè)精度高、成本低、效率高等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于電離層研究,是監(jiān)測(cè)VTEC實(shí)時(shí)變化的最主要技術(shù)手段之一[2-4]。
隨著地震預(yù)報(bào)需求的日益迫切及電離層探測(cè)水平的不斷提高,地震-電離層預(yù)報(bào)模式逐漸成為地震預(yù)報(bào)新的研究方向。自2018年以來(lái),四川省地震局GNSS中心與中國(guó)地震局地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心合作,快速獲取陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中國(guó)區(qū)域GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)(包含GPS、GLONASS衛(wèi)星信息),解算中國(guó)區(qū)域電離層VTEC[5-7],開展臨震電離層異常擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)和研究。為有效監(jiān)測(cè)全球、中國(guó)區(qū)域電離層異常擾動(dòng)變化,研究震前電離層異常短臨特性,本文設(shè)計(jì)開發(fā)電離層VTEC異常分布產(chǎn)出系統(tǒng)。該軟件可快速產(chǎn)出全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布,自動(dòng)產(chǎn)出結(jié)果延遲1~2 d,同時(shí)對(duì)空間環(huán)境參數(shù)F10.7、Kp、Dst及中國(guó)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)VTEC時(shí)序變化進(jìn)行監(jiān)控,極大地提高了電離層VTEC異常監(jiān)測(cè)能力,進(jìn)一步測(cè)試中國(guó)區(qū)域地震—電離層監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的應(yīng)用效能,嘗試為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供電離層前兆異常判定依據(jù)。
基于Windows 2008/2012操作系統(tǒng),采用C/S架構(gòu)(Client-Server,即客戶端/服務(wù)器模式),C#作為后臺(tái)開發(fā)語(yǔ)言,MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),ArcGIS作為圖片成果產(chǎn)出平臺(tái),通過(guò)分層技術(shù)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和交互性。整體系統(tǒng)框架分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和用戶層五個(gè)層次(見(jiàn)圖1)。其中,基礎(chǔ)層包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件等基礎(chǔ)設(shè)施;數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含屬性數(shù)據(jù)、地圖數(shù)據(jù),業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包含星歷及時(shí)鐘等控制文件、空間環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù);應(yīng)用層為該系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)支撐,包括ArcGIS平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)引擎、數(shù)據(jù)下載等;業(yè)務(wù)層按照系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)劃和需求,實(shí)現(xiàn)所有業(yè)務(wù)功能,包括觀測(cè)數(shù)據(jù)解算、VTEC異常提取、全球VTEC異常分布、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布、空間環(huán)境參數(shù)及格網(wǎng)點(diǎn)VTEC時(shí)序曲線、數(shù)據(jù)查詢等;用戶層面向系統(tǒng)用戶,提供成果查詢、成果展示和成果手動(dòng)產(chǎn)出等功能。
圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System frame structure diagram
系統(tǒng)選取陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中國(guó)區(qū)域70個(gè)均勻分布的GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)(站點(diǎn)分布見(jiàn)圖2),通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)模式采用FTP方式下載各類數(shù)據(jù),選擇球諧函數(shù)作為電離層VTEC的擬合模型,自動(dòng)調(diào)用Bernese數(shù)據(jù)處理軟件,建立中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)模型,解算中國(guó)區(qū)域電離層VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度分辨率1°×1°)。結(jié)合CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),采用滑動(dòng)四分位距法分別提取全球、中國(guó)區(qū)域VTEC異常信息,將全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常信息及空間環(huán)境參數(shù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù),利用ArcGIS平臺(tái)分別產(chǎn)出全球VTEC異常分布、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布、空間環(huán)境參數(shù)及中國(guó)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)VTEC時(shí)序曲線,具體處理流程如下(見(jiàn)圖3)。
圖2 陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)選取站點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution map of selected sites in crustal movement observation network of China
圖3 系統(tǒng)處理流程圖Fig.3 System processing flow diagram
1.3.1 中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)解算
對(duì)于中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)解算,可采用以下方法:利用GPS雙頻接收機(jī)2個(gè)頻率載波相位觀測(cè)值及其加載的偽距碼觀測(cè)值,通過(guò)載波相位平滑偽距觀測(cè)量,形成電離層殘差組合[7],公式如下:
式(1)中:P4為載波相位平滑偽距,c為光速,f1、f2為衛(wèi)星載波頻率,Δbs是衛(wèi)星系統(tǒng)硬件延遲,Δbr是接收機(jī)硬件延遲,TEC為傾斜路徑總電子含量。
采用球諧函數(shù)對(duì)電離層VTEC進(jìn)行建模,數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]:
式(2)中:VTEC(β,s)為垂直總電子含量,nmax為球諧展開的最大階數(shù),β為穿刺點(diǎn)地理緯度,s為日固系中穿刺點(diǎn)經(jīng)度,為n階m次歸一化締合勒讓德函數(shù),anm和bnm為待估計(jì)電離層模型參數(shù)。TEC與VTEC數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]:
式(4)中:F(Z)是電離層投影函數(shù),單層模型高度H取350 km,α為0.978,R為6387 km,Z為衛(wèi)星天頂距。
將式(2)、(3)、(4)代入式(1),形成最終解算方程[7]:
式(5)中:anm,bnm,Δbs,Δbr為待估計(jì)未知量,采用每2 h多項(xiàng)式模型與單日固定值的接收機(jī)硬件延遲和衛(wèi)星硬件延遲共同建立法方程,利用最小二乘求解,解算出每2 h的模型參數(shù)和單日硬件延遲后,便可解算中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)[6]。選擇球諧函數(shù)作為電離層VTEC擬合模型,算法成熟,因此VTEC解算結(jié)果具有較高可信度。
1.3.2 異常檢驗(yàn)方法
選用滑動(dòng)四分位距法提取VTEC異常信息,選取前15 d相同時(shí)刻的觀測(cè)值求取相應(yīng)四分位距(IQR)及中位數(shù)(M),建立上下邊界閾值M±1.5×IQR,當(dāng)同一時(shí)刻觀測(cè)值超出上或下邊界時(shí),該觀測(cè)值視為異常,且高于上邊界為正異常,低于下邊界為負(fù)異常?;瑒?dòng)四分位距法M±1.5×IQR的判斷閾值,約為標(biāo)準(zhǔn)差的2倍,檢測(cè)置信度為95%。
從二維空間分布分析全球及中國(guó)區(qū)域電離層VTEC異常分布,分析VTEC異常的ΔTEC空間分布,計(jì)算方法如下:
其中,ΔTEC為VTEC的擾動(dòng)異常,L1和L2分別為VTEC背景上下邊界閾值,K為待分析時(shí)刻VTEC值。
根據(jù)業(yè)務(wù)需求,該系統(tǒng)分為系統(tǒng)配置、自動(dòng)產(chǎn)出、手動(dòng)產(chǎn)出、數(shù)據(jù)服務(wù)、任務(wù)查詢等5個(gè)主要部分,具體功能模塊如下(見(jiàn)圖4)。
圖4 系統(tǒng)功能圖Fig.4 System function diagram
系統(tǒng)基于Microsoft Visual Studio開發(fā)環(huán)境,C#作為后臺(tái)開發(fā)語(yǔ)言。系統(tǒng)登錄界面(見(jiàn)圖5),輸入用戶名、密碼登錄進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行主界面。主界面分為功能菜單、用戶操作及圖形展示三部分,根據(jù)用戶需求分別展示全球VTEC異常分布(見(jiàn)圖6)、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布(見(jiàn)圖7)。
圖5 系統(tǒng)登錄界面Fig.5 System login interface
功能菜單位于主界面左上側(cè),包含系統(tǒng)配置、手動(dòng)產(chǎn)出、時(shí)序曲線、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)下載、任務(wù)列表等功能。
用戶操作位于功能菜單下方,包含查詢條件和查詢結(jié)果兩部分。其中,查詢條件需要設(shè)置日期、檢驗(yàn)倍數(shù)、滑動(dòng)天數(shù)、產(chǎn)出方式和圖片分類。檢驗(yàn)倍數(shù)為四分位距異常檢驗(yàn)倍數(shù),滑動(dòng)天數(shù)為背景觀測(cè)數(shù)據(jù)滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度,默認(rèn)值分別為1.5倍和15 d;產(chǎn)出方式分為自動(dòng)和手動(dòng),圖片分類分為中國(guó)和全球,用戶根據(jù)需要選擇設(shè)置。查詢結(jié)果分為圖片文件和地圖文件,圖片文件為電離層VTEC異常分布圖,全球VTEC異常分布圖時(shí)間間隔為1 h,中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布圖時(shí)間間隔為2 h(見(jiàn)圖6、圖7);地圖文件為圖片文件對(duì)應(yīng)的矢量圖,用戶根據(jù)需要選擇文件并利用ArcGIS軟件修改圖片底圖、圖片標(biāo)注、VTEC異常分布等設(shè)置(見(jiàn)圖8)。
圖6 系統(tǒng)運(yùn)行主界面(全球)Fig.6 Main interface of system operation(Global)
圖7 系統(tǒng)運(yùn)行主界面(中國(guó))Fig.7 Main interface of system operation(China)
圖8 ArcGIS地圖文件處理界面(中國(guó))Fig.8 Processing interface of ArcGIS map file(China)
圖形展示位于用戶操作界面的右側(cè),根據(jù)查詢條件和查詢結(jié)果可分別查看全球VTEC異常分布、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布。
系統(tǒng)設(shè)置包括TEC分布圖參數(shù),GNSS數(shù)據(jù)下載,CODE數(shù)據(jù)下載三部分(見(jiàn)圖9)。其中,TEC分布圖參數(shù)需要設(shè)置檢驗(yàn)倍數(shù)和滑動(dòng)天數(shù),默認(rèn)值分別為1.5倍和15 d;GNSS數(shù)據(jù)下載通過(guò)FTP方式每天自動(dòng)下載陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)中國(guó)區(qū)域GNSS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù);CODE數(shù)據(jù)下載通過(guò)FTP方式每天自動(dòng)下載星歷、時(shí)鐘等數(shù)據(jù)解算控制文件及全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)文件。
圖9 系統(tǒng)參數(shù)配置界面Fig.9 System parameters configuration interface
自動(dòng)模式為系統(tǒng)默認(rèn)工作模式,按照系統(tǒng)設(shè)置的默認(rèn)參數(shù),每天自動(dòng)下載中國(guó)區(qū)域GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)、星歷及時(shí)鐘等控制文件、CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)和空間環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù),調(diào)用Bernese軟件完成數(shù)據(jù)自動(dòng)解算,獲取中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)。結(jié)合CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),采用滑動(dòng)四分位距法提取異常信息,自動(dòng)產(chǎn)出全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布。用戶設(shè)置查詢條件,產(chǎn)出方式選擇自動(dòng),點(diǎn)擊查詢功能,選擇查詢結(jié)果中的圖形文件,即可查看電離層VTEC異常分布結(jié)果;點(diǎn)擊播放功能,可動(dòng)態(tài)展示電離層VTEC異常分布變化;修改查詢條件,點(diǎn)擊生成功能,可重新生成電離層VTEC異常分布結(jié)果(見(jiàn)圖6,圖7)。
手動(dòng)模式為用戶選擇模式,手動(dòng)導(dǎo)入中國(guó)區(qū)域GNSS數(shù)據(jù),設(shè)置圖形結(jié)果保存目錄、檢驗(yàn)倍數(shù)、滑動(dòng)天數(shù)、開始和結(jié)束時(shí)間等參數(shù),勾選數(shù)據(jù)解算和異常分布圖選項(xiàng),點(diǎn)擊確定。系統(tǒng)根據(jù)用戶需要自動(dòng)調(diào)用Bernese軟件完成數(shù)據(jù)自動(dòng)解算、異常信息提取、圖形結(jié)果產(chǎn)出等功能(見(jiàn)圖10)。用戶設(shè)置查詢條件,產(chǎn)出方式選擇手動(dòng),點(diǎn)擊查詢功能,選擇查詢結(jié)果中的圖形文件,即可查看電離層VTEC異常分布結(jié)果,播放和生成功能與自動(dòng)模式相同(見(jiàn)圖6,圖7)。
圖10 手動(dòng)產(chǎn)出參數(shù)配置界面Fig.10 Configuration interface of manual output parameters
時(shí)序曲線功能基于數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的空間環(huán)境參數(shù)(F10.7、Kp、Dst)及中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),用戶通過(guò)設(shè)置經(jīng)緯度、異常檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)倍數(shù)、滑動(dòng)天數(shù)、開始及結(jié)束時(shí)間等基本參數(shù),設(shè)置F10.7、Kp、Dst、VTEC、ΔTEC、時(shí)間刻度等參數(shù),點(diǎn)擊生成功能,系統(tǒng)根據(jù)用戶需要繪制空間環(huán)境參數(shù)及中國(guó)區(qū)域格網(wǎng)點(diǎn)VTEC時(shí)序曲線。其中,空間環(huán)境參數(shù)時(shí)序圖中的紅色直線為參數(shù)閾值;VTEC時(shí)序圖中的紅色曲線為觀測(cè)值,灰色曲線為VTEC觀測(cè)背景上下邊界閾值;ΔTEC為VTEC的擾動(dòng)異常。同時(shí),系統(tǒng)具備圖形導(dǎo)出、異常數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能(見(jiàn)圖11)。
圖11 時(shí)序曲線參數(shù)配置界面Fig.11 Configuration interface of time sequence curve parameters
系統(tǒng)根據(jù)用戶需求,提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和數(shù)據(jù)下載等功能。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換:用于將原始觀測(cè)數(shù)據(jù)壓縮文件(D.Z文件)轉(zhuǎn)換為原始觀測(cè)數(shù)據(jù)文件(O文件)。選擇觀測(cè)數(shù)據(jù)文件目錄,點(diǎn)擊確定,數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖12 a)。
數(shù)據(jù)導(dǎo)出:用于將起止時(shí)間內(nèi)的空間環(huán)境參數(shù)F10.7、Dst、Kp以文本文件格式導(dǎo)出,便于用戶查找和讀取。設(shè)置開始及結(jié)束時(shí)間,選擇數(shù)據(jù)保存目錄,勾選空間環(huán)境參數(shù),點(diǎn)擊確定,完成數(shù)據(jù)導(dǎo)出(見(jiàn)圖12 b)。
數(shù)據(jù)下載:用于下載起止時(shí)間內(nèi)的星歷、時(shí)鐘等數(shù)據(jù)解算控制文件及CODE全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)文件。設(shè)置開始及結(jié)束時(shí)間,選擇數(shù)據(jù)保存目錄,點(diǎn)擊確定,完成數(shù)據(jù)下載(見(jiàn)圖12 c)。
圖12 數(shù)據(jù)服務(wù)界面Fig.12 Data service interface
用戶選擇查詢條件,在任務(wù)列表中可查詢自動(dòng)或手動(dòng)方式下任務(wù)執(zhí)行進(jìn)程,若任務(wù)運(yùn)行失敗,可查詢錯(cuò)誤信息,方便用戶及時(shí)查看并處理(見(jiàn)圖13)。
圖13 任務(wù)查詢界面Fig.13 Task query interface
該系統(tǒng)于2020年6月設(shè)計(jì)完成,并安裝部署試運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。2019年6月17日四川長(zhǎng)寧發(fā)生MS6.0地震,利用該系統(tǒng)手動(dòng)模式產(chǎn)出全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布。結(jié)果顯示,2019年6月14日震中區(qū)域附近均出現(xiàn)明顯的電離層異常擾動(dòng),其中6月14日12:00(UT)異常最為明顯,異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)8 h,電離層異常耦合的局部性、集中性和顯著性特征明顯(見(jiàn)圖14、圖15)。
圖14 2019年6月14日12:00 UT全球VTEC異常分布圖Fig.14 Distribution map of global VTEC anomalies at 12:00 UT on June 14th,2019
圖15 2019年6月14日12:00 UT中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布圖Fig.15 Distribution map of VTEC anomalies in China at 12:00 UT on June 14th,2019
此外,利用時(shí)序曲線功能產(chǎn)出2019年6月1日至6月20日空間環(huán)境參數(shù)及震中附近格網(wǎng)點(diǎn)(28°N,104°E)電離層VTEC時(shí)序曲線(見(jiàn)圖16)。其中,空間環(huán)境參數(shù)時(shí)序曲線顯示6月14日空間環(huán)境參數(shù)(F10.7、Kp、Dst)均未超過(guò)閾值,排除長(zhǎng)寧地震前太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴等空間環(huán)境變化對(duì)電離層異常擾動(dòng)的影響;VTEC時(shí)序曲線顯示6月14日震中附近格網(wǎng)點(diǎn)電離層VTEC異常擾動(dòng)明顯,并從時(shí)間尺度驗(yàn)證了該異常擾動(dòng)與長(zhǎng)寧地震發(fā)生的相關(guān)性。
圖16 2019年6月1日至6月20日空間環(huán)境參數(shù)及格網(wǎng)點(diǎn)(28°N,104°E)電離層VTEC時(shí)序曲線變化Fig.16 Variation of space environmental parameters and ionospheric VTEC time series curve at grid point(28 ° N,104 ° E)from June 1st to June 20th,2019
本文設(shè)計(jì)開發(fā)了電離層VTEC異常分布產(chǎn)出系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):
(1)系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)出全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布圖,產(chǎn)出結(jié)果延遲1~2 d,有助于全球、中國(guó)區(qū)域電離層VTEC異常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);
(2)系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求手動(dòng)產(chǎn)出指定時(shí)間段全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常分布圖,有助于分析歷史地震發(fā)生前后電離層VTEC異常擾動(dòng)變化。
(3)系統(tǒng)提供空間環(huán)境參數(shù)、數(shù)據(jù)解算控制及電離層VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)等文件下載功能,同時(shí)提供圖形產(chǎn)出結(jié)果修改編輯功能,便于用戶使用。
目前,電離層VTEC異常分布產(chǎn)出系統(tǒng)已成功應(yīng)用到四川省地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)日常工作,其圖形產(chǎn)出結(jié)果已參與地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)會(huì)商,實(shí)現(xiàn)了全球VTEC、中國(guó)區(qū)域VTEC異常變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了測(cè)試地震-電離層監(jiān)測(cè)在川滇地區(qū)的應(yīng)用效能,該系統(tǒng)仍需完善。未來(lái),基于地基和空基電離層探測(cè)技術(shù),開展天地一體化聯(lián)合觀測(cè),進(jìn)一步加強(qiáng)川滇地區(qū)電離層異常擾動(dòng)監(jiān)測(cè)能力,分析地震前后電離層多參量異常變化,深化不同參量之間的關(guān)聯(lián),完善地震-電離層耦合理論模型,嘗試將電離層地球物理異常信息用于川滇區(qū)域臨震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào),這對(duì)于川滇地區(qū)震情判定具有重要意義。
致謝:CODE為該系統(tǒng)提供全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù);中國(guó)地震局地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)工程研究中心、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所為該系統(tǒng)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。