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        電離層斜測數(shù)據(jù)集

        2021-12-07 01:16:30婁文宇杜曉輝張學(xué)民
        地震地磁觀測與研究 2021年4期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射站測數(shù)據(jù)中國地震局

        婁文宇 杜曉輝 劉 靜 張學(xué)民

        (中國北京 100036 中國地震局地震預(yù)測研究所)

        0 引言

        2008 年汶川MS8.0 地震后(張學(xué)民等,2009),在中國地震局和國家國防科技工業(yè)局共同支持下,中國地震局地震預(yù)測研究所與中國電子科技集團第22 研究所,在華北地震重點監(jiān)視區(qū),共同實施建設(shè)覆蓋華北主要地震構(gòu)造帶的華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)(Wang et al,2013;Liu et al,2016)。利用電離層對地基發(fā)射信號的反射特性,在國家電波環(huán)境觀測網(wǎng)原有5 個稀疏垂測發(fā)射站(北京、新鄉(xiāng)、長春、青島和蘇州)基礎(chǔ)上,在華北地區(qū)新建20 個斜測接收站,構(gòu)成近100 條發(fā)射—接收鏈路(張學(xué)民等,2016)。在每一條鏈路的中點,每半小時生成1 個數(shù)據(jù)點,形成我國首個高分辨率電離層測高觀測網(wǎng)絡(luò),空間分辨率可達(dá)100 km,達(dá)到以經(jīng)濟的手段取得電離層加密監(jiān)測的效果?;诖司W(wǎng)絡(luò),由接收臺站獲取電離層斜測數(shù)據(jù),匯聚到北京數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫。通過人工判讀,生成可應(yīng)用的電離層斜測觀測數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)集通過數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站提供數(shù)據(jù)共享服務(wù),為地震系統(tǒng)內(nèi)部各省地震局和研究所進行地震監(jiān)測預(yù)測研究以及系統(tǒng)外部科研機構(gòu)和院校電離層觀測研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

        1 數(shù)據(jù)采集和處理過程

        華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)由5 個垂測發(fā)射站(北京、新鄉(xiāng)、長春、青島和蘇州)和20個斜測接收站(大同、太原、石家莊、承德、陡河、文安、邯鄲、天津、蒙城、濱州、聊城、菏澤、濟寧、榆林、涇陽、沈陽、錦州、大連、呼和浩特和赤峰)組成,站點分布見圖1。

        圖1 華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)站點分布Fig.1 The distribution map of China Seismo-ionosphericGround-based Monitoring Network in North China

        1.1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

        電離層斜測數(shù)據(jù)是以中國地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。由電離層垂測發(fā)射站發(fā)射高頻掃頻電磁波(頻率在2 MHz—30 MHz),經(jīng)電離層反射,小于某一頻率的信號被電離層臺站的斜測儀接收,從而獲取F2層臨界頻率。通過數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析,可獲得華北區(qū)域電離層F2層臨界頻率時序變化曲線和最大電子密度空間分布圖。電離層斜測數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)簡介見表1。

        表1 電離層斜測數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)簡表Table 1 Metadata summary of the oblique ionospheric sounding data set

        1.2 數(shù)據(jù)處理過程

        電離層斜測數(shù)據(jù)處理過程如下:①數(shù)據(jù)收集:臺站的觀測數(shù)據(jù)通過地震系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)網(wǎng)實時匯聚到北京數(shù)據(jù)中心,并存儲到Oracle 數(shù)據(jù)庫;②人工判讀:應(yīng)用數(shù)據(jù)人工判讀軟件,調(diào)取Oracle 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù),進行人工判讀,再次入庫;③數(shù)據(jù)時序分析:以時間為橫坐標(biāo),F(xiàn)2層臨界頻率為縱坐標(biāo),對電離層斜測數(shù)據(jù)進行時間序列的分析;④最大電子密度空間分布圖生成:忽略碰撞和地磁場的影響,應(yīng)用A-H 公式(熊年祿等,1999),解算出最大電子密度,繪制其空間分布圖;⑤元數(shù)據(jù)編寫:編寫并提交元數(shù)據(jù),最終形成電離層斜測數(shù)據(jù)集。

        電離層斜測數(shù)據(jù)集工作流程見圖2。

        圖2 電離層斜測數(shù)據(jù)集工作流程Fig.2 The workflow of the oblique ionospheric sounding data set

        2 數(shù)據(jù)內(nèi)容描述

        電離層斜測數(shù)據(jù)主要包括F2層臨界頻率數(shù)據(jù)和最大電子密度空間分布圖,它們的具體內(nèi)容描述如下。

        (1)F2層臨界頻率數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)格式:文本文件;數(shù)據(jù)命名:發(fā)射站-接收站+起始年月日_結(jié)束年月日.CSV;數(shù)據(jù)單位:MHz。

        (2)最大電子密度空間分布圖:數(shù)據(jù)格式:JPEG;數(shù)據(jù)命名:年月日時分.JPEG;數(shù)據(jù)單位:1012/cm3。

        3 數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用前景

        電離層斜測數(shù)據(jù)匯聚到數(shù)據(jù)庫后,由自動判讀軟件完成數(shù)據(jù)初步處理。受電離層數(shù)據(jù)特性和季節(jié)等因素的影響,電離層斜測數(shù)據(jù)會產(chǎn)生突跳現(xiàn)象,后期將通過人工判讀進行數(shù)據(jù)校正。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,需專人完成數(shù)據(jù)判讀工作。

        (1)電離層斜測數(shù)據(jù)共享服務(wù)。電離層斜測數(shù)據(jù)經(jīng)由中國地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)網(wǎng)站(http://www.sign.ac.cn)提供數(shù)據(jù)共享服務(wù)。用戶可以瀏覽網(wǎng)頁,選定數(shù)據(jù)鏈路和起止日期,查詢F2層臨界頻率的時序曲線變化圖,并可提交數(shù)據(jù)下載申請,獲取權(quán)限后即可下載F2層臨界頻率數(shù)據(jù)。

        (2)數(shù)據(jù)應(yīng)用前景。電離層斜測數(shù)據(jù)集中的觀測數(shù)據(jù)是電離層F2層的臨界頻率,可用于反演電離層的最大電子密度,進而反映地球上空電離層的變化,對于研究太陽活動對地球的影響以及地磁暴發(fā)生后電離層的響應(yīng)均具有重要意義。因此,電離層斜測數(shù)據(jù)集不僅可應(yīng)用于地震前兆觀測研究,也能夠應(yīng)用于空間物理等相關(guān)研究領(lǐng)域,目前已為地震系統(tǒng)各省地震局和研究所的地震監(jiān)測預(yù)測研究,以及系統(tǒng)外科研機構(gòu)和院校電離層的觀測研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為科研項目開展及文獻(xiàn)著錄提供了數(shù)據(jù)支撐,今后將會有更加廣泛的應(yīng)用前景。

        4 結(jié)論

        電離層斜測數(shù)據(jù)集依托華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)建立,是以電離層測高觀測數(shù)據(jù)為主要內(nèi)容的數(shù)據(jù)集。

        華北地震電離層監(jiān)測試驗網(wǎng)是中國第一個高密度電離層測高觀測網(wǎng)絡(luò),空間分辨率可達(dá)100 km。該網(wǎng)絡(luò)是在2008 年汶川MS8.0 地震后,在國防科技工業(yè)電波環(huán)境觀測站網(wǎng)原有稀疏發(fā)射站網(wǎng)基礎(chǔ)上,基于地震重點監(jiān)測區(qū)帶分布和區(qū)域數(shù)據(jù)覆蓋能力的雙重需要而建設(shè)的,形成了集數(shù)據(jù)觀測、采集、匯聚、處理、質(zhì)量保證、數(shù)據(jù)共享服務(wù)等的完備工作流程體系?;诖司W(wǎng)絡(luò)建成的電離層斜測數(shù)據(jù)集,提供F2層臨界頻率數(shù)據(jù)和最大電子密度空間分布圖,在滿足國家地震系統(tǒng)內(nèi)部各省地震局和研究所進行地震監(jiān)測預(yù)測研究工作要求的基礎(chǔ)上,為系統(tǒng)外科研機構(gòu)和院校電離層觀測研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),具有一定社會價值。

        電離層斜測數(shù)據(jù)集具有信息量大、空間分辨率高、數(shù)據(jù)庫功能齊全、時效性強等特點。但數(shù)據(jù)區(qū)域目前僅覆蓋華北地區(qū),對于開展全國區(qū)域上空電離層的研究,存在一定局限性。而且,數(shù)據(jù)自動判讀軟件的數(shù)據(jù)判讀準(zhǔn)確率有待提高,以減少人工判讀的工作量,提高工作的自動化程度。隨著此項工作的推進,電離層斜測數(shù)據(jù)集將更加完善。

        “電離層斜測數(shù)據(jù)集”是在中國地震局領(lǐng)導(dǎo)下,中國地震局地震預(yù)測研究所牽頭,與中國電子科技集團第22 研究所合作,在天津市、河北省、山東省、山西省、陜西省、遼寧省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、安徽省等地震局及下屬20 個地震臺站協(xié)作下,共同建設(shè)的成果,在此對以上單位及相關(guān)工作人員表示衷心的感謝。

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