張宇，祝芙英，楊劍，王蘭煒，張興國

(1.應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院,北京 100085；2.中國地震局地震研究所,武漢 430071)

0 引言

對(duì)于地震孕育過程的監(jiān)測(cè)和研究，常規(guī)手段是監(jiān)測(cè)與地震活動(dòng)相關(guān)的地球電場(chǎng)、磁場(chǎng)、地殼形變、地下流體等多種參量的變化.近年來，地震活動(dòng)引發(fā)電離層擾動(dòng)的現(xiàn)象越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，地震孕育和發(fā)生過程引起孕震區(qū)上空電離層特征參量的異常變化，被認(rèn)為是捕捉地震短臨信息的一種有效手段[1-2].

電離層探測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地震前兆及同震效應(yīng)研究.利用地面GPS 接收站接收GPS 信號(hào)可以計(jì)算出電離層總電子含量(TEC)等電離層參數(shù)，利用其開展地震監(jiān)測(cè)研究工作，具有低成本、高精度、近實(shí)時(shí)、全天候的優(yōu)點(diǎn).2012 年竣工的國家重大科學(xué)工程“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”(簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”)在全國建成260 個(gè)GPS 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，為全國電離層監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)條件[3-4].隨著觀測(cè)資料的積累和觀測(cè)手段的豐富，越來越多的地震電離層現(xiàn)象和研究，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)震前電離層TEC 異常開展了大量的研究工作.LIU 等[5]和KON 等[6]基于TEC 觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于Ms≥6.0 的地震統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為震前1～5 天TEC 有顯著異常變化.吳云等[7]利用TEC 數(shù)據(jù)對(duì)2008 年5 月12 日汶川8.0 級(jí)地震分析，發(fā)現(xiàn)震前13 天至震前2 天內(nèi)出現(xiàn)多次TEC 減弱和增強(qiáng)的異常變化.周義炎等[8]利用中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的地基GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，在解算單站和二維垂直總電子含量(VTEC)分布時(shí)間序列后，針對(duì)中國大陸Ms≥6.0 強(qiáng)震，檢測(cè)分析了震前的電離層異常擾動(dòng)，并對(duì)震前電離層異常擾動(dòng)的特征和規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.林劍等[9]分析四川境內(nèi)2008 年3 月至8 月TEC 數(shù)據(jù)，認(rèn)為在5.12 汶川地震前一個(gè)星期內(nèi)，孕震區(qū)上空連續(xù)出現(xiàn)了明顯的電離層異常擾動(dòng).祝芙英等[10]利用國際GNSS 服務(wù)(IGS)提供的TEC 資料，對(duì)2007 年以來全球Ms7.0 以上地震進(jìn)行震前TEC異常擾動(dòng)研究，發(fā)現(xiàn)94%的地震孕震區(qū)上空出現(xiàn)了明顯的電離層TEC 異常擾動(dòng).蔡華等[3]利用陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)TEC 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品分析了四川蘆山7.0 級(jí)地震的同震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象.張學(xué)民等[11]研究了汶川地震前后電離層異常擾動(dòng)，認(rèn)為距離震中較近的瀘州站TEC 與重慶站 f0F2在震前3 天(5 月9 日)均呈快速增強(qiáng).以上震例分析及機(jī)理研究，試圖找出地震電離層異常的規(guī)律，但由于巖石圈與電離層耦合的復(fù)雜性，地震電離層異常特征及機(jī)理還不明確，還有很多工作需要開展，尤其是需要加強(qiáng)對(duì)地震多發(fā)區(qū)的電離層監(jiān)測(cè)，積累更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)和震例樣本.

電離層異常監(jiān)測(cè)為地震監(jiān)測(cè)提供一種新的方法和手段.為更好地研究地震與電離層擾動(dòng)的關(guān)系，利用中電科(青島)電波技術(shù)有限公司研制的“空間電離層環(huán)境層析成像測(cè)量儀”，在地震危險(xiǎn)區(qū)組建小型監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開展與地震相關(guān)的電離層擾動(dòng)特征的研究，可有力推進(jìn)該新型電離層監(jiān)測(cè)技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用，并為地震監(jiān)測(cè)研究提供一種新的技術(shù)途徑.

1 地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)總體構(gòu)成

地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括電離層監(jiān)測(cè)站網(wǎng)和電離層監(jiān)測(cè)軟件兩部分，圖1 為地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì).綜合考慮我國地震帶分布、未來幾年危險(xiǎn)區(qū)劃分和現(xiàn)有地震臺(tái)站分布情況選擇電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域，提出小區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的區(qū)域范圍、密度和布局要求，選擇合適的臺(tái)站，基于“空間電離層環(huán)境層析成像測(cè)量儀”建設(shè)地震電離層監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)現(xiàn)有條件進(jìn)行適應(yīng)性改造，以滿足長期、連續(xù)的觀測(cè)需求.同時(shí)，研究電離層擾動(dòng)提取算法，開發(fā)地震電離層擾動(dòng)分析軟件，將軟件部署在中心站，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集和擾動(dòng)分析，試驗(yàn)性地開展地震電離層監(jiān)測(cè).

圖1 地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

2 地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)物理量與探測(cè)設(shè)備

根據(jù)對(duì)地震電離層現(xiàn)象的研究與總結(jié)，地震前和地震期間會(huì)出現(xiàn)TEC 變化和F2 層擾動(dòng)等現(xiàn)象，在地震應(yīng)用研究中一般選擇可信度和測(cè)量精度較高的TEC 或電離層F2 層最大電子密度(NmF2)及其對(duì)應(yīng)的F2 層峰值電子密度對(duì)應(yīng)高度(hmF2)等進(jìn)行分析研究[1,12-13].

隨著科技的發(fā)展，可選擇的電離層探測(cè)手段也很多，地基探測(cè)是通過布設(shè)在地面的電離層設(shè)備發(fā)射或接受電離層探測(cè)信號(hào)，通過反演獲得電離層參數(shù)信息，通常使用電離層垂測(cè)儀和地面全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)等；天基探測(cè)則是將測(cè)量設(shè)備搭載在天基平臺(tái)上，對(duì)電離層實(shí)現(xiàn)原位或遙感探測(cè)，如低軌衛(wèi)星掩星、星載信標(biāo)等[14].為了獲取更豐富的探測(cè)數(shù)據(jù)，中電科(青島)電波技術(shù)有限公司依托國家重點(diǎn)儀器研發(fā)專項(xiàng)研制了新型電離層探測(cè)儀器“空間電離層環(huán)境層析成像測(cè)量儀”.該儀器將低軌衛(wèi)星的信標(biāo)電離層探測(cè)和中高軌GNSS 衛(wèi)星信號(hào)電離層探測(cè)進(jìn)行集成，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)將兩類不同來源的探測(cè)數(shù)據(jù)綜合利用，實(shí)現(xiàn)時(shí)變?nèi)S(3D)多分辨率電離層層析成像，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)達(dá)到絕對(duì)TEC 測(cè)量精度≤3 TECU，相對(duì)TEC 測(cè)量精度≤0.03 TECU.

因此，地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)利用空間電離層環(huán)境層析成像測(cè)量儀，選擇特定區(qū)域的多個(gè)臺(tái)站組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，開展地震電離層異常信息監(jiān)測(cè).通過同一站點(diǎn)獲取地基GNSS 和衛(wèi)星信標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)，利用多站觀測(cè)結(jié)果聯(lián)合反演獲得區(qū)域TEC、NmF2和hmF2，用于監(jiān)測(cè)與地震相關(guān)的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象.

2.2 監(jiān)測(cè)區(qū)域選擇

對(duì)于監(jiān)測(cè)區(qū)域的選擇，需要滿足具有明顯發(fā)震構(gòu)造.地震活動(dòng)性較強(qiáng)的區(qū)域，有利于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)期間獲得較多地震事件.

地震多發(fā)地區(qū)震中常呈帶狀分布，通稱地震帶.根據(jù)中國大陸強(qiáng)震的空間分布特征，通常將95°E～110°E，21°N～45°N 之間的強(qiáng)震密集地帶稱為南北地震帶，如圖2 中紅圈所示[15].南北地震帶區(qū)域構(gòu)造背景復(fù)雜，既有鄂爾多斯周緣的正斷層，又有龍門山斷裂帶的逆沖斷層，還有巴顏喀拉塊體和川滇塊體的走滑斷層[16].

圖2 中國地震帶分布圖

作為青藏塊體的邊界帶，南北地震帶是中國大陸地震活動(dòng)最強(qiáng)的地震區(qū)域之一，歷史上南北地震帶北段強(qiáng)震活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)生過1654 年天水8 級(jí)地震、1739 年平羅8.0 級(jí)地震、1879 年武都南8 級(jí)地震、1920 年海原8.5 級(jí)地震和1927 年古浪8.0 級(jí)地震[18-19].近年來，中國大陸發(fā)生的7 級(jí)以上地震有2/5 發(fā)生在該地震帶上[17].汶川8.0 級(jí)、玉樹7.1 級(jí)、雅安7.0 級(jí)、漾濞6.0 級(jí)地震等就發(fā)生在南北地震帶的中、南段，九寨溝7.0 級(jí)、岷縣-漳縣6.6 級(jí)和門源6.4 級(jí)地震發(fā)生在南北地震帶的北段.

考慮到現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段及小區(qū)域站網(wǎng)布設(shè)條件，選擇南北地震帶的北段作為地震電離層擾動(dòng)監(jiān)視區(qū)域，建設(shè)電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng).

2.3 監(jiān)測(cè)分辨率要求

GNSS 和地基電離層觀測(cè)網(wǎng)的不斷發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)高精度電離層監(jiān)測(cè)提供了有效的手段.利用IGS 組織臺(tái)站數(shù)據(jù)產(chǎn)出的全球電離層TEC 地圖產(chǎn)品(GIMs)網(wǎng)格分辨率為5°×2.5°(經(jīng)度×緯度)[20].此外，許多國家和地區(qū)都布設(shè)了較高密度的GNSS 站網(wǎng)進(jìn)行觀測(cè)，構(gòu)建了精度更高的區(qū)域性TEC 地圖.如美國麻省理工大學(xué)利用上千個(gè)GPS 臺(tái)站構(gòu)建全球TEC 地圖，監(jiān)測(cè)分辨率可達(dá)1°×1°[21]，日本空間天氣預(yù)報(bào)中心也建立了日本區(qū)域GNSS 高密度臺(tái)站，監(jiān)測(cè)分辨率為0.5°×0.5°[22].我國目前的電離層地基觀測(cè)站網(wǎng)，基本以服務(wù)電波傳播應(yīng)用研究的需要為出發(fā)點(diǎn)，覆蓋我國主要空間區(qū)域[12].但是我國觀測(cè)站網(wǎng)的整體空間分辨率不高，且存在臺(tái)站分布不均與的情況，如華南沿海區(qū)域較為密集，中西部地區(qū)分布較為稀疏[23].

地震電離層異常具有顯著的局地性特征，對(duì)電離層觀測(cè)的空間分辨率要求較高，一般對(duì)監(jiān)測(cè)空間分辨率要求為1°×1°(經(jīng)度×緯度).為了滿足監(jiān)測(cè)需求，需要在監(jiān)測(cè)區(qū)域密集布設(shè)觀測(cè)臺(tái)站，間距100～200 km，以提高觀測(cè)數(shù)據(jù)精度和網(wǎng)格分辨率.

2.4 監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)計(jì)

結(jié)合監(jiān)測(cè)物理量和監(jiān)測(cè)分辨率需求，監(jiān)測(cè)站網(wǎng)設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)還需注意以下幾個(gè)方面：

1)考慮到投資、場(chǎng)地通信等諸多因素，擬選擇現(xiàn)有地震臺(tái)站進(jìn)行改造，且具備相應(yīng)的交通、電力和通訊條件，能夠及時(shí)將觀測(cè)數(shù)據(jù)回傳；

2)電離層擾動(dòng)信息可與其他地面地球物理場(chǎng)觀測(cè)參量進(jìn)行綜合分析，分析電離層擾動(dòng)現(xiàn)象是否與地震相關(guān).在選擇觀測(cè)站點(diǎn)時(shí)，盡量選擇觀測(cè)手段豐富的臺(tái)站；

3)電離層環(huán)境層析成像儀接收GNSS 和星載信標(biāo)機(jī)信號(hào)，因此觀測(cè)站點(diǎn)周圍不能有接收信號(hào)頻率范圍或相近范圍的電磁干擾，應(yīng)保證掃描儀天線有良好的信號(hào)接收視野，應(yīng)避免有可能產(chǎn)生多徑效應(yīng)的區(qū)域；

4)考慮到在小區(qū)域內(nèi)密集布站，確保TEC 地圖1°×1°空間分辨率和監(jiān)測(cè)密度，采取“一個(gè)中心站+多個(gè)輻射站”的模式.

綜合考慮以上因素，地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇南北地震帶北段構(gòu)建2 個(gè)小型監(jiān)測(cè)網(wǎng)，每個(gè)小型監(jiān)測(cè)網(wǎng)由1 個(gè)中心站+5 個(gè)輻射站構(gòu)成.經(jīng)過臺(tái)站勘選，擬選監(jiān)測(cè)站點(diǎn)如圖3 所示，其中圖3(a)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)1 站點(diǎn)間距200～300 km，圖3(b)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)2 站點(diǎn)間距100～200 km，兩監(jiān)測(cè)站網(wǎng)互為補(bǔ)充.

圖3 小區(qū)域電離層監(jiān)測(cè)站網(wǎng)

3 地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

研究震前電離層擾動(dòng)提取方法并研發(fā)地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件，該軟件由數(shù)據(jù)匯集與管理、數(shù)據(jù)處理與擾動(dòng)分析兩部分組成.

地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件流程如圖4 所示：首先，將觀測(cè)儀器配置相關(guān)參數(shù)，接入網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建小型監(jiān)測(cè)網(wǎng)；第二，定時(shí)匯集監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)，定時(shí)匯集不成功時(shí)，可通過人工手動(dòng)匯集；第三，將監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電離層擾動(dòng)分析參量TEC、NmF2、hmF2地圖和1°×1°地圖；最后，對(duì)電離層參量的擾動(dòng)現(xiàn)象和特征進(jìn)行提取，當(dāng)擾動(dòng)幅度超過10%時(shí)給出電離層擾動(dòng)告警提示.

圖4 地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)軟件流程圖

3.1 數(shù)據(jù)匯集與管理

數(shù)據(jù)匯集與管理部分主要包括數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)管理、參數(shù)配置、當(dāng)天匯集狀態(tài)展示等模塊，主頁面顯示當(dāng)天數(shù)據(jù)匯集狀態(tài)，狀態(tài)欄顯示與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài).

數(shù)據(jù)匯集與管理流程如圖5 所示，首先通過圖6 參數(shù)配置界面設(shè)置數(shù)據(jù)匯集相關(guān)參數(shù)和定時(shí)匯集間隔，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)數(shù)據(jù)和GNSS 數(shù)據(jù)的定時(shí)匯集，并顯示當(dāng)天數(shù)據(jù)匯集情況，通過圖7 中“數(shù)據(jù)匯集”按鈕也可手動(dòng)匯集指定臺(tái)站和時(shí)段的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)管理功能可以對(duì)指定臺(tái)站、時(shí)段與類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、統(tǒng)計(jì)和導(dǎo)出，方便使用者篩選信息.

圖5 數(shù)據(jù)處理與管理軟件流程圖

圖6 參數(shù)配置界面

圖7 數(shù)據(jù)匯集界面

3.2 數(shù)據(jù)處理與擾動(dòng)分析

在前期研究工作中，已對(duì)近十年地震期間電離層觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，構(gòu)建了地震電離層擾動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)集，通過對(duì)比平均數(shù)法、中位數(shù)法、四分位法和滑動(dòng)時(shí)窗法幾種異常特征提取方法的優(yōu)劣，提出了先對(duì)TEC 時(shí)間序列進(jìn)行擬合，消除其明顯的周期性變化，然后對(duì)擬合后的TEC 剩余殘差進(jìn)行處理分析的方法.利用該方法分析我國汶川Ms8.0 地震孕震區(qū)上空的TEC 分布情況，看到了顯著的TEC 異常擾動(dòng)現(xiàn)象[24].

對(duì)TEC、NmF2和hmF2三類觀測(cè)數(shù)據(jù)消除周期性變化后，開展時(shí)間序列分析，采用滑動(dòng)時(shí)窗法實(shí)現(xiàn)異常識(shí)別和提取，以滑動(dòng)均值作為參考背景值，以2 倍標(biāo)準(zhǔn)差作為擾動(dòng)閾值，當(dāng)擾動(dòng)超過10%時(shí)，發(fā)出異常告警通知并保存異常分布圖.TEC 擾動(dòng)分析結(jié)果如圖8 所示，圖中紅色和藍(lán)色分別表示電離層正異常和負(fù)異常.

圖8 電離層TEC 擾動(dòng)分析結(jié)果

4 結(jié)束語

本文給出了基于空間電離層層析成像測(cè)量儀的地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.選擇合適的監(jiān)測(cè)臺(tái)站建設(shè)小區(qū)域且密度較高的地震電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部署空間電離層層析成像測(cè)量儀和電離層擾動(dòng)分析軟件，應(yīng)用電離層層析成像測(cè)量儀探測(cè)的區(qū)域電離層數(shù)據(jù)，試驗(yàn)性地開展小區(qū)域站網(wǎng)電離層擾動(dòng)監(jiān)測(cè).該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠產(chǎn)出空間分辨率1°×1°的TEC、NmF2和hmF2二維分布圖，對(duì)擾動(dòng)異常超過10%的事件發(fā)出告警通知，實(shí)現(xiàn)空間電離層層析成像測(cè)量儀在地震電離層監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究探索一種新的技術(shù)途徑.