嚴(yán)志文，李 征，楊騰飛

（1.青海省自然資源綜合調(diào)查監(jiān)測(cè)院，青海 西寧 810000；2.西安市勘察測(cè)繪院，陜西 西安 710000）

電離層是日地空間觀測(cè)環(huán)境中的一個(gè)重要組成部分，研究表明地震孕育和發(fā)生過(guò)程中會(huì)引起震源上空電離層特征參量的異常變化，這種現(xiàn)象稱為地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，它是巖石圈-大氣層-電離層通過(guò)某種途徑耦合的結(jié)果，目前被認(rèn)為是捕捉地震短臨信息較有前景的手段之一[1-10]。目前，對(duì)地震-電離層擾動(dòng)的探測(cè)方法主要包括靜態(tài)探測(cè)和動(dòng)態(tài)探測(cè)，其中靜態(tài)探測(cè)方法有中位數(shù)法、平均值法等，動(dòng)態(tài)探測(cè)主要包括四分位法[11]。無(wú)論是靜態(tài)探測(cè)還是動(dòng)態(tài)探測(cè)都無(wú)法解決參考背景值較低的問(wèn)題，且容易受到外界環(huán)境因素的干擾，這也是目前造成地震-電離層擾動(dòng)探測(cè)結(jié)果不一致的主要原因之一[12-13]。因此，本文以2020-06-26新疆和田地區(qū)于田縣（35.73°N，82.33°E）發(fā)生Mw6.4級(jí)地震為例，借助滑動(dòng)四分位距法探測(cè)地震-電離層擾動(dòng)相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步分析地震-電離層擾動(dòng)的時(shí)空特性，提取地震-電離層前兆信息。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 電離層TEC數(shù)據(jù)

本文借助中國(guó)地震局GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)平臺(tái)發(fā)布的每天從UTC 0:00-UTC 24:00（每天13組）、時(shí)間分辨率為2 h、空間分辨率為1°×1°的中國(guó)區(qū)域電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)（global ionospheric map,GIM）中提取出新疆和田地區(qū)于田縣震源處4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)數(shù)據(jù)（35°N，82°E）、（35°N，83°E）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E），其中震源和格網(wǎng)探測(cè)格網(wǎng)店相對(duì)關(guān)系如圖1所示。

圖1 震源及格網(wǎng)探測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置圖

顧及到如果使用內(nèi)插的方法得到震源上空電離層TEC值進(jìn)行異常擾動(dòng)探測(cè)，則會(huì)丟失電離層TEC在局部上表現(xiàn)出的時(shí)空特性，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的TEC值來(lái)探測(cè)地震-電離層TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象。在探測(cè)電離層TEC值時(shí)間序列的選擇上，考慮到太陽(yáng)活動(dòng)、X射線、紫外線活動(dòng)會(huì)影響地球地磁活動(dòng)，使電離層TEC值產(chǎn)生27 d的周期變化。因此，本文選擇27 d的TEC時(shí)間序列進(jìn)行新疆和田地區(qū)于田縣地震-電離層擾動(dòng)探測(cè)。

1.2 太陽(yáng)活動(dòng)與地磁活動(dòng)數(shù)據(jù)

空間環(huán)境因素（主要包括太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)）會(huì)對(duì)電離層產(chǎn)生影響，因此在對(duì)新疆和田地區(qū)于田縣地震-電離層擾動(dòng)探測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)空間環(huán)境因素進(jìn)行分析，排除空間環(huán)境因素對(duì)電離層擾動(dòng)產(chǎn)生的干擾。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的太陽(yáng)射電通量F10.7數(shù)據(jù)來(lái)反映太陽(yáng)活動(dòng)，采用日本京都地磁數(shù)據(jù)中心提供的赤道地磁活動(dòng)指數(shù)Dst和全球地磁活動(dòng)指數(shù)Kp來(lái)反映地磁活動(dòng)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)參數(shù)表

由表1可以看出，太陽(yáng)射電通量F10.7和赤道地磁指數(shù)Dst的時(shí)間分辨率為1 h，而全球地磁活動(dòng)指數(shù)的時(shí)間分辨率為3 h，太陽(yáng)射電通量F10.7活動(dòng)指數(shù)分為3個(gè)等級(jí)，分別代表太陽(yáng)活動(dòng)弱中強(qiáng)；赤道地磁活動(dòng)指數(shù)Dst分為4個(gè)等級(jí)，分別代表小、中、大、特大級(jí)磁暴；全球地磁活動(dòng)指數(shù)Kp分為2個(gè)等級(jí)，分別代表地磁處于平靜、活動(dòng)狀態(tài)。

2 滑動(dòng)四分距法數(shù)學(xué)模型

四分位距法是一種穩(wěn)健統(tǒng)計(jì)技術(shù)中用于表示數(shù)據(jù)離散度的1個(gè)量，常用于檢查數(shù)據(jù)的異常，該方法將數(shù)值從小到大排序后分為四等份，每一等份分占1/4，等分點(diǎn)根據(jù)其數(shù)值大小分為上四分位數(shù)Q1、中四分位數(shù)Q2、下四分位數(shù)Q3[10]?？紤]到電離層TEC變化具有周期性變化特征，本次實(shí)驗(yàn)選擇時(shí)間窗口為27 d，取前27 d同一時(shí)刻數(shù)據(jù)組成時(shí)間序列，并按照從小到大的順序排序，即：X1，X2，…，X27，計(jì)算上四分位數(shù)Q1、中四分位數(shù)Q2、下四分位數(shù)Q3和四分位距IQR：

同時(shí)取Q2±1.5 IQR作為TEC異常檢驗(yàn)上下邊界的判斷閥值，上邊界記作TECup，下邊界記作TEClow即：

如果TEC值沒(méi)有超出上下邊界，則ΔTEC＝0，超出上邊界ΔTEC＞0，表示正異常，低于下邊界值ΔTEC＜0，表示負(fù)異常。

3 結(jié)果分析

3.1 格網(wǎng)探測(cè)格網(wǎng)店TEC時(shí)間序列分析

對(duì)探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°E）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）分別使滑動(dòng)四分位距法對(duì)震前27 d（2020-05-30~2020-06-25）及震后3 d（2020-06-27~2020-06-29）電離層TEC數(shù)據(jù)進(jìn)行異常探測(cè)，結(jié)果如圖2所示。

在圖2中，上下部分的橫軸代表日期，單位是d，上半部分縱軸代表格網(wǎng)點(diǎn)TEC的值，單位是0.1個(gè)TECu，下半部分縱軸代表ΔTEC的值，即異常值的大小，單位為0.1個(gè)TECu。在圖2中上半部分別給出了4個(gè)探測(cè)格網(wǎng)店TEC時(shí)間序列、TEC上邊界時(shí)間序列和下邊界的時(shí)間序列；下半部分給出了異常值大小的時(shí)間序列。由圖2可以看出，4個(gè)探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果為正異常，均未探測(cè)到負(fù)異常現(xiàn)象。探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）在震前3 d、7 d發(fā)生地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（36°N，82°E）在震前3 d、7 d、12 d發(fā)生地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，且探測(cè)結(jié)果均為正異常。探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）在震前3 d探測(cè)到的地震-電離層擾動(dòng)最大值分別為2.20個(gè)TECu、2.05個(gè)TECu、2.10個(gè)TECu、1.20個(gè)TECu；在震前7d地震-電離層擾動(dòng)最大值分別為1.70個(gè)TECu、2.60個(gè)TECu、2.60個(gè)TECu、1.40個(gè)TECu。僅探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（36°N，82°E）在震前12 d探測(cè)出地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，最大擾動(dòng)值為0.50個(gè)TECu。在地理位置關(guān)系上可以看出，探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（36°N，82°E）與其他探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)相比，距離震源位置更近，可能是此次地震-電離層造成擾動(dòng)規(guī)模較小，未使探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 地震電離層擾動(dòng)探測(cè)結(jié)果

3.2 空間環(huán)境因素分析

為了進(jìn)一步研究TEC異常擾動(dòng)原因，需結(jié)合空間環(huán)境因素作出進(jìn)一步分析[13]。太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)會(huì)對(duì)電離層TEC值產(chǎn)生擾動(dòng)，為了定性分析震源上空電離層TEC擾動(dòng)原因，結(jié)合空間環(huán)境因素指數(shù)作出相應(yīng)的分析，圖3分別給出了震前27 d及震后3 d太陽(yáng)射電通量F10.7指數(shù)、赤道地磁指數(shù)Dst和全球地磁指數(shù)Kp的時(shí)間序列。

圖3 地震前后太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)指數(shù)時(shí)間序列

由圖3a可知，震前27 d至震后3 d太陽(yáng)射電通量指數(shù)F10.7指數(shù)均小于80 SFU，太陽(yáng)活動(dòng)處于較弱的水平，在此期間太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層產(chǎn)生的擾動(dòng)較??；由圖3b可知，在震前27 d至震后3 d的磁道地磁指數(shù)Dst時(shí)間序列中，僅在震前27d時(shí)產(chǎn)生地磁小磁暴現(xiàn)象，其余時(shí)間未發(fā)現(xiàn)磁暴現(xiàn)象；由圖3c可知，在全球地磁指數(shù)Kp在震前18 d時(shí)，全球地磁處于活躍水平，其余時(shí)間全球地磁活動(dòng)均處于平靜狀態(tài)，對(duì)電離層產(chǎn)生較小擾動(dòng)。在震前27 d及震后3 d的時(shí)間段內(nèi)空間環(huán)境因素未對(duì)電離層擾動(dòng)產(chǎn)生影響，因此認(rèn)為震前3 d、7 d、12 d產(chǎn)生電離層擾動(dòng)現(xiàn)象可能是由地震引發(fā)的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以2020-06-26新疆和田地區(qū)于田縣（35.73°N，82.33°E）發(fā)生Mw6.4級(jí)地震為例，借助滑動(dòng)四分位距法探測(cè)地震-電離層擾動(dòng)相關(guān)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4個(gè)探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)的探測(cè)結(jié)果為正異常，均未探測(cè)到負(fù)異常現(xiàn)象。探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）在震前3 d、7 d發(fā)生地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（36°N，82°E）在震前3 d、7 d、12 d發(fā)生地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象。探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）在震前3 d探測(cè)到的地震-電離層擾動(dòng)最大值分別為2.20個(gè)TECu、2.05個(gè)TECu、2.10個(gè)TECu、1.20個(gè)TECu；在震前7 d地震-電離層擾動(dòng)最大值分別為1.70個(gè)TECu、2.60個(gè)TECu、2.60個(gè)TECu、1.40個(gè)TECu。僅探測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)（36°N，82°E）在震前12 d探測(cè)出地震-電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，最大擾動(dòng)值為0.50個(gè)TECu。盡管電離層擾動(dòng)現(xiàn)象可作為地震預(yù)報(bào)依據(jù)之一，同時(shí)考慮到電離層豐富的時(shí)空特性及地震發(fā)生機(jī)理的復(fù)雜性，用電離層擾動(dòng)現(xiàn)象作為地震預(yù)報(bào)還需要對(duì)電離層擾動(dòng)現(xiàn)象做進(jìn)一步的研究。