天地基綜合觀測的東日本大地震電離層異常分析

張紅波 歐 明 甄衛民 吳 健 馮 健 張風國

(1．武漢大學電子信息學院，湖北 武漢 430079； 2．中國電波傳播研究所，山東 青島266107)

1. 引 言

大量觀測數據顯示在地震發生前后，地震活動區上方的電離層存在異常現象。目前為止，統計上證實的主要電離層前兆特性[1]包括：

1) 地震會導致等離子體密度變化(相對于未擾動的正常狀態)，形成電離層前兆，震前5天到幾個小時可以觀測到這些前兆。這些等離子體變化(相對于未擾動的正常狀態)可能有正負符號。

2) 一般電離層參數偏移正常值的持續時間比較短，約為4～6小時(相對于磁暴的影響)。只有大地震時(比如1964年阿拉斯加“耶穌受難日”大地震前)的電離層參數偏離正常值持續時間可達12小時左右。

3) 平均地震電離層參數變化和電離層逐日變化(±30%)具有同等量級，但在某一本地時刻，地震感應變化更明顯，高達100%。

4) 地震-電離層總電子含量(TEC)變化與臨界頻率變化一致。

5) 地震-電離層感應對等離子體垂直分布產生影響，導致電離層標高增加。標高變化主要由離子質量變化(輕離子濃度增大)或平行粒子流造成，而非等離子體溫度造成。

6) 地震前幾天，在孕震區上空突發E層活動增多，D層電離增大。

7) 地震電離層影響效應可觀測門限取決于孕震區大小和震級；地震-電離層異常變化趨勢和形狀取決于觀測點相對于孕震震中的位置和本地時，不同經緯度的依從關系可能不同。

8) 在F層最大電子密度高度上，電離層受影響區域取決于震級，對于M>7的大地震，受影響經緯度范圍可以高達40度。

9) 受影響變化最大的電離層區與孕震震中在電離層中的垂直投影位置不一致。在中高緯地區會向赤道方向偏移。在特定環境下，在磁共軛區內可以觀測到相應的電離層變化。

10) 在低緯和赤道區，地震-電離層感應導致赤道整體結構的異常變化。最經常觀測到的效應是赤道雙冠頂向赤道漂移，直到它們整個消失。

上述電離層前兆需要天地基多種電離層觀測手段聯合觀測才能得到。天基電離層觀測手段覆蓋空間廣，能夠實現全球電離層觀測，但缺乏時間上的連續性；地基電離層觀測手段可對特定地區實現連續觀測；兩者優勢互補，可滿足電離層觀測的空間分辨率和時間分辨率要求[2-4]。其中，天基全球定位系統(GPS)掩星可以獲得全球范圍電離層TEC和電子密度剖面等信息，通過對其進一步處理，可以得到電離層峰值處標高(scale height,Hs)等電離層形態信息，用于地震前電離層異常分析。

2. 掩星電子密度峰值處標高的估計

在信號傳播路徑為直線這一假設下,根據星載GPS掩星接收機觀測到的信號傳播路徑上的斜路徑總電子含量,利用Abel積分反演技術即可獲得電離層不同高度上的電子密度[5]。在局部電子密度球對稱假設下，GPS掩星接收機觀測到的信號傳播路徑上的TEC[6]為

(1)

式中：rGPS和rLEO分別是GPS和低地球軌道(LEO)衛星的軌道半徑；r0是掩星點到地心的距離。由于LEO衛星軌道高度遠遠低于GPS衛星軌道高度，可認為掩星面和LEO衛星軌道面一致以及LEO衛星軌道為圓軌道。利用非掩星側的輔助觀測數據校正TEC,消除LEO衛星軌道高度以上的TEC0,得到LEO衛星軌道以下的TEC′.

TEC′(r0) =TEC-TEC0

(2)

式(2)的Abel積分逆變換存在近似解析解[7]：

(3)

式中,ΔTEC′(r)=dTEC′(r)/dr.

獲得氣象、電離層和氣候觀測星座系統(COSMIC)掩星電子密度剖面后，可估計電離層標高Hs.首先采用電離層Chapman-α模型對掩星電子密度剖面數據質量進行檢驗。檢驗的方法是應用Chapman-α模型來擬合峰值高度附近200～600 km的電子密度數據，首先，通過最小二乘擬合過程得到峰值電子密度NmF2、峰高hmF2和模型標高Hm，隨后計算擬合值與真值相對誤差的標準偏差。若標準偏差大于15%，則舍棄該電子密度剖面[8-9]，大多數COSMIC掩星電子密度剖面符合該條件。

(4)

采用電離層Chapman-α模型擬合電子密度剖面得出的模型標高Hm，更接近于頂部電離層的中性大氣標高，而不是真實意義的等離子體標高，因此，通過上述過程可以完成電子密度剖面產品的質量管控。隨后從符合條件的COSMIC電子密度剖面中估計電離層Hs.

電離層峰值高度處標高Hs定義為[10]：頂部電離層電子密度衰減到NmF2的1/e (0.368)時的高度hsc與電子密度峰值高度hmF2的差，即

Hs =hsc-hmF2

(5)

其與Hm關系可通過Chapman-a模型推導獲得，即

Hs=2.947*Hm

(6)

電離層Hs具有清晰的電離層物理意義，該標高的變化意味著由峰值電子密度、高度、離子溫度和電子溫度變化引起的電子密度剖面形態的改變。

3. 東日本大地震前電離層異常分析

2011年3月11日13時46分(北京時間)在日本本州島仙臺港以東太平洋國際海域發生里氏9.0級地震，震中位于北緯38.1度，東經142.6度，被稱為“東日本大地震”。

3.1 數據獲取及地磁活動與太陽活動分析

本文主要利用美國大氣研究大學聯盟(UCAR)的COSMIC數據分析與存儲中心的掩星數據、空間物理交互數據資源(Space Physics Interactive Data Resource，SPIDR) 的電離層垂測儀數據以及日本學術振興會(JSPS)的相對VTEC擾動數據，研究分析東日本大地震前的電離層參數異常變化。

天基電離層觀測數據選取以地震震中位置為中心，經度和緯度跨度為40度的地理范圍內，時間從2011年3月2日至2011年3月13日期間的COSMIC掩星電離層觀測數據。地基電離層觀測數據則從SPIDR選取了震中附近的五個垂測儀在此期間的f0F2等觀測數據。

查閱國家空間天氣監測預警中心的地磁Dst指數、太陽10.7 cm射電流量(F10.7)和太陽黑子數的歷史數據，顯示3月2日至3月10日期間地磁活動平靜，在10日9:00UT以后至12日，地磁場發生擾動，達到了小磁暴水平。太陽10.7 cm射電流量(F10.7)和太陽黑子數顯示該段時間太陽活動處于中等水平,在3月8日存在F10.7小幅增加,但其對電離層影響是全球性的。

3.2 電離層f0F2分析

鑒于地震電離層異常現象的區域性特點，選取日本三個垂測站(從北向南依次為Kokubunji站(TO536)、Yamagawa站(YG431)和Okinawa站(OK426))和韓國兩個垂測站(I-Cheon站(IC437)和Jeju站(JJ433))的觀測數據來分析東日本大地震前的電離層f0F2異常變化。五個站與此次震中的大圓距離均小于2000 km，具體位置見圖1。從圖1可以看出，日本三個垂測站均位于環太平洋地震帶上，而韓國兩個站則位于地震帶外。

圖1 五個地基垂測儀站位置分布

五個垂測站3月1日至3月15日期間的f0F2觀測數據時間序列見圖2。通過五個垂測站f0F2觀測數據的對比分析，可以清晰的看出：TO536站和YG431站在3月5日至3月11日期間的f0F2日最大值沒有明顯變化，但存在較大的異常擾動現象，且兩站之間數據具有較強的相關性。而與之相對應的是：韓國IC437站、JJ433站和日本OK426站同期間的f0F2日最大值存在明顯的逐日變化，8日f0F2明顯高于其它時間。

與f0F2月中值相比，TO536站在8日13點前后兩個小時內存在f0F2整體增強和短時下降并存現象，增強幅度達到20%，而減小幅度則達到100%；YG431站也存在類似現象。該現象屬于與高層大氣內的聲重力波運動有關的電離層行波式擾動(TID)，而與地磁活動及太陽活動的數據無相關性；5日和9日兩個站f0F2數據存在短時下降異常現象，減小幅度超過100%。

在分析了各站hmF2數據和俄羅斯Khabarovsk重測站(KB548)的觀測數據后，認為8日TO536站和YG431站的行波式擾動可能由與地震有關的大氣聲重力波向上傳播到電離層引起的；而其余時間的短時下降異常可能由地震引起的擴展F造成。8日其它三個站的f0F2增加可能由F10.7小幅增加引起。此外，TO536站和YG431站與地震震中處于同一地震帶，存在明顯擾動異常。而位于地震帶外的韓國IC437站、JJ433站以及雖然處于同一地震帶，但距震中將近2000 km的日本OK426站均無明顯異常現象。基于五個站與震中的地理位置關系及其相應的電離層f0F2變化相關性，作者認為地震-電離層感應可能存在區域強相關性的沿地震帶耦合機理，具體物理響應過程有待于進一步深入研究。

3.3 電離層VTEC分析

針對電離層VTEC，可從兩種角度(大時間尺度的宏觀特性和高時空分辨率的微觀特性)開展異常變化分析。由于GPS服務機構(IGS)的全球電離層FEC地圖(GIM)數據時間分辨率為2小時，因此其僅能用于電離層大空間和時間尺度的整體VTEC變化分析；而基于電離層VTEC的微尺度觀測數據可開展地震-電離層耦合的方式等課題研究。

日本建有密集的GPS觀測站網絡，其國土地理院(Geographical Survey Institute (GSI)的GPS地球觀測網(GPS Earth Observation Network，GEONET)能夠對電離層形成高時空分辨率觀測能力：空間分辨率為0.15度(經度)×0.15度(緯度)，時間分辨率為30 s.目前日本學術振興會利用GEONET數據處理并發布日本地區的高時空分辨率的相對VTEC擾動圖[11]，該數據產品可用于震前電離層VTEC擾動分析，同時可與日本垂測儀觀測結果開展聯合分析,獲得電離層VTEC的時變特性。

圖2 3月1日至3月15日期間TO536站、YG431站、OK426站、IC437站和JJ433站垂測儀的f0F2時間序列圖

圖3(a)和(b)為8日TO536站和YG431站15分鐘間隔的f0F2觀測數據，圖3(b)和(d)表示兩站上空10分鐘間隔的相對VTEC擾動數據，即消趨勢相對TEC擾動值。其獲得過程為：首先利用GPS雙頻相位數據解算出GPS衛星與GPS接收機之間的相對傾斜TEC，并減去兩小時滑窗均值來消除相對TEC大尺度變化趨勢以及硬件偏差，隨后乘以傾斜因子將其轉換成相對VTEC的擾動值。從圖4可以看出，相對VTEC的擾動時間和f0F2的擾動時間基本一致，且呈現較大的波浪起伏形態，其中TO536站13:00LT和14:15LT時段，而YG431站在11:00LT和14:00LT時段的相對VTEC減小幅度超過2TECU。這進一步驗證了TO536站和YG431站垂測儀觀測結果可能由電離層行波式擾動造成的。

(a) TO536站3月8日f0F2觀測數據

(b) TO536站3月8日上空相對VTEC擾動值的時間序列

(c) YG431站3月8日f0F2觀測數據

(d) YG431站3月8日上空相對VTEC擾動值的時間序列圖3 f0F2與相對VTEC擾動值的相關分析

3.4 電離層Hs分析

表1給出了從3月2日至3月13日13:00LT至16:00LT之間距離震中2000 km以內的COSMIC掩星電子密度剖面的Hs值。圖4(a)～(d)給出了部分日期的電子密度剖面圖及其Hs值，圖中掩星電子密度剖面的峰值位置與震中的大圓距離小于1000 km則以實線繪制，否則以虛線繪制。

(a) 2011-3-2掩星電子密度剖面及其Hs(本地時)

(b) 2011-3-8掩星電子密度剖面及其Hs(本地時)

(c) 2011-3-11掩星電子密度剖面及其Hs(本地時)

(d) 2011-3-13掩星電子密度剖面及其Hs(本地時)圖4 3月2日至3月13日13:00LT～16:00LT期間距震中2000 km以內的COSMIC掩星電子密度剖面及其Hs

從表1中可以看出，3月2日，震區上空電離層Hs為92 km，3月7日14點以前的Hs也小于100 km，14點以后Hs開始增加，達到112 km.值得注意的是，3月8日，電離層Hs存在明顯異常，Hs高達173 km，即使距震中較遠的電子密度剖面得到的Hs也達到120 km.3月9日Hs均在120 km左右。地震發生當天的Hs為123 km，地震發生后的兩天內，Hs回落到100 km水平。

表1 電離層Hs的統計結果

電離層Hs存在地方時變化和季節性變化。春秋季節中緯地區，在14:00LT點后出現小幅下降；磁暴期間，會受電子和離子增溫影響。本文分析Hs的變化是在3月份2日至13日的同一時段基礎上得出的，且10日以前地磁活動平靜。可以看出，地震發生前震中附近的電離層Hs存在增加現象，增加幅度超到20%。除了8日Hs變化可能受太陽F10.7小幅增加影響外，可認為7日至11日14:00LT后電離層Hs增加現象與地震有關聯。

4. 結 論

綜合地磁活動和太陽活動等因素分析，認為震前電離層的f0F2、相對VTEC及Hs等異常變化與磁暴無關，但某些變化可能受到太陽活動影響。總之，上述異常變化符合已經證實的震前電離層異常現象，認為其可能與地震有一定關聯，表明電離層異常變化對于地震短期預報具有重要參考意義。但要弄清其前因后果，并做到短期預報，需要深入研究地震-電離層耦合機理及模型，并基于多種電離層探測手段開展多種電離層參數聯合分析，以增強地震電離層前兆的辨識度。

致謝本文研究所用數據來自于空間物理交互數據資源、日本學術振興會、UCAR的COSMIC數據分析與存儲中心和國家空間天氣監測預警中心，在此表示感謝。

[1] PULINETS S and BOYARCHUK K A. Ionospheric Precursors of Earthquakes[M]. Berlin: Springer, 2004.

[2] 丁鑒海, 申旭輝, 潘威炎, 等. 地震前兆研究進展[J]. 電波科學學報, 2006, 21(5):791-801.

DING Jianhai, SHEN Xuhui, PAN Weiyan, et al . Seismo electromagnetism precursor research progress[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2006, 21(5): 791-801. (in Chinese)

[3] 張學民, 丁鑒海, 申旭輝. 汶川8級地震前電磁擾動與電磁立體監測體系[J]. 電波科學學報, 2009, 24(1): 1-8.

ZHANG Xuemin, DING Jianhai, SHEN Xuhui. Electromagnetic perturbations before Wenchuan M8 earthquake and stereo electromagnetic observation system[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(1): 1-8. (in Chinese)

[4] 丁宗華，吳 健，孫樹計，等.汶川大地震前電離層參量的變化特征與分析[J].地球物理學報，2010，53(1)：30-38.

DING Zonghua,WU Jian，SUN Shuji,et al. The variation of ionosphere on some days before the Wenchuan Earthquake[J].Chinese Journal Geophysics,2010,53(1):30-38.(in Chinese)

[5] 趙 瑩, 張小紅. COSMIC掩星觀測數據反演電離層電子密度廓線[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2010, 5(6): 644-648.

ZHAO Ying, ZHANG Xiaohong. Inversion of Ionospheric electron density profiles with COSMIC occultation data[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2010, 5(6): 644-648. (in Chinese)

[6] 徐賢勝, 洪振杰, 郭 鵬, 等. COSMIC掩星電離層資料反演以及結果驗證[J]. 物理學報, 2010, 59(3): 2163-2168.

XU Shenxian, HONG Zhenjie, GUO Peng, et el. Retrieval and validation of ionospheric measurement from COSMIC radio occultation[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(3): 2163-2168. (in Chinese)

[7] 郭 鵬, 嚴豪健, 洪振杰, 等. GPS/LEO掩星技術中Abel積分變換的奇點問題[J]. 天文學報, 2004, 45(3): 330-337.

GUO Peng, YAN Haojian, HONG Zhenjie, et el. On the singular point of ABEL integral transformation in GPS/LEO occultation technique[J]. Acta Astronomica Sinica, 2004, 45(3): 330-337. (in Chinese)

[8] STANKOV S M., JAKOWSKI N. Topside plasma scale height modeling based on CHAMP measurements: first results, in Reigber, C, Luehr, H., Schwintzer, P., Wickert, J. (Eds.), Earth observations with CHAMP - results from three years in orbit[M]. Berlin: Springer, 2005: 459-464.

[9] STANKOV S M., JAKOWSKI N. Topside ionospheric scale height analysis and modeling based on radio occultation measurements[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2006, 68(2): 134-162.

[10] GULYAEVA T L. Storm time behavior of topside scale height inferred from the ionosphere-plasmasphere model driven by the F2 layer peak and GPS-TEC observations[J]. Advances in Space Research, 2011, 47(6): 913-920.

[11] SAITO A and FUKAO S. High resolution mapping of TEC perturbations with the GSI GPS network over Japan[J]. Geophysical Research Letters, 1998, 25(16): 3079-3082.