與地震相關(guān)的電離層電子密度擾動(dòng)的空間分布統(tǒng)計(jì)特征

何宇飛 楊冬梅 錢家棟 M Parrot

1）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

3）Laboratory of Physical and Chemical Environment,National Center for Scientific Research, Orleans, France

目前針對(duì)地震電離層現(xiàn)象研究的報(bào)道依然存在很大的爭(zhēng)論，有很多專家和學(xué)者認(rèn)為地震作為一個(gè)非常復(fù)雜的地球物理現(xiàn)象，它的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是不規(guī)則、非線性的，從而導(dǎo)致與其相關(guān)的前兆參數(shù)也具有很高的不確定性，加之研究中使用數(shù)據(jù)的來(lái)源不盡相同，可能來(lái)自不同高度的衛(wèi)星，不同測(cè)量?jī)x器，使得每一個(gè)地震的分析結(jié)果中所表現(xiàn)出的異常變化特征也各不相同。對(duì)同一地震分析，有的研究人員發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生前有增大的異常變化，也有的報(bào)道探測(cè)到降低的異常變化，很難形成一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。為尋找電離層對(duì)不同地震事件可能存在的共同變化響應(yīng)特征，科學(xué)家們也紛紛展開(kāi)了統(tǒng)計(jì)研究工作，并在一定程度上得到了地震電離層效應(yīng)的可能的特征。

自法國(guó)發(fā)射了第一顆應(yīng)用于地震和火山監(jiān)測(cè)研究的DEMETER衛(wèi)星后，因其軌道設(shè)計(jì)能更大程度的覆蓋全球地震活動(dòng)區(qū)域，能捕捉到更多的地震的震前和震后信息。現(xiàn)今已經(jīng)積累了約6年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在同一軌道高度處的數(shù)據(jù)有連續(xù)4年，所以應(yīng)用DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析地震上空電離層擾動(dòng)信息、探索與地震相關(guān)的電離層擾動(dòng)特征成為很好的選擇，并能提供更為可信的結(jié)果，由此展開(kāi)了基于此衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的工作。

分析中選用DEMETER衛(wèi)星上搭載的朗繆爾探針(ISL) 從2006-2009年記錄到的近40 000個(gè)軌道的電子密度（Ne）觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)在此期間全球范圍內(nèi)震級(jí)大于或等于5級(jí)、震源深度小于60 km、約6 000多個(gè)地震事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究，分析了地震發(fā)生前，震中上方區(qū)域電離層擾動(dòng)的空間分布特征。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，主要分3步進(jìn)行的。第一步是對(duì)所有收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化。網(wǎng)格化方法是將全球依據(jù)地理經(jīng)緯度進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)網(wǎng)格的大小為2°（經(jīng)度）×2°（緯度），總計(jì)16 200個(gè)。對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格分別收集在2006年初至2009年底衛(wèi)星投影在網(wǎng)格內(nèi)的所有觀測(cè)數(shù)據(jù)，并記錄下每一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)值x、地理經(jīng)度λ、地理緯度φ、數(shù)據(jù)時(shí)間t、對(duì)應(yīng)的地磁Kp指數(shù)以及其所在網(wǎng)格的網(wǎng)格號(hào)。因此，可以根據(jù)這些信息，得到在不同參量的組合下的觀測(cè)數(shù)據(jù)集，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)分析的第二步是定義統(tǒng)計(jì)參量。這里主要針對(duì)地震發(fā)生前震中上空區(qū)域的電離層電子密度擾動(dòng)情況進(jìn)行分析，而所指的電離層電子密度擾動(dòng)是相對(duì)于正常背景的擾動(dòng)，因此首先需要建立一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的背景。以往的研究表明電離層中電子密度（Ne）的變化是非常復(fù)雜的，在不同的地理位置、不同的年度、不同季節(jié)、白天與夜間都有很大的差異，所以針對(duì)不同的地震事件，其參考背景都應(yīng)有所區(qū)別。在分析中選擇震中附近的一定范圍為研究區(qū)域，并以臨近地震發(fā)生時(shí)段的數(shù)據(jù)相對(duì)于距地震發(fā)生較遠(yuǎn)時(shí)段數(shù)據(jù)為背景的相對(duì)變化作為研究的統(tǒng)計(jì)參量。數(shù)據(jù)分析的第三步是對(duì)統(tǒng)計(jì)參量進(jìn)行空間分布特征分析。通過(guò)三步的數(shù)據(jù)分析處理，來(lái)提取震前數(shù)據(jù)擾動(dòng)在空間分布上的信息。

從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看到，震中上方區(qū)域電離層擾動(dòng)強(qiáng)度顯著的高于（＞3σ）周圍區(qū)域。與此同時(shí)，又對(duì)隨機(jī)生成的模擬地震事件的震中上空電離層分析，結(jié)果顯示震中區(qū)域與周圍的區(qū)域擾動(dòng)變化相近，沒(méi)有優(yōu)勢(shì)擾動(dòng)（＞3σ）位置的存在。

因此，綜上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，可以初步認(rèn)定震中上方電離層較強(qiáng)擾動(dòng)是對(duì)地震事件的特征響應(yīng)，與地震事件的存在密切相聯(lián)。