由GPS探測的大地震前TEC異常擾動

李 旺，郭金運,2，于學敏，于紅娟

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

0 引 言

地震是地殼快速釋放能量過程中產生的震動，常常造成嚴重人員傷亡，能引起火災、水災、海嘯、滑坡等自然災害，對人類生命財產安全造成嚴重的威脅。由于地震產生機制的復雜性，地震預報一直是全球性的難題，目前對于地震預報的研究仍處于探索階段。研究結果表明，地震不僅能對地球表面造成影響，而且能使大氣及電離層產生異常[1-2]。隨著衛星技術的日益成熟，利用高精度的電離層觀測資料來進行震前電離層異常分析成為現實。

目前研究結果表明：一般在震級大于5級的地震發生之前的幾小時到幾天之內，震中附近區域電離層會有較為明顯的擾動現象[3]，因此利用電離層的異常變化來進行地震研究是一種有效的方法。然而影響電離層擾動的因素很多，比如太陽活動、地磁場的變化等都會使電離層產生擾動現象，正確及時的把地震前兆信息從電離層擾動現象中提取出來是利用該方法的核心問題[4],對此科研工作者進行了大量的試驗，Leonard 和Barnes研究1964年阿拉斯加大地震時發現有電離層擾動現象[5]，Liperovsky等對1985-1990年的地震研究發現，太陽活動強烈的年份ES層擾動次數明顯比其他年份少，并且震前三天ES層擾動次數明顯增加，震級大于5.5的地震前有擾動現象的機率大于95%[6]。Liu等對1994-1999年間臺灣地區M6.0級以上的地震研究發現，震前1～6天，當地時間12∶00-17∶00電離層f0F2相對其15天中值有較明顯的下降，并將此現象作為地震前兆來預報地震[7]。進入新世紀后，隨著衛星技術的發展，利用衛星數據進行地震監測成為主流，吳云等對亞洲三次大地震TEC變化的統計發現，臨震前10天內，孕震區域上空TEC均發現了明顯的異常擾動[8]，姚宜斌等對2010年全球7次M7.0以上地震研究發現，7次地震中有5次發生了顯著的電離層異常，并且震前電離層正負異常均有可能發生，對應的磁共軛區也有異常出現，但是概率和幅值均低于震中附近區域[9]。Lin等運用非線性主成分分析發現汶川地震前TEC異常擾動確實存在，且峰值點在UT 02∶00-UT 04∶00之間[10]，Tsugawa等對2011年3月11日東日本大地震研究發現震后幾分鐘內，震區電離層有短時異常擾動，異常區域中心在震中東南170 km處[11]，Mullayarov等對東日本大地震的研究表明震前3天確實有地震造成的異常擾動產生，同時震前12～14天也有可能異常產生[12]。以上大多研究單個地震前的TEC擾動，且其背景值的選取具有隨意性，本文利用CODE提供的TEC數據，分析了同緯度帶上2008年5月12日四川汶川地震和2011年3月11日日本大地震前TEC的變化情況，比較兩次地震前TEC異常的共同點及不同之處，并根據電離層的變化特征，合理的選取背景值，在排除其他可能造成TEC擾動的因素外，提取震前TEC異常擾動信息。

1 數據情況

本文采用歐洲定軌中心(CODE)提供的全球電離層TEC資料(數據來源網站：ftp://ftp.unibe.ch/aiub)，CODE位于瑞士伯爾尼大學天文學研究所里面，是IGS的7個分析中心之一。自1998年4月1日開始，CODE利用分布全球跟蹤站的雙頻GPS接收機的碼和相位觀測資料，解算得到TEC，目前CODE提供的全球電離層TEC地圖數據(GIM),空間分辨率為5°(經度)×2.5°(緯度)，時間分辨率為2 h，對全球每個網格點TEC進行異常探測，TEC是信號傳播路徑上電子密度的線積分，表示該方向上電離層電子總數量，是研究全球電離層大尺度方向上變化的基礎數據[13-14]，地磁和太陽活動數據分別采用中科院空間中心提供的赤道地區地磁活動指數Dst、全球地磁活動指數Kp和F10.7太陽輻射流量(網址：http://159.226.22.201:9010/Portal/)赤道地區地磁活動指數Dst主要用來表征中低緯地區地磁活動的狀態，數據分辨率為1 h，可以描述環電流擾動場DR的強度，地磁平靜狀態下Dst指數一般為-20 nT～20 nT，全球地磁活動指數Kp用來描述每個3 h內地磁擾動強度的指數，共分9個等級，地磁平靜狀態下Kp指數一般小于3，F10.7太陽輻射流量是和太陽黑子一樣用來表述太陽活動強弱的常用指標，F10.7是指波長10.7公分的無線電波，接近被觀察的太陽電波的輻射位置。其擴散度來自于日冕活躍區被磁場拘束的電漿的輻射熱，能夠良好的表現出太陽活動的強度，通常取值在60～300之間[15]。

2 汶川地震TEC異常擾動檢測

北京時間2008年5月12日14時28分04秒，我國四川省汶川縣(31.01°N，103.40°E)發生里氏8.0級地震，震源深度14 km，是建國以來影響最大的地震，破壞力極大，直接嚴重受災地區達10萬平方公里，造成嚴重的損失。震前數天，我國各地電離層觀測站均探測到擾動現象。利用CODE提供的格點數據文件，插值求出震中位置(31.0°N,103.4°E)上空的電離層TEC，采用各時段前27天同一時刻的TEC做其背景值，利用滑動四分位法，對震中區域的電離層進行異常探測，探測時間為震前一個月及震后三天，結果如圖1所示。

由圖1(a)可以看出，震前后F10.7太陽輻射流量并沒有太大的變化，大約在75 SFU左右，這表明，在汶川地震前后的這段時間內，太陽活動并沒有顯著的變化，可以排除其造成電離層的異常擾動的可能；1(b)顯示震前后這段時間，地磁Dst指數有明顯的變化，在震前29天、26天、23天、7天左右約有-20 nT的負擾動，而在震前16天左右，Dst指數變化達到了約-50 nT,可能發生了中小等級磁暴，1(c)給出了全球地磁活動指數Kp指數的變化，震前26天、10天處Kp指數約為4，震前19天Kp指數達到了6左右，這表明這幾天全球范圍有較弱的地磁活動。與此對應的，汶川地區電離層TEC的變化也與地磁活動有著關系，圖1(d)給出了汶川電離層TEC的變化曲線和判定TEC是否異常的上下邊界，可以看出，大部分時間內，TEC的觀測值都處在上下邊界之內，表明此時TEC的變化處在正常范圍內，不存在異常擾動，而在某些時刻，淺色的觀測值明顯超過大于上邊界或者小于下邊界，其異常值如1(e)所示，在震前27天、25天、18天、6天、3天附近處有著較小的擾動，擾動范圍在-2～2 TECU之間，而在震前14天附近處有著較大的擾動，其擾動值為-4 TECU左右。這些TEC異常擾動大部分與地磁活動有關，對比圖1(b)、1(c)和1(e)可以發現，除了震前3天外，其它時刻TEC異常擾動的前1～2天內全球地磁活動都發生了擾動變化。如震天16天，Dst指數達到了-50 nT左右，震前14天，TEC擾動變化達-4 TECU.震前3天附近，TEC也約有-2～2 TECU的擾動，但其前幾天的地磁及太陽活動都處于非常平穩的狀態(F10.7<80 SFU,Kp≤3，20 nT>Dst>-20 nT)，這可能與孕震期間的地球內部變化有關，為了更直接的觀察此時刻的電離層變化，圖2和圖3分別示出了5月6日(震前6天)和5月9日(震前3天)全球TEC擾動分布結果。

圖1 2008年4月12日～5月15日期間太陽活動、地磁活動及汶川地區電離層的信息(a)F10.7太陽射電通量日變化;(b)地磁Dst指數日變化;(c)地磁Kp指數日變化;(d)汶川電離層TEC變化曲線; (e)汶川電離層TEC震前后的異常值(橫坐標為0的時段表示汶川地震的當天，淺線表示地震發生的時刻)

如圖2所示，異常大約從UTC6時開始出現，異常值比較小，最大異常值約-3.5 TECU；UTC8時，異常峰值的范圍和幅度達到了最大值，異常的范圍位于110°～130°E，15°～25°N，異常最大值位于118°E，23°N，出現在汶川東南的中國東南地區，最大異常值達到了-6 TECU，同時震中的磁赤道共軛區也出現異常現象，磁赤道共軛區的異常范圍比較小，出現在印尼的巴厘島附近海域，大約在115°～125°E，5°～15°S，且峰值較小，最大峰值約為-4 TECU；UTC10時，異常區域開始減小，且異常區域向西緩慢移動，最大異常峰值為-5 TECU，同時對應的磁赤道共軛區的異常現象消失；至UTC12時，震中附近的異常區域基本消失，異常位置靠近震中偏向赤道方向，異常持續時間約為6 h左右，同時在全球的其它地方也出現局部擾動，例如巴倫支海、印度半島南部海域和墨西哥地區出現增強，增強幅度約為2.5 TECU，加大拿東部海域和澳大利亞南部海域出現減小現象，幅度約為-3 TECU.

如圖3所示，UTC 8時，汶川以東區域出現局部異常，范圍較小，大致在115°～130°E，25°～35°N，最大異常峰值為3 TECU,此后異常逐漸增大，并緩慢向西移動；UTC10時，異常峰值的范圍和幅度達到最大值，范圍在90°～135°E，20°～35°N之間，覆蓋中國南部及東海大部分區域，異常值在110°E，27°N處，最大峰值達到9 TECU，同時在震中的磁赤道共軛區也出現異常現象，范圍較小，大致在105°～120°E,5°～15°S區域內，異常峰值為5 TECU；UTC10時，異常區域幾乎消失，只有在四川及青藏高原部分地區有少許異常擾動，異常擾動量也只有2～3 TECU，此時對應磁赤道共軛區的異常擾動也消失；至UTC12時，震中附近區域電離層異常擾動全部消失。這次擾動大約持續了6 h，在該擾動時間內，全球范圍內的電離層狀態相對平穩，只有北半球的局部區域出現少許增強現象，大約在0～2 TECU之間。

利用CODE提供的數據，插值得到汶川上空的TEC時間序列，發現TEC逐漸變小，但在震前三天突然增強，并且在5月9日UTC10時的時候，中國南部大部分區域都有顯著的增強，峰值點位于震中區域東南10°范圍內，并且南半球磁力線共軛區域也出現增強現象，除了該區域異常擾動，全球范圍內沒有其他區域出現顯著異常，且震前幾天太陽和地磁活動都處于平靜的狀態，這可能與該區域震前的電場增加有關，這有可能是地震之前的預兆之一。而5月6日8時震中東南區域出現的減小現象，這可能與地磁場的擾動有關，因為除了該區域出現異常外，全球其他地區也出現了一些或增或減的異常，而且在前一天，Dst指數出現-20 nT的負擾動，所以該天電離層TEC減少可能與地磁活動有關。

圖2 5月6日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 06∶00;(b)UTC 08∶00;(c)UTC 10∶00;(d)UTC12∶00;五角星代表汶川位置

圖3 5月9日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 08∶000;(b)UTC 10∶00;(c)UTC 12∶00;(d)UTC14∶00;五角星代表汶川位置

3 日本3.11大地震TEC異常檢測

2011年3月11日，日本當地時間14時46分，日本東北部海域發生里氏9.0級地震并引發海嘯，地震震中位于宮城縣以東太平洋海域(38.10°N,142.60°E)，震源深度海下10 km.東京有強烈震感，地震引發的海嘯影響到太平洋沿岸的大部分地區，這次地震恐為日本有地震記錄以來的最強地震，造成了重大人員傷亡及財產損失。本文通過CODE提供的GIM，插值求出震中區域的電離層TEC時間序列，以其前27天同時刻的TEC做背景值，通過滑動四分位法進行TEC異常探測，其結果如圖4所示。

圖4 2011年2月9日-3月14日太陽、地磁活動及震中區域電離層TEC的信息(a)F10.7太陽射電通量日變化;(b)地磁Dst指數日變化;(c)地磁Kp指數日變化;(d)汶川電離層TEC變化曲線;(e)汶川電離層TEC震前及震后的異常值;(橫坐標為0的時段表示日本地震的當天，淺線表示地震發生的時刻)

從圖4(a)可以看出，震前一個月內，太陽活動比較劇烈，出現兩次小高峰，分別為震前23天和震前3天，震前23天的這次稍弱，F10.7指數稍弱，約為110 SFU，震前3天(3月8日)的F10.7指數是東日本大地震前后一個月內最強的一天，達到了164 SFU，有可能對電離層造成一定的擾動，圖4(b)顯示出震前后的這段時間，地磁場變化比較明顯，震前24天、21天、9天及震前1～2天內，Dst指數都有一定的波動，震前9天的Dst指數達到了-59 nT，而地震當天，Dst指數更是達到了-80 nT，同時，Kp指數也變化明顯，在Dst指數有較大波動的當天，Kp指數也隨之增強，震前24天、21天、9天及地震當天，Kp指數都超過了5.圖4(d)給出了震前后一個多月的TEC觀測值及判定邊界，從圖4(d)可以看出淺色的觀測值有多處超過了黑色的上邊界及深色的下邊界，其對應異常值如圖4(e)所示，震前24天、21天、9天及地震前三天內，震中區域都發生了較大的增強現象，達到了5 TECU，對比圖4(b)、圖4(c)發現，大部分TEC異常的當天或前一天都發生了地磁擾動的現象，只有地震前三天的時候，其當天及前幾天的地磁環境很平穩，所以該次增強并不是地磁擾動導致的，而該天的太陽輻射很強，F10.7指數達到了164 SFU，所以該日的增強與太陽輻射有一定的關系，是否和孕震期間地球內部變化導致的還需要進一步的分析判斷。

圖5示出了3月8日(震前3天)02∶00-16∶00 UTC 2 h間隔的全球VTEC異常分布圖，從圖5可以看出，在UTC 2時的時候，全球呈現著多處異常擾動，大部分分布在北美洲、大西洋中部及印度洋等地，擾動量約為3～5 TECU，震中地區沒有異常現象，UTC 4時，全球TEC的擾動范圍略有減小，震中地區北部和南部分別出現一條異常擾動帶，范圍較小，主要分布在太平洋中部，擾動范圍在2～5 TECU之間，此后異常逐漸增大，并緩慢向西移動；UTC 6時，震中區域能看到明顯異常，主要異常區域分布在震中東南部，異常峰值點位于140°E，30°N，最大異常值達到21 TECU以上，同時對應的磁赤道共軛區也出現異常，異常范圍略小，異常值約為9～12 TECU之間，此時，全球范圍內，大西洋中部，中東地區，東北亞等地區也有少量異常擾動，異常值較小，只有2～5 TECU；UTC 8時，異常區域的范圍及幅度達到了最大值，此時的異常范圍位于90°～160°E，12.5°～37.5°N，長度大致為3∶1，峰值點向移動到震中的西南部，達到21 TECU以上，磁赤道共軛區的異常范圍和幅度也顯著增加，異常范圍在澳大利亞北部海域，峰值點位于135°E，-5°S，幅度達到21 TECU，此時全球范圍內只有歐洲地區及印度大陸南部海域有稍大的異常擾動，擾動幅度也較小；UTC10時，異常范圍繼續向西移動，異常幅度明顯減弱，最大異常值為17 TECU，此后異常區域明顯減弱，至 UTC 16時，震中區域異常擾動基本消失，此次異常擾動的時間較長，超過了10 h,在此期間，全球范圍內其他地區也發生了一些異常，但不論異常范圍還是異常幅度和震中區域的異常比較起來，都不明顯，可以肯定，當天全球范圍內出現較多的TEC異常區域，和該天的強太陽輻射有一定的關系(該天太陽輻射在震前后一個月內最強)，但是如果僅是太陽活動引起的電離層異常一般表現為大范圍的異常，且異常幅度分布較均衡，但是此次異常，震中附近區域的電離層異常幅度達到21 TECU異常，是其他地區的4～5倍，且持續時間較長(在當地時間晚上也有較強的擾動)，所以可以肯定此次異常不全是空間環境所致，可以進一步確認3月8日發生的電離層異常與東日本大地震有一定的相關性。

圖5 3月8日全球電離層TEC擾動量的全球分布圖(a)UTC 02∶00; (b)UTC 04∶00;(c)UTC 06∶00;(d)UTC 08∶00;(e)UTC 10∶00;(f)UTC 12∶00;(g)UTC 14∶00;(h)UTC 16∶00；五角星為震中位置

4 結束語

采用CODE提供的網格數據，通過插值得到震中區域震前后一個多月的TEC時間序列，通過滑動四分位法分析了汶川和日本兩次地震前的電離層TEC變化情況，分析結果表明:震前10天內，震中區域的電離層都不是平靜的，由于地磁和太陽活動都可以引起電離層擾動，因此分析地震前電離層的異常前，需要排除地磁及太陽活動的因素。

通過對兩次大地震分析，可以發現兩者的共同點，首先，兩次異常現象都持續了一定的時間，汶川地震異常持續了6 h，東日本大地震持續了10 h；其次，兩次地震前TEC異常區域中心都不是位于震中正上空，而是從震中的東南方向西移動，最后消失在震中的西南方，總的來說，異常區峰值點位于震中附近靠近赤道的方向，同時震中對應的磁赤道共軛區都出現了異常現象；最后，兩次異常的峰值都出現在當地時間的14∶00-18∶00.除了共同點，兩者還有一定的差異，比如東日本大地震異常幅度達到21 TECU以上，是汶川地震前TEC異常值的2～3倍，這表明異常的幅度和震級的強度具有一定的關系，這可以為以后震前電離層監測提供一定的參考。

致謝:感謝歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM，感謝中科院空間中心提供的地磁和太陽輻射數據。

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