東日本大地震電離層異常分析

王　園，白征東，元　榮

(1. 清華大學土木工程系地球空間信息研究所，北京 100084； 2. 96633部隊，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong

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東日本大地震電離層異常分析

王園1,2，白征東1，元榮1

(1. 清華大學土木工程系地球空間信息研究所，北京 100084； 2. 96633部隊，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong

摘要：目前空基和路基等電磁信號探測手段已經應用于地震電離層異常的探測。自從GPS數據可以用于計算電離層電子總量(TEC)，這項技術被廣泛關注的同時作為一個可行的手段用于探測地震前后電離層異常。本文利用東日本大地震震中附近多個IGS網絡站點的數據，分析2011年3月11日發生的Mw9.0東日本大地震震區上空電離層信息，計算出TEC時間序列并進行波譜分析、包絡線法異常分析、全球電離層異常地圖繪制及震后3 h擾動異常分析。通過分析發現，震前存在明顯的電離層異常，在3月8日即震前第3天存在異常；同時也計算了震后3 h的各站與衛星路徑上等價TEC的P4值；且多個站與多星路徑上存在著明顯的電離層擾動異常，并且不斷遠離震中，能量逐漸衰減，證明電離層異常的發生與地震有較明顯的關系。

關鍵詞：GPS；地震；電離層異常；TEC

一、引言

地震電離層耦合領域的研究受到越來越多國內外科學家的關注[1-3]。當異常的電磁信號穿透地表進入電離層時，耦合現象就會發生[4]。關于異常產生的原因，主要有電磁輻射聲重力波說[4]和大氣電場改變說[5]等。地震孕育過程中的電離層異常已經被多種技術手段所捕獲證實，如地基電離層探測儀[6]、衛星電離層探測[7]，以及基于GPS的TEC觀測技術[8-10]等。上述技術使得震前電離層異常的探測成為可能。

20世紀60年代美國學者發現阿拉斯加大地震震后數小時上空出現了電離層的擾動異常[11]，之后眾多學者致力于此方面的研究。歸結為兩個方向：一種是震后數小時電離層擾動的研究[11]；另一種是對地震前后多天TEC序列進行數學分析，利用數學方法判斷超限的時段，定性為異常[3]。本文同時從這兩個角度對2011年東日本大地震進行研究，均證實了異常的存在。具體方法有利用包絡線法等數學方法對地震前后數天TEC序列進行分析，判斷出異常天數和繪制異常全球圖；通過研究震后3 h的TEC變化，發現了電離層擾動，基于測站位置、擾動的開始時間和持續時間等分析出電離層擾動異常的移動及衰減等信息。

二、利用GPS數據計算TEC

GPS每顆衛星連續地向地面發射調制在雙頻載波(f1=1.575 42 GHz、f2=1.227 6 GHz)上的偽隨機碼(PRN)。GPS接收機根據接收到的碼信息，生成兩種類型的觀測量：偽距(衛地傳輸時間乘以光速)和載波相位(φ1和φ2表示不同頻率上的相位值)。

GPS信號在電離層中的傳播延遲是最重要的影響定位精度的因素之一。然而，電離層是一個彌散型介質，載波f1、f2之間的延遲差可以用來量化這項誤差。基于雙頻偽距和載波觀測量，通過下式可以計算出衛星到接收機傳播路徑上的電子總量(integrated electron content, IEC)[2]

(1)

式(1)給出的是信號傳播路徑上的電子含量，利用一個投影函數EΘ反演到垂向上，得到VTEC(vertical total electron content)，Θ代表衛星高度角[9]。

(2)

式中，RE為地球半徑；hion代表平均電離層高度，取值為350km。由式(1)、式(2)就可以得到垂向的VTEC。

VTEC=IEC×EΘ

(3)

利用建立區域模型的方法，如球諧函數模型[10]

bnmsinms)

(4)

三、東日本大地震震例分析

1. 地震簡介

2011年3月11日當地時間14時46分，日本本州島宮城縣以東太平洋海域，發生Mw9.0 強烈地震，震中位于北緯38.1°，東經142.6°，震源深度20km。地震引發大規模海嘯，造成重大人員傷亡，并引發日本福島第一核電站發生和泄漏事故。圖1為東日本大地震震中與附近觀測站分布，五角星代表震中位置。

圖1　震中及附近IGS站

2. 頻譜分析及TEC時間序列分析

利用第二章介紹的方法，計算Tsk2測站2011年全年的TEC時間序列。為了降低計算量，稀疏歷元間隔至30 min。圖2顯示了測站Tsk2原始的TEC時間序列，圖3為進行譜分析的結果圖?？梢钥吹剑ǚ遄畲?個頻率值分別代表一天、半天和27 d，同每天的太陽活動變化周期、月潮周期和太陽自轉周期吻合，反映了TEC的變化可能受這些因素的影響。

圖2　Tsk2站2011年TEC圖

圖3　對應的頻譜圖

取各個測站VTEC的震前11 d及震后4 d，利用包絡線法，取前后14 d的中位數為背景值，加減2倍標準差形成上下限，繪制VTEC時序圖，中間實線為VTEC序列，上下虛線為包絡線邊界，超過邊界則認為出現異常，縱線代表地震時刻，繪圖分別如圖4—圖9所示。

圖4　Mizu站VTEC序列圖

圖5　Usud站VTEC序列圖

圖6　Tsk2站VTEC序列圖

圖7　Aira站VTEC序列圖

圖8　Yssk站VTEC序列圖

圖9　Daej站VTEC序列圖

Mizu站在地震發生后未繼續接收數據，故時間序列顯示到地震時刻。各站幾乎都在年積日67 d(3月8日)VTEC達到最大，并且接近2倍中誤差上限，Aira站當天數據已經超限。地震當天及之后3天各站VTEC均偏大，但未超限。以上異常出現的時段多集中在白天午后。超限時段少的原因可能因為背景閾值設置的偏大?？梢钥闯隹拷嗟赖囊粋?，Aira的VTEC值遠大于遠離赤道的Yssk站。

3. 全球電離層異常圖分析

IGS提供了全球的電離層格網文件(RINEX I文件)，經緯度分辨率5°×2.5°，時間分辨率2 h。利用IGS提供的這一產品，通過繪制電離層異常地圖，可以進一步從全球角度進行異常的研究。具體方法為：采用前10 d的數據中位數作為背景值，加減2倍標準差形成上下限，若VTEC>上限，則ΔVTEC=VTEC-上限；若VTEC<下限，則ΔVTEC=VTEC-下限；若下限≤VTEC≤上限，則ΔVTEC=0。通過觀察震前數天異常地圖發現，同樣發現在3月8日出現了明顯震中附近異常，其他天數發現的異常區域距離震中遠，范圍較小、規律性差且異常值偏小，難以研究與地震的聯系。因此重點研究了3月8日全球異常變化情況。圖10—圖13給出了當天6：00—12：00 UT(間隔2 h)全球電離層異常圖，圖中五角星標記為震中?？梢钥吹?:00 UT在震中南側出現最大為16 TECU的正異常區域，并且在赤道共軛區域出現相同負異常區。隨著時間推移，異常值先增大后又減小，并且沿著赤道向西運動。異常持續運動約6 h，并且同時在地球其他區域不存在類似明顯異常，但存在異常數值相對較小的正異常區域，可能與上下限設置有關?？紤]地磁環境均較為穩定但輻射水平較強(Dst<-20 nt，kp<4，F10.7=155)，但在其他地區未出現明顯的異常區域，是否異常是由地震孕育引起的，仍需要進一步確認。地震當天及之后3天各站VTEC偏高未超限，且這幾天的全球異常圖并未發現異常，故暫不考慮其與地震發生的相關性。

圖10　3月8日6:00 UT全球電離層異常

圖11　3月8日8:00 UT全球電離層異常

圖12　3月8日10:00 UT全球電離層異常

圖13　3月8日12:00 UT全球電離層異常

4. 震后3 h電離層擾動異常分析

圖14　Tsk2與Prn15的P4

圖15　Tsk2與Prn18的P4

圖16　Usud與Prn15的P4

圖17　Usud與Prn18的P4

圖18　Usud與Prn27的P4

圖19　Aira與Prn15的P4

Tsk2站上觀測到與15、18號星的路徑上P4值出現擾動異常，與其他星的值未出現。Tsk2站與15號星的P4值在震后半小時，即15:10開始出現明顯的擾動，一直持續到16:40結束。Tsk2站與18號星的P4值同樣在15:10開始出現擾動，持續到15:40結束，擾動程度沒有15號星劇烈，持續時間也偏短。

Usud站上總共觀測到與15、18、27號星的路徑上P4值出現擾動異常，與其他星的值未出現。Usud站與15號星的P4值大約在15:30開始出現擾動，持續到17:00結束。Usud站與18號星的P4值在15:30開始出現擾動，持續到15:50結束，擾動幅度小，持續時間短。Usud站與27號星的P4值在16:00以后有一些輕微的擾動，持續時間也短。

Aira站上觀測到與15號星的P4值出現擾動擾動，出現時間約在16:40，持續約10 min結束。

在Daej和Yssk站未觀測到擾動異常現象，距離震中最近的Mizu站在地震后數據丟失，因此沒有參與計算。Daej和Yssk站未出現異常的原因可能由于距離震中太遠，站星的路徑并未與異常電離層區域重疊所致。

通過以上觀測結果可以看出，Tsk2、Usud、Aira 3站與15號衛星路徑上的P4值出現了較為劇烈的擾動，并且擾動開始時間與空間分布有關，距離震中越近開始時間越早，隨著遠離震中擾動時間也逐漸變短，可以推測是由于異常的移動與能量逐漸衰減導致的。Tsk2與Usud站探測到與18號衛星路徑上存在的擾動，開始時間與持續時間基本相同，可能主要因為兩站距離過近所導致的。在Usud站還探測到與27號衛星路徑上在15:00和16:00時刻出現輕微并短暫的擾動，在其他站未探測到，可能因為是震中附近出現的小范圍異常，能量小并迅速消失有關。

四、結束語

本文以東日本大地震震中附近多個IGS站地震前后數天的數據為基礎進行研究，計算出TEC時間序列并進行波譜分析、包絡線法分析，利用IGS提供的電離層格網檢測震前異常及計算出震后3 h等價TEC的P4時間序列。發現了震前存在明顯的電離層異常，確認在3月8日即震前3天存在的震中附近6 h的大范圍正異常，其異常區域沿著磁赤道對稱分布，不斷移動。并發現了在震后3 h內，多站與多星的路徑上存在程度不同的電離層擾動異常，并且擾動逐漸遠離震中，能量逐漸衰減。綜上所述，可以看到電離層出現的各種異?，F象與地震的發生存在著密切的聯系。但由于電離層異常構成復雜，仍需要作進一步的研究分析。

參考文獻：

[1]AKHOONDZADEH M, SARADJIAN M R. TEC Variations Analysis Concerning Haiti (January 12, 2010) and Samoa (September 29, 2009) Earthquakes[J]. Advances in Space Research, 2011, 47(1): 94-104.

[2]DAUTERMANN T, CALAIS E, HAASE J, et al. Investigation of Ionospheric Electron Content Variations before Earthquakes in Southern California, 2003-2004[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth (1978—2012), 2007, 112(B2).DOI:10.1029/2006JB004447.

[3]林劍. GPS 電離層觀測技術及其在地震中的應用研究[D]. 武漢：武漢大學, 2011.

[4]PULINETS S A, BOYARCHUK K A, HEGAI V V, et al. Quasielectrostatic Model of Atmosphere-thermosphere-ionosphere Coupling[J]. Advances in Space Research, 2000, 26(8): 1209-1218.

[5]ZASLAVSKI Y,PARROT M，BLANCE E.Analysis of VTEC Measurements above Active Seismic Regions[J].Phys Earth Planet Int,1998(105):219-228.

[6]LIU J Y, CHEN Y I, PULINETS S A, et al. Seismo-ionospheric Signatures Prior to M≥ 6.0 Taiwan Earthquakes[J]. Geophysical Research Letters, 2000, 27(19): 3113-3116.

[7]PULINETS S A, LEGEN’KA A D. Spatial-temporal Characteristics of Large Scale Disturbances of Electron Density Observed in the Ionospheric F-region before Strong Earthquakes[J]. Cosmic Research, 2003, 41(3): 221-230.

[8]吳云, 喬學軍, 周義炎. 利用地基 GPS 探測震前電離層 TEC 異常[J]. 大地測量與地球動力學, 2005, 25(2): 36-40.

[9]祝芙英, 吳云, 林劍, 等. 汶川 Ms8. 0 地震前電離層 TEC 異常分析[J]. 大地測量與地球動力學, 2008, 28(6): 16-21.

[10]張東和, 蕭佐. 利用 GPS 計算 TEC 的方法及其對電離層擾動的觀測[J]. 地球物理學報, 2000, 43(4): 451-458.

[11]LEONARD R S，BARNES R A. Observation of Ionospheric Disturbances Following the Alaska Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1250-1253.

[12]何玉晶, 楊力. 基于球諧函數模型的 GPS 電離層延遲改正分析[J]. 測繪科學, 2010, 35(4): 74-75.

[13]王剛，魏子卿. 格網電離層延遲模型的建立方法與試算結果[J]. 測繪通報, 2000 (9): 1-2.引文格式： 畢凱，李英成，丁曉波，等. 輕小型無人機航攝技術現狀及發展趨勢[J].測繪通報，2015(3)：27-31.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0068

引文格式： 王園，白征東，元榮. 東日本大地震電離層異常分析[J].測繪通報，2015(3)：22-26.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0067

作者簡介：王園(1984—)，男，碩士生，主要研究方向為GPS數據應用。E-mail:8039398@qq.com

收稿日期：2014-02-05

中圖分類號：P228.4

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)03-0022-05