利用GPS TEC探測2015年尼泊爾地震激發的電離層擾動

李　哲　唐　龍　張小紅

1　武漢大學測繪學院，武漢市珞喻路129號，430079 2　廣東工業大學土木與交通工程學院，廣州市外環西路100號，510006

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利用GPS TEC探測2015年尼泊爾地震激發的電離層擾動

李哲1唐龍2張小紅1

1武漢大學測繪學院，武漢市珞喻路129號，430079 2廣東工業大學土木與交通工程學院，廣州市外環西路100號，510006

利用尼泊爾周邊區域6個IGS GPS跟蹤站數據，對2015-04-25尼泊爾地震激發的電離層擾動進行分析。結果表明，地震發生后，尼泊爾上空電離層總電子含量(total electron content，TEC)存在不同頻率的電離層擾動，擾動中心頻率約為3 mHz和4 mHz。前者發生在震中附近1 000 km左右的范圍，后者范圍達2 000 km，推斷其分別為地震破裂產生的聲重波信號以及瑞利波向上傳播到電離層所激發的異常擾動信號。聯合兩個頻率擾動信號，根據觀測的擾動位置以及經驗擾動速度反演震中位置，結果與實際情況符合較好。

GPS；電離層擾動；總電子含量；震中位置

震后電離層中主要存在兩種同震電離層擾動：一種為地震破裂產生的較低頻的聲波(或聲重波)信號，以聲速進行傳播[1-3]；另外一種為表面波即瑞利波引發的較高頻聲波信號，以瑞利波的速度進行傳播[4-6]。不少學者利用全球不同類型的密集GPS網觀測數據對震后電離層擾動的傳播特征進行分析，但對GPS測站較少區域的地震實例研究不多。本文利用分布在2015年尼泊爾MW8.1地震震中周圍的幾個IGS跟蹤站觀測該地震引發的電離層擾動，并根據擾動特征推算震中位置。

1　數據處理

無幾何關系的雙頻載波相位組合觀測值與電離層總電子含量(total electron content, TEC)的關系式為：

(1)

式中，sT為電離層TEC(單位為TECu),f1、f2為載波頻率,L1、L2為載波相位觀測值,const為未知的常量偏差，包括載波相位模糊度以及硬件延遲,ε為測站噪聲。

為了提取電離層擾動序列，需要去除電離層TEC的背景趨勢項。采用Savitzky-Golay滑動濾波進行處理[7]：

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可以提取各歷元的擾動項，得到最終的擾動序列，利用該擾動序列可以判斷電離層中是否存在擾動。

2　觀測與分析

距離2015-04-25尼泊爾地震震中相對較近的IGS跟蹤站有6個(CHUM、CUSV、HYDE、IISC、LHAZ、POL2)，其中LHAZ站距離震中最近。

圖1為2015-04-25根據測站與震中之間的距離由近到遠繪制的各測站GPS觀測值擾動序列。可以看出，在地震發生后(紅色實線為地震發生時刻)，距離震中較近的測站LHAZ、HYDE和CUSV的GPS序列中出現了明顯擾動(圖中紅框部分)。

圖2(a)、圖2(c)、圖2(e)分別給出了測站LHAZ、HYDE和CUSV在UT06:00～07:00觀測的擾動序列，圖2(b)、圖2(d)、圖2(f)為相應測站的衛星運動軌跡圖。圖中紅色五角星為震中位置，藍色菱形為測站位置，顏色條為UT05:00～08:00衛星的運動軌跡，將序列中擾動出現的初始觀測時間作為特征點。由圖2(a)可以看出，在測站LHAZ觀測衛星PRN23、PRN9以及PRN16所得擾動序列中，UT06:22、UT06:28和UT06:28分別出現擾動，擾動位于震中以北，與震中之間的距離分別為574.6 km、639.1 km、663.6 km。從時間上看，測站LHAZ先于測站HYDE和CUSV觀測到擾動，測站HYDE對衛星PRN16、PRN23和PRN27的觀測序列中，分別在UT06:29、UT06:29和UT06:30探測到擾動，擾動位于震中以南，與震中相距1 165.4 km、1 185.4 km和1 472.2 km；測站CUSV對衛星PRN23、PRN16和PRN26觀測序列分別在UT06:31、UT06:34、UT06:34于震中的東方向探測到擾動，與震中之間的距離分別為1 866.1 km、2 136.5 km和2 153.0 km。

圖1　2015-04-25尼泊爾地震震中附近各測站UT05:00～08:00擾動序列Fig.1　Disturbances series of each station in the vicinity of Nepal in Apr 25,2015

圖2　測站LHAZ、HYDE及CUSV 擾動序列及衛星軌跡分布Fig.2　Disturbances series and satellite traces of station LHAZ, HYDE and CUSV

圖2的觀測結果表明，測站LHAZ在UT06:22(震后10 min左右)最先探測到電離層擾動，擾動出現在震中以北570 km處。隨后，測站HYDE和CUSV分別在震中以南和以東1 000 km以外區域探測到了電離層擾動，最遠可達2 000 km以上。

為進一步探討觀測到的電離層擾動特性，選擇測站LHAZ、HYDE和CUSV觀測衛星PRN16的擾動序列的頻率進行分析，結果見圖3。從圖3可以得出，測站LHAZ的中心頻率為3.2 mHz，測站HYDE對應的中心頻率有兩個，分別為3.9 mHz和3.2 mHz，測站CUSV對應的中心頻率為3.9 mHz。根據頻率分析可認為，存在兩種不同類型的擾動信號。由圖3中心頻率對應的時間可得，3.2 mHz擾動對應的衛星PRN16電離層穿刺點和震中的距離分別為650 km和1 100 km，分別在震中以北方向和以南方向；3.9 mHz擾動對應的電離層穿刺點分別在震中以南1 180 km和震中以東2 130 km處。由于地震破裂產生的較低頻聲波(或聲重波)信號傳播距離有限(一般在1 000 km以內)，而瑞利波引發的較高頻聲波信號傳播距離可達2 000 km以上[8]，因此，判斷頻率為3.2 mHz的擾動信號可能為地震破裂聲波引起，而3.9 mHz擾動信號可能為瑞利波信號。

圖3　測站LHAZ、HYDE和CUSV擾動序列及其時頻圖Fig.3　Disturbances series and time-frequency graph of station LHAZ, HYDE and CUSV

為了對觀測結果進行驗證，根據觀測的電離層擾動位置以及經驗傳播速度反推震中位置。圖4給出了測站LHAZ、HYDE和CUSV觀測的電離層擾動位置分布，圖中紅色五角星為實際震中位置，藍色圓點為測站位置，彩色弧線為各測站觀測的衛星軌跡，“×”為出現擾動的位置。

圖4　測站LHAZ、HYDE和CUSV觀測的電離層擾動位置分布Fig.4　Distribution of disturbances observed by station LHAZ, HYDE and CUSV

地震破裂產生的聲波以震中為圓心沿各個方向傳播[5]，可近似認為聲波從地面傳播到電離層的軌跡為直線(圖5中綠色虛線)，則地震破裂聲波傳播公式為：

(r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi)))2+

(4)

圖5　擾動傳播示意圖Fig.5　Diagram of disturbances propagation

瑞利波引發的電離層擾動傳播速度與瑞利波相同，但其激發的聲波從地表傳播到電離層高度(基本上沿垂直方向[6])需要一定的時長(如圖5中藍色虛線所示)：

r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi))=

(5)

式中，vR為瑞利波的傳播速度。

為剔除可能的周期性電離層擾動，對比這3個測站04-24～26觀測到的部分衛星的擾動序列(圖6)。通過對比3 d的幾組GPS時間序列可以看出，在04-25 UT06:00～07:00的擾動序列中有明顯的電離層擾動，而地震前后2 d擾動不明顯。這進一步證明，04-25 UT06:00～07:00電離層中出現的擾動并非為電離層自身周期性日變化，而是由地震引起的。

圖6　測站LHAZ、HYDE及CUSV擾動序列Fig.6　Disturbances series of station LHAZ, HYDE and CUSV

3　結　語

本文利用尼泊爾地震震中周邊6個IGS跟蹤站GPS觀測數據，對2015-04-25尼泊爾地震引發的電離層擾動進行初步分析。結果表明，地震發生后，尼泊爾上空電離層存在地震破裂產生的聲重波信號以及瑞利波信號。前者頻率約為3 mHz，傾斜向上傳播至電離層高度，出現在距震中約1 000 km以內；瑞利波信號頻率約為4 mHz，激發垂直向上傳播的聲波到達電離層高度后，再以瑞利波速度沿水平方向傳播，傳播距離較遠，在距震中2 000 km處仍可觀測到信號。

本文根據觀測的電離層擾動位置以及經驗的傳播速度反推的震中位置，與實際震中位置符合較好，證明了觀測結果的可靠性。同時，通過對比地震前后2 d的GPS時間序列，排除了電離層自身周期性變化的影響。本文計算結果表明，利用少量的GPS觀測站也可以探測地震引發的電離層擾動信號，這對于測站較少的地區進行地震電離層研究具有重要意義。

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disturbances with different frequencies (3 mHz and 4 mHz) above the Nepal area after the earthquake. We deduce that the disturbances with a frequency of 3 mHz within 1 000 km are generated by AGW(acoustic gravity wave) produced by vertical motions of the earth’s surface, and the disturbances with a frequency of 4 mHz, which can reach over 2 000 km, are caused by the Raleigh wave’s upward propagation. Furthermore, we invert the epicenter in the light of the observed disturbance location and empirical disturbance velocities, combining the two kinds of disturbance signals to validate our results. The inverted epicenter accords well with the real position.

Foundation support:Special Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China, No. 20130141110001;Basic Research Fund of Geomatics of Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education,No.15-01-07.

About the first author:LI Zhe, postgraduate,majors in ionosphere disturbances and GNSS application in geosciences,E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn.

Ionospheric Disturbances Triggered by 2015 Nepal Earthquake Detected by GPS TEC

LIZhe1TANGLong2ZHANGXiaohong1

1School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, 129 Luoyu Road,Wuhan 430079,China 2School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology,100 West-Waihuan Road,Guangzhou 510006,China

This paper analyses the ionospheric disturbances triggered by the 25 April 2015 Nepal earthquake, using data from 6 IGS GPS stations in the Nepal area. The results show that there are ionospheric

GPS; ionospheric disturbances; TEC; epicenter

TANG Long,lecture, majors in GNSS positioning and ionosphere monitoring,E-mail:ltang@whu.edu.cn.

2015-09-17

唐龍，講師，主要研究方向為GNSS定位及電離層監測,E-mail:ltang@whu.edu.cn。

10.14075/j.jgg.2016.09.002

1671-5942(2016)09-0757-04

P228

A

項目來源：高等學校博士學科點專項科研基金(20130141110001)；地球空間環境與大地測量教育部重點實驗室測繪基礎研究基金(15-01-07)。第一作者簡介：李哲，碩士生，主要研究方向為電離層擾動及GNSS地學應用，E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn。