基于滑動四分位距法的地震期間電離層TEC異常

楊可可,劉立龍,2,陳 軍

(1.桂林理工大學 a.廣西空間信息與測繪重點實驗室;b.測繪地理信息學院,廣西 桂林 541006;2.欽州學院 資源與環境學院,廣西 欽州 535000)

0 引 言

全球每年都會發生一些破壞性強的地震,地震給人類生命財產帶來巨大的損失。地震產生的機理相當復雜,世界各國對地震的預報也一直處于探索階段。國內外許多學者致力于研究地震前地質構造變化以及與地震有關的其他震前異常現象,其中地震與大氣層中電離層的關系成為當前研究的熱點[1-6]。1964年美國阿拉斯加大地震時,Leonard等[2]發現地震期間電離層有異常擾動現象,此后各國學者開始研究電離層的變化與地震的關系。Antsilevich[3]分析了1966年Tashkent地震時電離層總電子含量,發現地震期間電子含量有明顯增加的現象;Weaver等[4]發現了在1969年Kurile島地震期間電離層也出現了異常擾動。震例研究表明: 大于5級的地震發生前幾天, 震中附近上空電離層都會出現異常現象,電離層F2層的臨界頻率f0F2、總電子含量等參量存在異常的擾動[7-13]。

早期由于GPS技術有限,對震前電離層異常分析主要使用電離層測高儀、斜測儀等,但這些方法只能獲取站點上空電離層信息,不能對電離層長時間、大范圍觀測。隨著科技的發展, GNSS作為一種新技術, 以其高精度、 高分辨率、全天候、 全自動的特性, 能夠準確獲得信號傳播路徑上的電離層總電子含量(total electric content,TEC), 為研究電離層活動與地震關系提供了一條新路徑。馬一方等[7]利用GIM提供的格網點數據分析了蘆山地震期間電離層的異常變化特征,研究發現,震前在震中附近上空東向和北向梯度VTEC均出現了負異常,而該異常僅發生在蘆山地震期間。姚宜斌等[8]利用震中附近GNSS觀測數據，采用滑動窗口法發現2011年3月日本地震前電離層有擾動現象,并深入分析了震中附近電離層電子密度的空間分布,確認了此次電離層異常可能是“孕育”地震引起的。張小紅等[9]利用時間序列法分析了2012年1月10日蘇門答臘島MS7.2級地震,采用IGS中心提供的震中附近4個格網點TEC數據得到震前13天電離層TEC時間序列,并詳細比較分析了時間序列法、傳統滑動時窗法和四分位法在預測電離層TEC參考背景值和精度,為準確預報地震時段電離層TEC提供了參考。

基于滑動四分位法具有能較為準確地獲得預測參考背景值,并可以比較精確地計算出背景參考值上下限的特點[7],本文利用IGS數據分析中心提供的全球電離層格網數據,利用雙線性插值法[10]和滑動四分位法對日本九州島地震上空電離層變化特性進行分析,探討地震對電離層變化情況的影響。

1 數據及異常檢測方法

1.1 數據

2016年4月14日UTC 12:26:37, 日本九州島(32.75°N, 130.80°E)發生了6.2級地震,接著在UTC 15:03:47又發生了6.0級地震,震源深度都是20 km; 2016年4月15日UTC 16:25:09,在同一地點發生了7.3級地震,震源深度10 km。分析電離層異常時,采用的電離層數據來源于IGS提供的全球電離層格網數據,該數據是通過全球分布的IGS基準站觀測資料計算得到[11-13],時間分辨率為2 h,空間分辨率為5°×2.5°,IGS電離層產品精度較高，能達到2～4 TECu[10]。該數據不僅在電離層反演氣候學得到廣泛的應用,同樣用于分析地震與電離層的關系等領域[14-19]。根據文獻[12]提出的孕震區半徑公式R=100.43M(M代表震級,R代表孕震區半徑(km)),日本九州島地震孕震區半徑約為1 377 km。因此,GIM的空間分辨率可以滿足此次地震電離層異常擾動分析的需求。本文利用地震周圍格網點TEC值進行雙線性內插得到震中的TEC,具體方法見文獻[11], 使用該方法內插出2013年5月16日世界時當天(33°N, 120°E)處的VTEC變化曲線圖。經統計,RMS最大值為1.75 TECu,最小值為0.21 TECu。本文利用上述方法對VTEC值進行內插,得到時間分辨率為30 min的數據,詳細分析地震前后17天震中(32.75°N, 130.80°E)處附近上空電離層VTEC變化。

1.2 滑動四分位距法

以往主要是以月均值、月中值或地震期間10天的滑動均值作為背景參考值用于電離層TEC的異常研究,這種方法不能剔除數據中的異常數據,使得計算的背景參考值存在較大偏差,導致探測結果不準確。因此本文采用滑動四分位距法來檢驗VTEC異常信息[14-15]。四分位距(inter quartile rang,IQR)是一種穩健統計技術中用于表示數據離散度的一個量,常用來檢查數據的異常情況[16]。所謂的四分位數就是將數列分為4部分,一個數列有3個四分位數,即設下四分位數、中位數和上四分位數。以16天的數據資料為例將其從小到大排列為x1,x2, …,x16，則

四分位距:IQR=Q1-Q3。

其中：Q1表示在該數值以下的數據占總數的25%；Q2表示在該數值以下的數據占50%；Q3表示在該數值以下的數據占總數的75%。

在統計學上IQR=1.34σ,即四分位距的期望值是標準差的1.34倍,本文采用Q2=±1.5IQR作為TEC是否異常的判定界限,即

探測閾值約為標準差的2倍,該異常檢驗的置信度為95%,考慮到TEC變化具有季節效應,選擇窗口時間長度不宜過長。取l為滑動時窗長,采用上式計算探測上下限,如果l+1 天某時刻超出上下限,即可認為l+1天該時刻電離層TEC值出現異常。要探測l+2天的TEC值,若探測到l+1天TEC出現異常,滑動時窗將不再移動,再采用上式進行判;如果探測到l+1天TEC沒出現異常,則時窗向前移動一天。依次,直至將所有時間序列全部探測完為止。

2 分析與討論

2016年4月14和15日,日本九州島地區連續發生了3次比較大的地震。為了研究地震期間電離層的擾動變化,利用上述的異常檢測方法,使用2016-03-21—04-21期間IGS公布球電離層格網數據,選擇16天作為時間窗口計算了震前震后共17天的每日上下限,統計每日TEC最大正異常和負異常,ΔVTEC=0表示沒有異常,如圖1所示。從圖1a可以看出4月6、13、14和16日出現了正異常。4月6日的正異常出現極大值,約5 TECu,也出現了不足1 TECu的負異常;4月7—9日3天都出現了1 TECu左右的正異常,9日出現了負異常;4月12—14日和16日出現了較大的正異常,15和16日出現了負異常;4月17日負異常出現極小值約-2 TECu,此后電離層異常現象基本消失。顯然,2016年4月日本九州島地震前后期間電離層TEC都出現了異常。圖1b統計了相應時間段內最大的異常值ΔVTEC,紅色豎線表示地震發生時刻。

由文獻[16]可知,電離層異常的發生與很多因素有關,如太陽活動的變化、地磁活動異常、天氣變化等。因此,分析地震前后電離層變化要綜合考慮這段時間內空間環境的變化。選取了震前震后共17天的太陽輻射通量F10.7指數、地磁活動Dst指數、Ap指數和Kp指數進行分析(圖2)。各指數評判標準詳見文獻 [13]。

可以看出,4月7日和8日Kp指數達到了5,發生了中小地磁暴,同時Dst指數從最大值18 nT驟降到-60 nT左右,可知這兩天的地磁活動較為劇烈。可以認為這兩天的TEC異常是由地磁活動引起的,與地震的關聯性較小。4月5—11日期間F10.7有明顯上升趨勢,9—11日這3天均大于100說明太陽輻射較強烈,9日的異常值在1 TECu左右可能由于該日的太陽輻射強烈引起的,4月12—14日這3天的Kp指數也超過了4,13和14日這兩天地磁指數都小于-50 nT,地磁活動條件較為活躍,Ap指數在這幾天也比較大,極有可能發生了中小磁暴。此外，這3天的F10.7均大于100,太陽輻射也比較強烈,綜合考慮太陽和地磁場的活動狀況,也可以排除這3天電離層異常是由地震引起的。4月16日地震當天F10.7指數超過了100，太陽輻射較強,Kp指數均未超過4,Dst指數也較低沒有很大的波動,可排除地磁活動對電離層的影響,所以4月16日電離層的異常很可能是受到太陽活動的影響。4月17日出現了-2 TECu異常,該日的Ap指數較大,Dst指數驟降到-55 nT,地磁活動比較頻繁,所以17日的負異常是由地磁活動引起的,與地震的關聯性也不大。

圖1 4月5—21日震中上空VTEC和ΔVTEC時間序列Fig.1 VTEC and ΔVTEC time series from April 5 to 21 in epicenter

圖2 4月5—21日地震前后的地磁和太陽活動情況Fig.2 Geomagnetic and solar activity conditions during earthquake period from April 5 to 21

4月6日的電離層正異常值最大(5 TECu),Kp指數都小于4,Ap指數為7,Dst指數均大于-20 nT且變化較為平穩,F10.7小于100,地磁和太陽活動較為平靜。因此，4月6日的電離層異常可以排除是由太陽、地磁活動引起的,綜合考慮可認為4月6日的電離層異常與本次地震密切相關。

為進一步分析4月6日全球其他區域是否也出現VTEC異常,本文使用了IGS服務中心網站提供的2 h分辨率全球電離層地圖GIM數據。將前16天不受太陽、地磁活動影響的VTEC中值作為背景參考值,同樣采用四分位距法確定該天的上下限,得到VTEC。利用上述數據和方法對4月5和6日全球電離層VTEC進行了分析,圖3給出了4月5日UT20:00—4月06日UT6:00、時間分辨率為2 h的全球VTEC分布圖(紅色五角星表示震中位置)。

從圖3能夠清晰地觀察到全球異常的變化。電離層大約從5日UT20:00開始出現異常,異常區域并不在震中位置,而在赤道偏0°南半球,同時震中東南方向也開始出現異常,此后異常逐漸增大;22:00,南半球異常開始向西飄移,震中東方向的異常區域開始變大;6日UT00:00,異常區域繼續向西移動,異常值顯著增強,異常峰值位于震中偏東方向(28°N,170°W),最大值約為8.2 TECu,而南半球共軛區域異常在逐漸減UT小;UT02:00異常區域到達地震中心附近, 峰值仍在震中偏東方向, 而南半球異常基本消失; UT04:00異常峰值到達震中上空, 達到最大為8.6 TECu; UT06:00, 震中附近異常開始減弱; 到UT08:00,全球異常基本消失。

4月6日全球電離層異常的位置大概在震中東南偏赤道方向和南半球共軛區域,并且持續的時間較長,而在全球其他區域沒有出現明顯的異常現象。結合圖2可以看出該天的太陽輻射比較弱,地磁活動也比較平靜,綜合考慮可認為4月6日地震上空出現的電離層異常現象與孕育地震有關。

3 結束語

本文利用IGS中心提供的2016-03-21—04-21震4個電離層格網點數據內插出日本九州島震中上空電離層VTEC,采用滑動四分位距法對地震進行震前電離層VTEC時間序列進行分析,在排除太陽和地磁活動影響的情況下,發現4月6日電離層VTEC存在明顯的正異常,且異常的時間較長。為進一步分析4月6日全球其他區域是否也出現VTEC異常,利用全球電離層格網數據重構了4月5日UT20:00—4月6日UT06:00全球VTEC異常分布圖, 電離層異常區域由震中東南方向向西北方向偏移且先增大后逐漸消失, UT04:00異常峰值到達震中上空,南半球共軛區域也出現類似現象,而其他區域沒有出現異常。進一步說明了4月6日的電離層異常是由該次地震引起的。

對地震發生前數天電離層異常研究具有極高的科學價值,但是由于地震產生機理的復雜性、多變性,利用電離層擾動對地震進行預測仍存在明顯的局限,因此對震前電離層異常的探測方法和有效性還值得進一步深入研究。