電離層斜測數據集

婁文宇 杜曉輝 劉 靜 張學民

（中國北京 100036 中國地震局地震預測研究所）

0 引言

2008 年汶川MS8.0 地震后（張學民等，2009），在中國地震局和國家國防科技工業局共同支持下，中國地震局地震預測研究所與中國電子科技集團第22 研究所，在華北地震重點監視區，共同實施建設覆蓋華北主要地震構造帶的華北地震電離層監測試驗網（Wang et al，2013；Liu et al，2016）。利用電離層對地基發射信號的反射特性，在國家電波環境觀測網原有5 個稀疏垂測發射站（北京、新鄉、長春、青島和蘇州）基礎上，在華北地區新建20 個斜測接收站，構成近100 條發射—接收鏈路（張學民等，2016）。在每一條鏈路的中點，每半小時生成1 個數據點，形成我國首個高分辨率電離層測高觀測網絡，空間分辨率可達100 km，達到以經濟的手段取得電離層加密監測的效果。基于此網絡，由接收臺站獲取電離層斜測數據，匯聚到北京數據中心數據庫。通過人工判讀，生成可應用的電離層斜測觀測數據。此數據集通過數據共享網站提供數據共享服務，為地震系統內部各省地震局和研究所進行地震監測預測研究以及系統外部科研機構和院校電離層觀測研究提供了基礎數據。

1 數據采集和處理過程

華北地震電離層監測試驗網由5 個垂測發射站（北京、新鄉、長春、青島和蘇州）和20個斜測接收站（大同、太原、石家莊、承德、陡河、文安、邯鄲、天津、蒙城、濱州、聊城、菏澤、濟寧、榆林、涇陽、沈陽、錦州、大連、呼和浩特和赤峰）組成，站點分布見圖1。

圖1 華北地震電離層監測試驗網站點分布Fig.1 The distribution map of China Seismo-ionosphericGround-based Monitoring Network in North China

1.1 數據基礎

電離層斜測數據是以中國地震電離層監測試驗網的觀測數據為基礎。由電離層垂測發射站發射高頻掃頻電磁波（頻率在2 MHz—30 MHz），經電離層反射，小于某一頻率的信號被電離層臺站的斜測儀接收，從而獲取F2層臨界頻率。通過數據預處理和分析，可獲得華北區域電離層F2層臨界頻率時序變化曲線和最大電子密度空間分布圖。電離層斜測數據集元數據簡介見表1。

表1 電離層斜測數據集元數據簡表Table 1 Metadata summary of the oblique ionospheric sounding data set

1.2 數據處理過程

電離層斜測數據處理過程如下：①數據收集：臺站的觀測數據通過地震系統行業內網實時匯聚到北京數據中心，并存儲到Oracle 數據庫；②人工判讀：應用數據人工判讀軟件，調取Oracle 數據庫中數據，進行人工判讀，再次入庫；③數據時序分析：以時間為橫坐標，F2層臨界頻率為縱坐標，對電離層斜測數據進行時間序列的分析；④最大電子密度空間分布圖生成：忽略碰撞和地磁場的影響，應用A-H 公式（熊年祿等，1999），解算出最大電子密度，繪制其空間分布圖；⑤元數據編寫：編寫并提交元數據，最終形成電離層斜測數據集。

電離層斜測數據集工作流程見圖2。

圖2 電離層斜測數據集工作流程Fig.2 The workflow of the oblique ionospheric sounding data set

2 數據內容描述

電離層斜測數據主要包括F2層臨界頻率數據和最大電子密度空間分布圖，它們的具體內容描述如下。

（1）F2層臨界頻率數據：數據格式：文本文件；數據命名：發射站-接收站+起始年月日_結束年月日.CSV；數據單位：MHz。

（2）最大電子密度空間分布圖：數據格式：JPEG；數據命名：年月日時分.JPEG；數據單位：1012/cm3。

3 數據共享及應用前景

電離層斜測數據匯聚到數據庫后，由自動判讀軟件完成數據初步處理。受電離層數據特性和季節等因素的影響，電離層斜測數據會產生突跳現象，后期將通過人工判讀進行數據校正。為保證數據質量，需專人完成數據判讀工作。

（1）電離層斜測數據共享服務。電離層斜測數據經由中國地震電離層監測試驗網網站（http://www.sign.ac.cn）提供數據共享服務。用戶可以瀏覽網頁，選定數據鏈路和起止日期，查詢F2層臨界頻率的時序曲線變化圖，并可提交數據下載申請，獲取權限后即可下載F2層臨界頻率數據。

（2）數據應用前景。電離層斜測數據集中的觀測數據是電離層F2層的臨界頻率，可用于反演電離層的最大電子密度，進而反映地球上空電離層的變化，對于研究太陽活動對地球的影響以及地磁暴發生后電離層的響應均具有重要意義。因此，電離層斜測數據集不僅可應用于地震前兆觀測研究，也能夠應用于空間物理等相關研究領域，目前已為地震系統各省地震局和研究所的地震監測預測研究，以及系統外科研機構和院校電離層的觀測研究提供了基礎數據，并為科研項目開展及文獻著錄提供了數據支撐，今后將會有更加廣泛的應用前景。

4 結論

電離層斜測數據集依托華北地震電離層監測試驗網建立，是以電離層測高觀測數據為主要內容的數據集。

華北地震電離層監測試驗網是中國第一個高密度電離層測高觀測網絡，空間分辨率可達100 km。該網絡是在2008 年汶川MS8.0 地震后，在國防科技工業電波環境觀測站網原有稀疏發射站網基礎上，基于地震重點監測區帶分布和區域數據覆蓋能力的雙重需要而建設的，形成了集數據觀測、采集、匯聚、處理、質量保證、數據共享服務等的完備工作流程體系。基于此網絡建成的電離層斜測數據集，提供F2層臨界頻率數據和最大電子密度空間分布圖，在滿足國家地震系統內部各省地震局和研究所進行地震監測預測研究工作要求的基礎上，為系統外科研機構和院校電離層觀測研究提供基礎數據，具有一定社會價值。

電離層斜測數據集具有信息量大、空間分辨率高、數據庫功能齊全、時效性強等特點。但數據區域目前僅覆蓋華北地區，對于開展全國區域上空電離層的研究，存在一定局限性。而且，數據自動判讀軟件的數據判讀準確率有待提高，以減少人工判讀的工作量，提高工作的自動化程度。隨著此項工作的推進，電離層斜測數據集將更加完善。

“電離層斜測數據集”是在中國地震局領導下，中國地震局地震預測研究所牽頭，與中國電子科技集團第22 研究所合作，在天津市、河北省、山東省、山西省、陜西省、遼寧省、內蒙古自治區、安徽省等地震局及下屬20 個地震臺站協作下，共同建設的成果，在此對以上單位及相關工作人員表示衷心的感謝。