中國中東部地區地震電離層低頻電場擾動頻段及背景時段選取分析

王亞璐，張學民，歐陽新艷，王曉，婁文宇，杜曉輝，董磊

1 中國地震局地震預測研究所，北京 100036 2 中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

1965年，Davies和Baker(1965)利用Alouette衛星數據在美國阿拉斯加8.5級地震前提取到電離層異常，自此拉開了地震電離層擾動研究的序幕.之后，俄羅斯、美國、日本、法國等國相繼發射衛星，開展基于衛星觀測的地震電磁擾動研究，幾十年的觀測與研究結果表明，地震前電離層存在較寬頻段范圍的電磁擾動，擾動出現的時間在震前幾小時到幾天不等(Parrot and Mogilevsky，1989;Parrot，1994；Serebryakova et al.，1992；Molchanov et al.，2006；Němec et al.，2008，2009；張學民等，2009a；張蓓等，2010；澤仁志瑪等，2012).在已開展的研究中，學者們根據各自的需求利用不同的方法進行電離層背景電磁場的定義和電磁擾動的提取，如Němec等(2008，2009)和Pí?a等(2012，2013)將DEMETER(Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions)衛星記錄到的電場功率譜劃分至一個六維網格矩陣中，計算每個網格內電場功率譜的概率密度并將其作為背景場，將地震時該網格觀測數據的累積概率定義為擾動幅度指標，發現震前0～4 h內1.7 kHz±200 Hz的電場功率譜會降低3倍標準差；張學民等(2009b)在分析汶川地震前VLF頻段(19.53 Hz～20 kHz)電場變化情況時采用震前1個月即2008年4月份的數據作為背景場，將地震時觀測的功率譜數據偏離背景值的倍數作為擾動幅度指標，發現震前1周VLF頻段電場呈現明顯增強現象；澤仁志瑪等(2012)將5年同期地震前2個月到1個月的衛星磁場功率譜數據作為背景場，利用背景場均值和均方差，定義地震時段擾動幅度指標，發現77%的地震在震前30天內磁場相對于背景場擾動幅度超過3倍標準差.

雖然關于地震前后電離層電磁擾動的震例研究越來越多，但背景電磁場的定義和電磁擾動的提取嚴重依賴于研究者特定的目的和需求.上述研究成果中，學者們對頻段和背景場時段的選取各有不同，即使同一學者，在不同震例研究中所關注的頻段也不盡相同.這一方面反映了地震前后電離層電磁擾動的復雜性，另一方面說明對電離層背景電磁場特征缺乏普適性認識，因此，需要基于大量數據開展研究以豐富對其的認知.

地震衛星所處的軌道空間，既可以探測到來自空間的電磁波動(電磁離子回旋波、哨聲波、嘶聲、合聲和地磁脈動等)信號，也可以探測到來自地面的電磁信號(人工VLF電磁波、電力線諧頻電磁波等)(曹晉濱等，2009a).為了從來源眾多的電磁信號中識別出地震異常信息，首先需要開展背景電磁場特征研究.關于電離層背景電磁場特征，已有相關研究成果發表，如路立等(2011)基于法國DEMETER衛星2007年觀測數據分析了VLF頻段磁場的全球分布情況，指出地磁寧靜期間VLF頻段磁場隨頻率的升高而降低，隨緯度的升高而增強；姚麗等(2011)基于DEMETER衛星3年的電場觀測數據，分析了VLF頻段電場全球分布和季節變化情況，指出不同年份、相同季節的電場功率譜全球分布特征及功率譜強度有較高相似度；楊牧萍等(2018)基于電場功率譜密度均值和均方差對東北亞地區不同頻段電場功率譜的年變、季節變化和日夜變化特征進行了分析；楊靜等(2021)對汶川地區夏季電離層VLF頻段背景電場進行了分析，指出該區域夏季日夜側電場沒有明顯的年變化和月變化.

以上研究成果的關注焦點是背景電場/磁場的全球分布特征或者某一區域較寬頻段尤其是VLF頻段(>3 kHz)電場/磁場的季節和年變特征，只考慮了地磁活動的影響，沒有排除地震可能產生的電離層擾動.本文針對中國地震活動相對平靜的中東部地區，同時排除地磁活動和地震的影響，利用DEMETER衛星長達6年的電場觀測數據對電離層背景低頻電場的特征進行分析，在此基礎上對電離層低頻電場擾動提取時背景電場的頻段和時段選取開展研究.本文第1節介紹了所使用的數據和處理方法，低頻背景電場的頻率特征和頻段選取分析詳見第2節，低頻背景電場的時間演化特征和時段選取分析詳見第3節，第4節是討論及結論.

1 數據來源及處理方法

DEMETER衛星是一顆圓軌道極軌衛星，從2004年6月服役至2010年11月，在660～710 km軌道高度內積累了6年之久的觀測數據，為地震電離層擾動研究提供了寶貴的資料.由于DEMTER衛星磁場數據中有較多干擾，本文只使用DEMETER衛星電場儀(ICE)觀測的電場數據開展研究.電場儀VLF頻段(19.53 Hz～20 kHz)頻率分辨率為19.53 Hz，時間分別率為2 s(Berthelier et al.,2006).曹晉濱等(2009b)指出，衛星本體電磁輻射主要集中在190 Hz以下，在此研究指導下，中國首顆專門用于地震電離層擾動研究的張衡一號衛星(China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES)感應式磁力儀(SCM)ELF頻段的范圍為200～2200 Hz(Wang et al.,2018).為對標分析張衡一號衛星ELF頻段(6 Hz～2.2 kHz)電磁擾動現象(Shen et al.,2018)，本文將所研究的頻段范圍設定為200～2200 Hz.DEMETER衛星每天可記錄14條軌道數據，每條軌道包括升軌(夜側)數據和降軌(日側)數據，記錄時長均約30 min，對應的地方時分別為22∶30和10∶30.一天之中，相鄰的兩條軌道的經度間隔約為25°.DEMETER衛星軌道覆蓋的重訪周期為16天，在一個重訪周期內，兩條相鄰軌道的經度間隔約1.7°.DEMETER衛星有巡查和詳查兩種觀測模式，詳查模式只在全球活動地震帶開啟，可獲得時域波形數據和功率譜數據，而巡查模式下，VLF頻段只記錄了一個方向的電場，標簽為E12，代表東西向的電場.本文使用的是巡查模式下DEMETER衛星觀測的VLF頻段電場功率譜數據.

本研究收集了DEMETER衛星2004年11月—2010年11月共73個自然月的電場觀測數據，期間中國及其周邊鄰區(4°N—54°N，73°E—135°E)發生508次5級以上地震，中國5級以上地震主要分布在中國西北(新疆，青海)和西南(西藏，云南，四川)等地區，中東部地區地震較為平靜，可認為該區域上空的電離層受地震影響較小.為更好地研究非震期間電離層背景電場的時頻特征，本文選擇中國中東部地區作為研究區域，經緯度范圍為29°N—39°N，107°E—117°E.在研究區域內2004年11月—2010年11月共發生了兩次5級以上地震，分別是2005年11月26日江西省九江市的5.7級地震和2006年7月4日河北省文安市的5.1級地震，為排除地震可能產生的電離層電磁擾動影響，在后文的分析中剔除了這兩次地震前后15天的數據.

前人研究表明，電離層中來自空間的低頻電磁波動受地磁活動影響較大，磁暴期間增幅可達8倍，一般性地磁擾動期間，功率譜的最大增幅也有3～4倍(路立等，2011).因此為了更有效地提取地震引起的擾動信息，需要將空間地磁擾動(Kp≥3或Dst≤-30 nT)帶來的影響進行剔除.2004—2010年在非震和地磁活動平靜期經過研究區域的軌道數共有1527條，其中夜側(升軌)數據792軌，日側(降軌)數據735軌(詳見表1).

表1 非震和地磁活動平靜期經過研究區域的軌道數Table 1 The orbits passing through the study area during periods of non-seismic and quiet geomagnetic activity

由于一天之中，DEMETER衛星兩條相鄰軌道的經度間隔約25°，本文的研究區域(經度范圍為10°)，需要2～3天才有1條軌道落入研究區域內，為了保證有足夠多的數據樣本來開展背景電場的時頻特征研究，本文將研究區域作為整體，不再進一步劃分小網格.建立一個三維元胞數組，第一維度是日/夜側，長度為2，第二維度是天數，長度為365×7，第三維度是頻率，長度為102(由DEMETER衛星的頻率分辨率和本文研究的頻段范圍所決定)，將電場數據分散至每個元胞數組，計算每個元胞單元中電場功率譜的均值和均方差，分析其隨頻率的變化特征，及年變和季節變化特征(沒有記錄到數據的日期，將對應的元胞單元數據記為nan)，以此為基礎，進一步研究地震電離層電場擾動提取時的時頻段選取問題.

2 地震電離層低頻電場擾動頻段選取分析

2.1 電場功率譜隨頻率的變化特征

DEMETER衛星VLF頻段電場的頻率范圍為19.53 Hz～20 kHz，為了更有針對性地提取電離層電場擾動，分析了200～2200 Hz范圍內的背景電場功率譜隨頻率的變化特征，圖1給出了2008年8月電場功率譜隨頻率的變化曲線，其他月份的頻率曲線變化形態與此相近.

圖1 2008年8月DEMETER衛星觀測到的電場月均功率譜隨頻率的變化曲線橫軸為頻率，縱軸為電場功率譜，虛線代表日側結果，實線代表夜側結果，實線上的3個五角星指示電場功率譜極小值.Fig.1 The variation curve of the monthly mean electric power spectrum via frequency observed by DEMETER in August 2008The horizontal axis is the frequency,and the vertical axis is the electric field power spectrum.The dashed line represents the day side result,and the solid line represents the night side result.The three stars on the solid line represent the minimum point.

夜側電場功率譜曲線(圖1實線)存在3個功率譜極小值(如圖1中的3個五角星)，分別記為極值點1、極值點2和極值點3，其中極值點1和極值點3對應電場功率譜下降幅度較小，而極值點2對應的電場功率譜下降幅度接近1個數量級，2004—2010年共計73個自然月內這3個極值點對應的頻率(后文稱為特征頻點)統計結果見圖2c—e，特征頻點1對應的頻率約為300 Hz，特征頻點2對應的頻率約為600 Hz，特征頻點3對應的頻率約為1600 Hz，下文對這3個特征頻點代表的電離層現象進行說明.

圖3為2008年8月份經過研究區域的1條升軌(夜側)數據，圖3a為衛星的飛行軌跡，圖3b為該軌道的電場功率譜圖，圖3b中的黑色曲線是根據理論公式計算的質子回旋頻率，黑色曲線上的紅色線段對應本文的研究區域.質子回旋頻率與地磁場和質子的荷質比成正比，地磁場采用IGRF模型計算得到，質子回旋頻率與地磁場呈現相同的緯度變化特征，即磁赤道的質子回旋頻率最小，隨著緯度的增加，質子回旋頻率相應增加.圖3b中紅色線段下方有一個窄帶的電場功率譜增強帶，上邊緣頻率對應特征點2，約為600 Hz，下邊緣頻率對應特征頻點1，約為300 Hz.該窄帶電場功率譜增強現象與離子回旋作用密切相關，由于電場頻率與質子回旋頻率十分相近，本文稱之為質子回旋增強現象.

圖3 2008年8月份某條經過研究區域的電場功率譜圖(a)衛星飛行軌跡；(b)電場功率譜時頻圖.Fig.3 The electric field power spectrum map of one orbit flying through the study area in August 2008(a)The orbit trace；(b)The electric field power spectrum map.

與夜側電場功率譜變化曲線(圖1實線)相比，日側電場功率譜曲線(圖1虛線)同樣存在質子回旋增強現象，但統計結果(圖2a、b)顯示兩個特征頻點對應的頻率比日側高幾十Hz，這是由于地磁活動平靜期衛星高度處的日側地磁場略大于夜側，從而導致日側質子回旋頻率略高于夜側.值得注意的是，日側在1700 Hz附近不存在極小值，這可能因為日側電離層受磁層電磁耦合作用更明顯，從而掩蓋了地-電離層波導截止頻率處電場強度下降的現象.

質子回旋增強和地-電離層波導截止頻率現象是電離層中天然存在的現象，電場幅度和其他頻段相差較大，因此在做地震電離層擾動分析時有必要將其和其他頻段分開討論.根據圖2的統計結果，夜側電場的3個特征頻點對應的頻率范圍分別為NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)和NFreq3(1523～1679 Hz).這3個特征頻點將200～2200 Hz分為3個較寬的頻段，分別記為NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz).日側電場的2個特征頻點的范圍分別為DFreq1(215～330 Hz)和DFreq2(703～742 Hz)，將200～2200 Hz劃分為DBand1(330～703 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)兩個頻段.

圖2 日側和夜側電場功率譜極小值對應的頻率直方圖(a)日側電場功率譜特征頻點1對應的頻率直方圖，中值為273 Hz；(b)日側電場功率譜特征頻點2對應的頻率直方圖，中值為722 Hz；(c)夜側電場功率譜特征頻點1對應的頻率直方圖，中值為273 Hz；(d)夜側電場功率譜特征頻點2對應的頻率直方圖，中值為585 Hz；(e)夜側電場功率譜特征頻點3對應的頻率直方圖，中值為1621 Hz.Fig.2 The histograms of the frequency corresponding to minimum values of day-side and night-side electric field power spectrum(a)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(b)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 722 Hz;(c)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(d)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 585 Hz;(e)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 3 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 1621 Hz.

2.2 頻段選取分析

在提取地震前后的電離層電場擾動時，學者們針對不同頻段的電場開展分析研究.如Němec等(2008)為避免人工源VLF發射站的影響，分析了10 kHz以下的電場功率譜，將電場頻率等間隔劃分為16個頻段(每個頻段有32個頻點).楊靜等(2021)將電場頻段劃分為SLF(30～300 Hz)、ULF(330～3300 Hz)、VLF(4～15 kHz)和LF(15～20 kHz)4個頻段.本節依據2.1節的分析，將200～2200 Hz的夜側電場分為3個特征頻點(NFreq1-NFreq3)和3個頻段(NBand1-NBand3)，下文統稱為6個頻段.200～2200 Hz日側電場分為2個特征頻點(DFreq1-DFreq2)和2個頻段(DBand1-DBand2).圖4是夜側電場6個頻段功率譜月均值時變曲線，其均值和標準方差結果見表2，各頻段間的相關系數見表3.

從圖4可以看出，高頻端的3個頻段(NBand2-NBand3)月均值時變曲線具有很好的相似性，而低頻端的3個頻段(NFreq1-NFreq2)月均值時變曲線相似.根據表3，NFreq3和NBand2頻段及NBand3頻段的相關性均高于0.9，表明相關性很好，結合表2中夜側電場均值和標準方差，NFreq3與NBand2頻段和NBand3頻段的均值相近，可以將其合并為一個頻段進行分析.而NBand1與NFreq1和NFreq2的相關系數接近0.9，說明相關度較好，但NBand1頻段的均值與NFreq2相差較大，因此可以將NFreq1和NBand1頻段合并分析，NFreq2需單獨分析.

表2 夜側電場6個頻段功率譜均值及標準方差Table 2 The mean value and standard variance of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

圖4 夜側電場6個頻段功率譜月均值時序曲線Fig.4 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

表3 夜側電場6個頻段功率譜相關系數Table 3 The correlation coefficient of power spectrum between the six frequency bands of the night-side electric field

表4分別為日側4個頻段電場功率譜均值和標準方差表，表5為日側4個頻段間的相關系數表.可以看出，對于日側的4個頻段，只有DFreq2與DBand2頻段的相關系數大于0.9，但表4顯示這兩個頻段的均值相差較大，表明日側電場各頻段間的相關性較差，因此各頻段應盡量單獨分析以減小背景數據的離散度.

表4 日側電場4個頻段功率譜均值及標準方差Table 4 The mean value and standard variance of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

表5 日側電場不同頻段間的相關系數表Table 5 The correlation coefficient of power spectrum between the four frequency bands of the day-side electric field

3 地震電離層低頻電場擾動背景時段選取分析

3.1 電場功率譜的年變和季變特征

夜側電場6個頻段功率譜月均值時序曲線如圖4所示，日側電場4個頻段功率譜月均值時序曲線見圖5.可以看出，年尺度變化上，從2005年到2009年，日側和夜側電場功率譜呈現逐漸變小的趨勢，在2009年達到最小值，2010年開始，電場功率譜幅度有所回升.這種變化趨勢與太陽活動強度呈現正相關.

根據圖4，夜側電場功率譜有明顯的季節變化特點，功率譜值通常在每年的7—9月份(夏季)達到最大.但不同頻段電場的季節變化特征又有不同.高頻端(NBand2-NBand3，>600 Hz)，夜側電場功率譜曲線呈現類余弦變換趨勢(參考2009年)，夏季值最大，冬季次之，分點季電場功率譜最小，其他年份曲線形態略有改變，但仍保留了這種季變特點.而低頻端(NFreq1-NFreq2，<600 Hz)，夜側電場功率譜呈現類高斯分布趨勢，即夏季電場值最大，冬季最小，分點季次之.

圖5顯示，日側電場的季節變化規律和夜側略有不同，DBand1頻段沒有明顯的季節變化規律，而高頻端(DFreq2-DBand2)頻段呈現類高斯季節變化規律，在夏季取得最大值，冬季取得最小值.只有DFreq1頻段，日夜側隨時間變化規律相似，表明該頻段受地方時影響較小.

3.2 時段選取分析

根據3.1節的分析，不管是日側還是夜側，電場功率譜均值通常在夏季取得最大值，從圖4和圖5可以看出，夏季月份和其他月份的電場功率譜均值有時可差1個數量級，而同一月份，不同年度的變化相對較小.正因如此，有的學者在進行地震電離層異常研究時會采用往年同期的數據作為背景場，但也有學者采用震前一個月或幾個月的數據做背景場，背景取值法的使用更多依賴于學者的個人經驗，并無文獻給出兩種背景取值法的效果比較.本節基于DMETER衛星6年的統計數據，采取同一評價標準對這兩種背景取值法的效果和適用條件進行分析.由于每個月的地磁活動情況不同，導致本文研究區域內每個月的數據量也不相同(如夜側2005年12月研究區域內共52個數據點，2004年12月共184個數據點，2006年1月共365個數據點)，從而無法計算月與月之間的相關性，因此，本節采用數據集標準差對兩種背景取值法的效果作出評價.具體過程為，針對2005年后的每個月份，在當前月份的數據中分別加入去年該月份的數據和該月份前一個月的數據，獲得兩個新的數據集(如針對2006年2月，分別將2005年2月的數據和2006年1月的數據與2006年2月的數據進行合并，獲得兩個新的數據集)，用新數據集的標準方差來考察背景取值法的效果，顯然，新數據集的標準方差越小，表明加入的背景場數據與當前數據相關性越高，越適用于做背景場.下文中加入往年同月數據的方法稱為方法一(Method1)，加入前一個月數據的方法稱為方法二(Method2).

圖5 日側電場4個頻段功率譜月均值時序曲線Fig.5 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

圖6為通過兩種背景取值法加入背景場數據后的夜側電場6個頻段功率譜月均值時序曲線，圖中的散點為每個月的觀測值.可以看出，這兩種方法得到的功率譜均值量級相當，曲線變化趨勢相似.日側月均值時序曲線呈現相似的變化特點，這里不再給出圖件.

圖6 加入背景場后夜側電場6個頻段功率譜月均值時序曲線Fig.6 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field after adding the background field

圖7是夜側電場6個頻段功率譜標準方差時序曲線和統計結果，圖7a1—a6中藍色和紅色曲線分別為6個頻段方法一和方法二的標準方差時序曲線，圖7b1—c6分別為6個頻段兩種方法的標準方差統計結果.根據圖7b1—c6，對于夜側電場，低頻段(Freq1-Band2，≤600 Hz)標準方差集中在0.5附近，高頻段(Freq3-Band3，>600 Hz)標準方差較大，大部分大于0.5.圖7a1—a6中兩條曲線大致重合，6個頻段方法一占優(即方法一的標準方差小于方法二)的月份數分別為36/72、34/72、35/72、30/72、31/72和34/72，與方法二占優的月份數基本相當，兩種方法占優的月份有一定的隨機性，并無明顯的季節規律.但需要注意的是，在方法二占優的月份中，方法一雖然比方法二的方差大，但兩者基本接近，但在方法一占優的月份中，部分方法二的方差比方法一要大得多，如2009年3月份方法二的方差很大，甚至接近1.

圖7 夜側電場功率譜標準方差時序曲線及統計結果Fig.7 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at night-side

圖8顯示，日側結果與夜側相似，高頻端標準方差相對較大，集中在0.5以上，而對于DFreq1頻段，方差集中在0.5以下.與夜側相同，2009年3月份方法二的方差比方法一大得多，但綜合日夜側的結果，這只是個別月份存在的現象，不具規律性.以上結果顯示，兩種背景取值法的效果相當，往年同月數據略優于當月前一個月數據.考慮到開展與地震有關的電離層電磁異常實時跟蹤分析的簡便性和可操作性，可優先考慮使用鄰期數據做背景場，而在做科學研究時，在有大量往年同期數據的情況下，可考慮使用往年同期數據做背景場.

圖8 日側電場功率譜標準方差時序曲線及統計結果Fig.8 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at day-side

針對實時跟蹤分析與地震有關的電離層電磁異常的需求，以下分析鄰期背景場數據的最優時長.同樣，采用數據集標準差法來衡量不同時長的效果，圖9給出了夜側電場分別加入當前月份前1個月、2個月和3個月數據后數據集的標準方差時序曲線，黑色為當月數據的標準方差曲線，藍色、紅色和綠色曲線分別為加入前1個月、前2個月和前3個月的數據集標準方差曲線.可以看出，幾條曲線吻合較一致，表明多加入背景數據對提高數據的集中性作用并不明顯，而藍色曲線與黑色曲線吻合最好，部分月份紅色曲線和綠色曲線高于藍色曲線，表明背景數據量并非越多越好.在空間天氣平靜的情況下，使用當前日期前一個月的數據做背景場更優.日側與夜側結果相似，這里不再給出圖件和分析.

圖9 不同時長的夜側背景電場標準方差時序曲線Fig.9 Time series curve of the standard variance of the background electric field for different time period

4 討論及結論

4.1 討論

DEMETER衛星和張衡一號衛星飛行的空間是一個各圈層緊密聯系的復雜耦合系統，直接受太陽活動、行星際擾動、內磁層、巖石圈和大氣層的影響，產生了各種類型的電磁波動現象，在本文研究的頻段(200～2200 Hz)中，主要有ELF頻段的電磁離子回旋波、嘶聲波，ELF/VLF頻段的哨聲波、合聲波等(Parrot et al.,2006;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2013,2014).依據電磁波動的來源方向，可將電離層ULF/ELF/VLF電磁波動分為上行和下行兩種類型(Zhima et al.,2013,2017).

上行電磁波動是從巖石圈、大氣層向上傳播的電磁波動，主要有閃電(雷暴)等自然電磁輻射和地基甚低頻發射站發射的VLF電磁信號及地面電力線路感應的諧頻電磁波.地基甚低頻發射站發射的VLF信號通常在10 kHz以上，超出了本文研究頻段范圍，可不予考慮.電力線諧頻現象(PLHR)，是指衛星上觀測到的由地基工業電力線系統(50 Hz/60 Hz)激發的電磁輻射，功率譜上表現為50/100 Hz或60/120 Hz為間隔的平行線，無明顯的頻散現象.這些諧振電磁波由電力線產生后直接穿透電離層傳播到達衛星高度，統計結果顯示，在全球大部分區域可以觀測到該現象.Wu等(2017)基于DEMETER衛星數據對中國區域上空的PLHR現象開展了統計研究，結果顯示，1～2 kHz的PLHR現象大部分集中于日側低緯地區(19°N—23°N)，且其電場功率譜密度的變化范圍為10-2.5～10-1μV2·m-2·Hz-1，該值在本文低頻背景電場變化范圍內(表4).某一地區的電力線諧頻現象一旦產生將長期存在，其幅度在背景場范圍之內，因此可視為背景場.嘶聲屬于電離層中的背景擾動，閃電(雷暴)是電離層嘶聲波的主要來源，由于夏季閃電高發造成夏季電離層電場強度明顯高于其他季節，圖4也明顯反映出了這一特征.除此外，電離層可能還會受到中性大氣潮汐波和行星波的影響，已有研究表明(Mo et al.,2017;Mo and Zhang,2018)，平流層增溫期間(SSW)存在于低層大氣中的16日行星尺度波較易向上傳播，直至電離層高度影響赤道電離異常(EIA)結構.作者對DEMETER衛星低頻電場數據也開展了頻率成分分析，發現背景數據中存在微弱的14日和數10日的周期成分，但對應月份的電場幅度在一年之中處于中等強度范圍，表明這些周期成分可以作為背景場使用.關于中性大氣波動對電離層影響的深入研究已超出了本文的研究范圍，這里不再給出討論.

下行電磁波動是從等離子體層或內磁層向下傳播到頂部電離層的電磁波動(Chen et al.,2017;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2017；曹晉濱等，2009a,b)，包括電磁離子回旋波、嘶聲波和合聲波等，這些波動在平靜時期可以被觀測到，是電離層背景擾動，在磁暴和亞暴期間會顯著增強，因此本文通過Kp指數和Dst指數對這部分強擾動進行了限制，刻畫的低頻電場特征更接近于電離層背景特征.下行電磁離子回旋波中的質子回旋波頻率約為600 Hz，是本文進行頻段劃分的一個重要依據，統計結果顯示(圖1)，夜側質子回旋增強頻段約為330～566 Hz，日側質子回旋增強頻段約為330～703 Hz，頻段比夜側略高，這是由于日側地磁場強度較夜側略高.由于質子回旋波的主要能量來源與其他頻段不同，所受影響因素也不同，因此需要將其和其他頻段分開討論.

質子回旋增強和地-電離層波導截止現象是電離層中存在的自然現象，這兩個頻段的電場幅值與其他頻段也有較大差別，如果將這些自然現象納入其他頻段的電磁場背景統計中,會天然增加數據的離散度,從而加大異常提取的難度,在進行與地震有關的電離層電磁擾動研究時，需要分頻段討論.依據這兩個現象和日夜側的頻率統計結果(圖2)，將200～2200 Hz頻段的夜側電場劃分為NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)、NFreq3(1523～1679 Hz)、NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz)共6個頻段，而日側電場可以劃分為DFreq1(215～330 Hz)、DBand1(330～703 Hz)、DFreq2(703～742 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)共4個頻段.由于圖4中NBand2、NFreq3和NBand3頻段月均值時序曲線具有高度的相似性，頻段間的相關性分析表明，這3個頻段相關系數確實很高，且月均值接近，因而在分析地震前后的電離層電場異常時，可將這3個頻段合并為一個寬頻段進行研究.雖然圖5中DFreq2和DBand2曲線具有很高的相關性，但這兩個頻段的均值相差較大，因此建議分開討論.

前人在分析地震前后的電離層電磁異常時，一些學者采用了往年同期數據做背景場，一些學者采用了震前幾個月數據做背景場，背景的取值方法依賴于研究人員的經驗.本文試圖分析這兩種方法的優劣，以期為基于張衡一號衛星開展電離層電磁異常實時跟蹤分析提供指導.最直觀的方法是分析當前月與背景值的相關系數，但由于每個月的地磁活動情況不同導致每個月的數據量不同，因此無法直接求取相關系數.作者采用在當月數據中加入背景場后的數據集標準方差來間接衡量當月數據與背景數據的相關性.分析發現這兩種方法的效果并無明顯區別，雖然部分月份(如2009年3月)的數據中加入鄰期數據后，標準方差會達到1，但只是個別現象，并不能直接否認鄰期數據做背景場的可能.事實上，統計發現，用鄰期數據做背景場時，數據集標準差與往年同月數據做背景場時的標準差相差并不大.而關于鄰期數據優勢時長的分析表明，背景數據時長并非越長越好，在背景數據量足夠的前提下，優先選取與當月鄰近的一個月數據最好，使用的時長越長，背景場受季節變化的影響越大，從而降低了與當月數據的相關度.

為排除地震可能產生的電離層電磁擾動，本文選取了中國中東部地震平靜區域(29°N—39°N，107°E—117°E)進行了電離層背景電場研究，并獲得了一些認識.這些結論是否可以對中國其他區域的電離層電場異常研究提供幫助呢？為回答這個問題，圖10給出了中國及其周邊鄰區(3°N—55°N，73°E—137°E)2005年DEMETER衛星記錄到的200～2200 Hz電場功率譜均值空間分布及其隨經緯度的變化曲線，圖10a—c為日側結果，圖10d—f為夜側結果.可以看出，無論是日側還是夜側，中國及其周邊鄰區上空電場隨經緯度的變化并不大，電場功率譜隨經度沒有明顯的變化規律(圖10b、e)，電場功率譜隨緯度的增加先減小再變大，在15°附近取得極小值，但隨著緯度從0°增加到50°，電場功率譜的變化范圍仍小于10-0.5μV2/(m2·Hz)，尤其在中國區域(緯度>20°)電場功率譜隨緯度的變化更小，這種空間方向上的變化，遠小于晝夜側電場功率譜變化和不同頻段間的電場功率譜差異.因此，本文的研究結論可以推廣到中國其他區域，為其他區域電離層電場異常研究提供指導.

圖10 中國及其周邊鄰區DEMETER衛星2005年電場功率譜空間分布圖(a)—(c)為日側結果，(a)為空間分布圖，橫軸為經度，縱軸為緯度，色標為200～2200 Hz的電場功率譜均值，(b)為電場功率譜均值隨經度的變化曲線，灰色點為2005年12個月的數據散點，紅色曲線為中值及誤差棒，(c)為電場功率譜均值隨緯度的變化曲線，灰色數據點及紅色曲線意義同(b)；(d)—(f)為夜側結果，圖(d)橫縱坐標及色標意義和圖(a)意義，圖(e)同圖(b)，圖(f)同圖(c).Fig.10 Spatial distribution of electric field power spectrum in China and its surrounding areas observed by DEMETER satellite in 2005(a)—(c)are the day side results,(a)is the spatial distribution map,the horizontal axis is longitude,and the vertical axis is latitude,the colorbar is the mean of the electric field power spectrum of 200～2200 Hz,(b)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the longitude,the scatter gray point is the data point of the 12 months in 2005,the red curve is the median and error bar,(c)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the latitude,both the gray points and red curves have the same meaning as (b)；(d)—(f)are the results for night-side,(d)is the same as figure (a),(e)is the same as figure (b),(f)is the same as figure (c).

在本文研究區域內，2005—2010年共發生了兩次5級以上地震：2005年11月26日江西九江5.7級地震(29.7°N，115.7°E)和2006年7月4日河北文安5.1級地震(38.9°N，116.3°E).根據Dobrovolsky等(1979)提出的巖石圈孕震區大小估算公式R=100.43M(R為孕震區直徑，單位為km，M為地震震級)，江西九江5.7級地震和河北文安5.1級地震的孕震范圍分別約為282 km和156 km，在剔除空間擾動干擾(Kp>3,Dst<-30)后，江西九江5.7級地震前后的5個月(2005年8月1日—2005年12月30日)內飛越震中上空區域(26.7°N—32.7°N，112.7°E—128.7°E)只有13條升軌和14條降軌數據，河北文安5.1級地震前后的5個月(2006年4月1日—2006年8月31日)內飛越震中上空區域(36.9°N—40.9°N，114.3°E—118.3°E)只有20條升軌和10條降軌數據.這兩次地震前后可用數據量太小，無法支撐開展震例分析.因此在上文分析的基礎上，本文以2008年5月12日MS8.0汶川地震(31°N，103.4°E)為例進行震例分析.

表6 低頻背景電場均方差和相對擾動幅度統計信息表Table 6 The mean square error of the background electric field and the relative disturbance

圖11 汶川地震不同背景時長時背景電場(253～566 Hz)功率譜均值、均方差和相對擾動結果(a)震前3個月電場功率譜均值；(b)震前3個月電場功率譜均方差；(c)地震時觀測值相對3個月背景場的擾動幅度；(d)震前2個月電場功率譜均值；(e)震前2個月電場功率譜均方差；(f)地震時觀測值相對2個月背景場的擾動幅度；(g)震前1個月電場功率譜均值；(h)震前1個月電場功率譜均方差；(i)地震時觀測值相對1個月背景場的擾動幅度.Fig.11 The mean value and the mean square error of the background electric field (253～566 Hz)and the relative disturbance results for Wenchuan earthquake with different background duration(a)The mean value of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(b)The mean square error of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(c)The relative perturbation via background data of three months;(d)Same as (a)but for two months before the earthquake;(e)Same as (b)but for two months before the earthquake;(f)Same as (c)but for two months before the earthquake;(g)Same as (a)but for one month before the earthquake;(h)Same as (b)but for one month before the earthquake;(i)Same as (c)but for one month before the earthquake.

4.2 結論

本文針對中國中東部地震平靜區域(29°N—39°N，107°E—117°E)，篩選出地磁活動平靜期(Dst>-30 nT，Kp<3)內，DEMETER衛星觀測到的73個自然月共計1527條軌道的VLF頻段電場數據，對其時頻特征進行了分析和研究，獲得了以下認識：

(1)在利用夜側數據跟蹤分析與地震有關的電離層異常時，可將200～2200 Hz劃分為253～566 Hz、566～605 Hz和605～2200 Hz共3個頻段，而處理日側數據時，可劃分為215～330 Hz、330～703 Hz、703～742 Hz和742～2200 Hz共4個頻段.

(2)高頻端(>600 Hz)的背景數據方差較大，在提取電離層異常時需要設置較大的閾值，而低頻端(<600 Hz)需要設置相對較小的閾值.

(3)采用往年同月數據和當月前1個月數據做背景場的效果相當，就震情實時跟蹤分析需要，可優先考慮使用鄰期數據做背景場.

(4)使用鄰期數據做背景場時，數據時段并非越長越好，在空間天氣平靜的情況下，可使用當前日期前1個月的數據做背景場.

以上研究結論可以推廣到中國其他區域，為地震頻發的川滇地區及新疆地區上空電離層電場異常的提取和研究提供指導.

致謝感謝法國DEMETER數據中心提供的衛星觀測數據，感謝中國地震局地震預測研究所的張盛峰博士提供的地震目錄，感謝審稿專家提出的寶貴建議.