2. 北斗导航应用技术河南省协同创新中心, 河南 郑州 450001;
3. 卫星导航工程中心, 北京 100000;
4. 武警黄金第四支队, 辽宁 辽阳 111000
2. BeiDou Navigation Technology Collaborative Innovation Center of Henan, Zhengzhou 450001, China;
3. Satellite Navigation Engineering Center, Beijing 100000, China;
4. Fourth Detachment of Armed Forces of Gold, Liaoyang 111000, ChinaAbstract
地震是对人类危害最大的自然灾害之一，也是最难预测的自然灾害。据中国地震台网(http://www.ceic.ac.cn/)统计，2015年全年发生的地震中，震级高于6.0级的地震有110余起，给人们生命和财产安全带来了巨大的损失，研究地震发生前后异常现象意义重大[1]。随着电离层领域研究的逐步发展，多项研究表明，地震前期电离层会出现异常，震级大于5级的地震异常一般发生在震前几小时到几天内，具有相对稳定的时间尺度，这为监测和预报地震提供了重要参考[2-4]。
文献[5]在1964年研究美国阿拉斯加大地震时对地震引起的电离层扰动进行了探讨，此后，电离层异常探测成为研究地震的重要方法之一。大量的研究结果表明，在地震发生前一周内，电离层会出现异常[6-8]。文献[9]通过研究10年的地震电离层数据，发现电离层异常出现在震前的5天到几小时；文献[10]研究了台湾地区5年6.0级以上地震，发现电离层异常出现在震前1至6天。但是，由于电离层的异常变化受太阳活动、地磁场的变化等条件的制约，因此，在研究电离层异常与地震的关联时，应充分考虑影响电离层异常的其他因素[11-13]。
2016年4月16日(年积日107 d)协调世界时(UTC)0：25：1，日本九州岛(32.75°，130.80°)发生7.3级地震，震源深度10 km。本文以该地震为背景，利用欧洲定轨中心(CODE)发布的全球电离层格网(GIM)数据，研究地震前后电离层异常变化，结合太阳活动数据和地磁数据分析电离层异常与地震的关联性。
1 数据和方法本文TEC数据采用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe，CODE)发布的GIM数据，该数据的时间分辨率为1 h(自2014年10月19日起，CODE发布的GIM数据采样间隔由2 h提高为1 h)，经度间隔5°，纬度间隔2.5°，TEC数据以0.1 TECU(1 TECU=1016/m2)为单位给出，本文电离层TEC的单位为1TECU；太阳活动数据和地磁数据采用中国科学院空间环境研究预报中心(Space Environment Prediction Center，SEPC)发布的Dst、F10.7、Kp及Ap指数。
文章采用滑动时窗法探测电离层异常，在分析每一时刻的电离层TEC时，选取前10天对应时刻的TEC数据作为背景值，求背景值的中位数(M)及方差(σ)，构成探测上界M+2σ和探测下界M-2σ。当对应时刻电离层TEC超出上边界或下边界时，判断为该时刻电离层异常；然后利用包络线和时间序列分析的方法分析电离层TEC时间序列与异常分布；最后利用相关性统计分析的方法，分析震区相邻测站TEC时间序列相关性变化，相关系数计算公式见式(1)
(1)
式中，Cov(x, y)为序列x和y的协方差，σx和σy分别是序列x和y的标准差，ρxy的取值范围为-1≤ρxy≤1。
2 太阳与地磁活动分析磁暴、太阳活动及天气等因素的变化都会对电离层的扰动造成影响。其中，太阳活动强度稳定时对电离层TEC异常变化影响较小，而地磁活动强度对电离层异常变化影响较大，文献[14]针对不同指标对地磁活动进行了分类，根据Kp指数的变化，将Kp＝0-2, 3, 4, 5, 6, 7-9的地磁活动分为平静、不平静、活动、小、大、强烈等不同等级。根据Dst指数大小将磁暴划分为3类：① Dst>-50 nT定义为暴前阶段；②-l00 nT＜Dst＜-50 nT持续时间为最少4 h，定义为Ⅰ型磁暴；③ Dst＜-l00 nT持续时间为最少4 h，定义为Ⅱ型磁暴[14]。因此，在研究震前电离层异常变化时，必须综合考虑地震前后一段时间内空间环境变化[15]。
本文选取年积日92天至年积日113天共22 d的太阳活动和地磁数据，其中涵盖震前15 d和震后6 d全部数据，本文重点研究震前电离层异常情况。从图 1中可以看出SSN＜50变化不明显；f10.7变化稳定，在年积日100至108天数值介于100~120之间，表明太阳活动对电离层TEC变化影响较小；Kp指数震前超过4，地磁活动处于活动阶段；Dst指数介于-60~40之间，在震前出现＜-50 nT的情况，但持续时间很短，未达到I型磁暴水平，但可能会对电离层VTEC变化产生影响；据中国科学院空间环境研究预报中心发布的2016年4月的太阳及地磁活动情况，仅在年积日109天太阳出现了一个M级耀斑，但当日太阳活动水平偏低，地磁场平静(图 1中黑色实线为地震发生时刻)。
|
| 图 1 年积日第92—113天SSN、f10.7、Dst、Ap、Kp指数变化情况 Fig. 1 Variation of SSN, f10.7, Dst, Ap and Kp Index in the 92-113 day of the year |
3 电离层异常探测与分析 3.1 VTEC时间序列异常分析
挑选震中附近一个格网点作为中心点，选取其东南西北4个方向各一格网点作为辅助点进行电离层异常探测。各格网点经纬度分别为G1(35°N，130°E)、G2(35°N，125°E)、G3(35°N，135°E)、G4(30°N，130°E)和G5(40°N，130°E)，其分布见图 2。取各点震前15 d和震后6 d的数据，利用滑动时窗法确定探测上下限，得到各点VTEC及其上下限时间序列。利用包络线的方法绘制VTEC时间序列图，结果如图 3所示。
|
| 图 2 参考点分布示意 Fig. 2 Map of reference points distribution |
|
| 图 3 G1-G5点VTEC时序变化图 Fig. 3 VTEV sequential variation of G1-G5 point |
图 3中，红色线为探测上界，蓝色线为探测下界，共同构成包络线的边界，黑色曲线为VTEC观测值，黑色纵线为地震发生时刻。从图中可以看出震前4 d均出现明显的电离层异常，为了更明显的观察电离层异常持续时间，将各点电离层异常值时间序列绘制成图，详见图 4。
|
| 图 4 G1-G5点VTEC异常值时序变化图 Fig. 4 VTEC anomaly sequential variation of G1-G5 point |
从图 4中可以看出，年积日第94—95、97—98以及103—107天均出现明显的电离层异常现象而第108—112天异常基本恢复，结合太阳和地磁活动水平，第95天太阳黑子数呈现迅速增大的趋势；第98天、103—106天地磁处于活跃阶段，因此电离层异常有可能受这些因素影响。但同是地磁活跃期，对比前一个时段，震前4天内电离层异常尤为明显，第103天至107天电离层异常明显。第103天发生一段电离层正异常；第104天发生3段持续电离层正异常，第1段异常出现在1:00至5:00，持续时间为4 h，第2段异常出现在12:00至18:00，持续时间为6 h，第3段异常出现在22:00至次日3:00，持续时间为5 h，当日异常总持续时间为12 h；第105天12:00先出现持续约5 h的正异常，而18:00至22:00持续出现电离层负异常，持续时间4 h，当日异常总持续时间为12 h；第106天2:00至9:00持续出现电离层负异常，持续时间为7 h。综合震前4天探测情况，电离层异常总出现时间为35 h，持续时间逐天增加，且呈现由正异常向负异常变化的情况，推测该时段异常变化可能为地震前兆。
3.2 VTEC时间序列相关性分析以G3点为中心，分别计算第92天至112天G3点与G1、G2、G4和G5点VTEC序列的相关系数，并求出每天G3点与其他4个点相关系数的平均值，将每天的相关系数组成的序列绘制成图，如图 5所示。
|
| 图 5 G3与G1、G2、G4、G5点相关系数统计图 Fig. 5 Statistical character of correlation coefficient of G3 to G1, G2, G4, G5 point |
从图 5中可以看出，各点相关系数均值在地震当天(第107天)出现最小值，G3-G4、G3-G5的相关系数在地震当天急剧下降，而G3-G1和G3-G2相关系数变化不明显。因此，可以推断本次地震对震区临近点的相关性有影响，同经度不同纬度点的相关系数受地震影响剧烈，相关性明显降低，同纬度不同经度点相关系数受地震影响较小。
3.3 震区周边电离层VTEC异常分析为了更进一步判断电离层异常是否与日本九州岛地震有关，对震区周边进一步进行异常探测，时间分辨率为1 h，空间分辨率为经度5°，纬度2.5°。通过图 3和图 4中反映出的异常情况，可以发现第103—106天地震周围电离层异常持续时间较长。因此重点研究第103天至第106天全球电离层异常变化情况。图 6至图 9分别给出了这4天电离层异常情况，其中“+”表示的区域为地震中心位置。
|
| 图 6 年积日第103天全球电离层异常 Fig. 6 Global ionospheric anomaly in the 103 day of the year |
|
| 图 7 年积日第104天全球电离层异常 Fig. 7 Global ionospheric anomaly in the 104 day of the year |
|
| 图 8 年积日第105天全球电离层异常 Fig. 8 Global ionospheric anomaly in the 105 day of the year |
|
| 图 9 年积日第106天全球电离层异常 Fig. 9 Global ionospheric anomaly in the 106 day of the year |
图 6给出了第103天12:00至15:00的电离层异常情况，可以看出震区中心位于异常区域边缘，异常值约2-3TECU，持续时间为4 h，异常值由大变小。考虑该日Dst指数变化幅度较大，全球其他区域也存在类似异常持续情况，因此该日异常变化可能受地磁影响。
图 7给出了第104天电离层异常情况，其中1:00至4:00全球异常幅度大，可能受地磁变化影响，并不能明显看出电离层异常与地震的关系。但是从12:00至18:00全球异常图中可以发现，震区周围电离层异常区域较为集中，且异常持续时间超过6 h，因此推测该时段异常值可能与地震有关。
图 8给出了第105天12:00至22:00电离层异常情况，可以看出当日电离层异常由正值逐渐向负值转变，震区周围电离层异常变化明显，并且呈现间断变化的情况，据统计分析，当日震区上空附近电离层异常持续累计时间达到12 h，尽管该日地磁不平静，但全球其他区域并未出现类似情况，因此推测该日电离层异常与地震有关。
图 9给出了第106天6:00至12:00电离层异常情况，该日在震区周围出现大面积电离层负异常，且异常持续时间超过6 h，当日Dst指数介于10至-20 nT，Kp指数小于2，地磁环境稳定，且太阳辐射水平稳定，因此推测该日电离层负异常可能为地震发生前兆。
综合考虑电离层异常情况与地磁不平静现象，2016年日本九州岛震中附近上空电离层VTEC正负异常现象可能是地震前兆。
3.4 异常时刻电子密度分布分析为了对电离层异常时电子密度分布情况进一步分析，本文利用电离层层析的方法，对震区上空电离层电子密度进行反演。选取年积日104天01:00和03:00两个时刻进行电子密度反演。反演区域为经度120°E~140°E，纬度30°N~40°N，高度100 km~1000 km。将该区域划分为7938个经度、纬度、高度分别为1°×0.5°×50 km的格网。首先利用IRI2012模型生成各个格网点电子密度初值；然后利用GIM数据进行插值得到每个格网点中心点对应的VTEC；最后利用MART算法对电子密度进行反演。反演结果见图 10。
|
| 图 10 年积日第104天01:00和03:00时刻电子密度随经度和纬度变化情况 Fig. 10 The variation analysis of electron density in a longitude versus latitude plane |
由上图可以看出。震区内各层电子密度由西向东、由北向南逐渐增大。对比图 10(a)和图 10(b)可以发现，在电子密度异常时刻，电子密度峰值区域(250 km~350 km)电子密度变化相对其他层变化更为明显，其中位于350 km高度的电子密度变化最为明显，电子密度峰值呈现向上移动的趋势，这可能与电离层TEC异常变化有关。
4 结论本文对2016年4月16日(年积日107天)电离层异常与日本九州岛地震的关系进行研究，选取震中及其周围共5个格网点，利用滑动时窗法探测电离层异常，发现在震前4天电离层出现明显的异常，且异常持续时间逐渐延长，持续时间累计长达35 h。确认在第105天即震前第2天异常由正值变为负值。结合临近格网点VTEC相关性统计的方法，提高了电离层异常与地震相关联的可靠度。从相关性统计结果上看，此次地震对同经度不同纬度的格网点VTEC相关性有明显的影响，地震发生当天相关系数急剧下降，G3-G5点的相关系数达到统计时间内最低值，这可能与地震波的传播方向有关。针对前期地磁扰动的情况，本文详细分析了震前4天全球电离层异常变化情况，探讨了异常受地磁的影响情况，并根据震区上空异常区域范围、单次异常持续时间、异常持续累计总时间与全球异常分布等情况，提取出了有可能与地震有关的异常变化。结果表明，尽管受到地磁干扰，震前电离层异常现象仍十分明显，为研究电离层预报地震提供有力的支撑。最后利用电离层层析的方法对震区上空电子密度进行反演，发现电子密度在电离层异常时，电子密度峰值会出现偏移现象。
| [1] | CALAIS E, MINSTER J B. GPS Detection of Ionospheric Perturbations Following the January 17, 1994, Northridge Earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 1995, 22(9): 1045–1048. DOI:10.1029/95GL00168 |
| [2] | 姚宜斌, 陈鹏, 吴寒, 等. 2011年3月11日日本地震震前电离层异常变化分析[J]. 科学通报, 2012, 57(5): 355–365. YAO Yibin, CHEN Peng, WU Han, et al. Analysis of Ionospheric Anomalies before the 2011Mw 9.0 Japan Earthquake[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(5): 355–365. |
| [3] | 祝芙英, 吴云, 林剑, 等. 汶川Ms 8.0地震前电离层TEC异常分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2008, 28(6): 16–21. ZHU Fuying, WU Yun, LIN Jian, et al. Study on Ionospheric TEC Anomaly Prior to Wenchuan Ms 8.0 Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2008, 28(6): 16–21. |
| [4] | LIU J Y, CHEN Y I, CHUO Y J, et al. A Statistical Investigation of Preearthquake Ionospheric Anomaly[J]. Journal of Geophysical Research, 2006, 111(A5): A05304. |
| [5] | LEONARD R S, BARNES R A JR. Observation of Ionospheric Disturbances Following the Alaska Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1250–1253. DOI:10.1029/JZ070i005p01250 |
| [6] | 张学民, 刘静, 赵必强, 等. 玉树地震前的电离层异常现象分析[J]. 空间科学学报, 2014, 34(6): 822–829. ZHANG Xuemin, LIU Jing, ZHAO Biqiang, et al. Analysis on Ionospheric Perturbations before Yushu Earthquake[J]. Chinese Journal of Space Science, 2014, 34(6): 822–829. DOI:10.11728/cjss2014.06.822 |
| [7] | 陈鹏. GNSS电离层层析及震前电离层异常研究[J]. 测绘学报, 2013, 03: 474. CHEN Peng. Research on GNSS-based ionospheric tomography and Pre-earthquake ionospheric Anomaly[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2013, 03: 474. |
| [8] | 姚宜斌, 翟长治, 孔建, 刘磊. 2015年尼泊尔地震的震前电离层异常探测[J]. 测绘学报, 2016, 45(4): 385–395. YAO Yibin, ZHAI Changzhi, KONG Jian, Liu Lei. The Pre-earthquake Ionosphere Anomaly of the 2015 Nepal Earthquake[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2016, 45(4): 385–395. DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150384 |
| [9] | PULINETS S A, LEGEN'KA A D, GAIVORONSKAYA T V, et al. Main Phenomenological Features of Ionospheric Precursors of Strong Earthquakes[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2003, 65(16-18): 1337–1347. DOI:10.1016/j.jastp.2003.07.011 |
| [10] | 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. DOI:10.1029/2000GL011395 |
| [11] | LIU J Y, TSAI H F, LIN C H, et al. Coseismic Ionospheric Disturbances Triggered by the Chi-Chi Earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(A8): A08303. |
| [12] | LIU J Y, CHEN Y I, CHUO Y J, et al. Variations of Ionospheric Total Electron Content during the Chi-Chi Earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 2001, 28(7): 1383–1386. DOI:10.1029/2000GL012511 |
| [13] | 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, 2007, 112(B2): B02106. |
| [14] | TAYLOR J R, LESTER M, YEOMAN T K. A Superposed Epoch Analysis of Geomagnetic Storms[J]. Annales Geophysicae, 1994, 12(7): 612–624. DOI:10.1007/s00585-994-0612-4 |
| [15] | 马一方, 姜卫平, 席瑞杰. 利用全球电离层地图分析芦山地震电离层异常变化[J]. 武汉大学学报(信息科学版), 2015, 40(9): 1274–1278. MA Yifang, JIANG Weiping, XI Ruijie. Analysis of Seismo-ionospheric Anomalies in Vertical Total Electron Content of GIM for Lushan Earthquake[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(9): 1274–1278. |