地震是对人们生命和财产造成极大的威胁的突发性自然灾害，地震与电离层异常关系的研究源于1965年美国阿拉斯加大地震，Leonard和Barnes Jr (1965)发现这次大地震发生时，电离层出现异常扰动现象，由此引发许多学者就地震电离层相关性的研究热潮，科学家经过研究表明与地震活动相关的电离层异常变化确实存在，并总结出岩石圈-大气层-电离层的耦合现象激发扰乱电离层、大气层(Breiner, 1964; Gokhberg et al., 1982; Sorokin et al., 2001; Hayakawa et al., 2004).1971年Antselevch (1971)研究1966年塔什干(Tashkent)M_W 7.5级地震发现震中上空电离层E层电子密度有增加的现象，并最早将电离层参数作为地震前兆.此后随着卫星技术的不断发展，电离层的研究领域也得以促进和发展，基于DEMETER卫星观测数据，李美等(2014)、闫相相等(2014)、曾中超等(2009)通过对不同震例地震前后电离层电子浓度进行异常分析，均在地震前后观测到电离层异常扰动.闫相相(2014)通过对日本境内4个观测台站的数据进行分析，发现日本M_W 9.0级地震震前三天4个台站同时出现f₀F₂增强现象，赤道异常区电离层TEC出现明显增强，并伴有南半球磁共轭区增强现象.Zhao等(2008)利用在中国和日本四个观测台站的数据分析汶川地震，发现震前三天4个台站的Kp指数增幅较地磁平静时明显.李旺等(2014)、林剑等(2009)、刘静和万卫星(2014)、祝芙英等(2008)在前人研究成果基础上针对不同震例分析得出地震前后异常扰动确实存在，且具有共轭结构，并呈现向磁赤道漂移趋势.此外，Guo等(2015)借助滑动四分位距法对同一天内发生的印尼苏门答腊地震和墨西哥地震进行对比分析，结果表明印尼地震震中区域电离层在震前11天和震前3天分别存在负异常和正异常，而墨西哥地震震中地区则分别呈现正异常和负异常，借助全球TEC异常图，得出电离层异常扰动与临震时间、地震强度和震源深度都可能有关的结论，同时郭金运等(2015)基于参数分类解算的思想，利用平方根信息滤波/平滑的方法有效解算电离层延迟，其解算精度可达0.02 m，为以后电离层延迟解算提供新方法.徐彤等(2012)对中国14次大地震研究发现，有85.7%的震例出现了电离层扰动现象，而且基本为正相扰动；电离层f₀F₂扰动量与即将发生的地震震级存在明显正相关关系，与震中距离、震源深度呈现负相关关系.随着地震电离层异常分析方法的不断发展，Guo等(2015)利用滑动四分位距法对智利M_W 8.2级地震进行电离层异常分析的同时，提出使用交叉小波分析的方法探测电离层异常与地磁活动相关性.张小红等(2013)提出一种利用时间序列法(ARIMA模型)进行震前电离层异常探测新方法，并与传统方法(四分位距法、滑动时窗法)比较得出其精度高于传统方法的结论.郭文玲等(2016)则提出一种能够同时获取不同区域电离层传播模式特性的联合探测体制，以探究电离层不同传播模式的分布规律，为未来电离层研究及其与地震的相关性分析提供了新思路.

北京时间2015年4月20日9时42分，台湾花莲(24.0°N，122.5°E)发生M_W 6.4级地震，距离台北约1 00~200公里，震源深度7公里，属浅源地震，全台湾地区基本都有震感.本文就CODE (the Center for Orbit Determination in Europe)提供的全球GIM (Global inonsphere maps)格网数据插值得到震中震前的TEC时间序列，借助滑动四分位距法(Liu et al., 2000)，以各待分析时间前27天的同一时刻TEC观测值为背景值，在考虑太阳地磁活动因素的干扰下分析震前电离层异常扰动.

本文采用欧洲定轨中心(CODE)提供的全球GIM格网电离层TEC资料(数据网址：ftp://ftp.unibe.ch/aiub)，GIM数据是CODE根据IGS站和各国GPS站得到的以两个小时为时间间隔形成5°×2.5°的TEC格网图，从世界时0时到24时共形成13张图，该数据为研究全球范围电离层结构和变化提供了基础数据.为排除太阳和地磁活动对电离层的异常扰动，本文对中科院空间中心提供的太阳射电通量F10.7、太阳黑子数SSN (数据网址：http://www.sepc.ac.cn)、日本京都地磁数据中心提供的磁暴时变化指数Dst (数据网址：http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstae/index.html)和美国国家海洋和大气局(NOAA)提供的全球地磁活动指数Kp (数据网址：ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/GEOMAGNETIC_DATA/INDICES/KP_AP/2015)等数据进行分析.有研究表明：电离层TEC与F10.7和SSN相关性很高，均在0.7以上(冯建迪等，2015)，因此，本文综合考虑F10.7和SSN指数异常更能准确分析其与震前电离层的影响，且通常太阳活动平静时F10.7指数在70SFU以下.Dst指数每一小时采集一次数据，一般地磁平静状态下的Dst指数在-20~20 nT (万剑华等，2012；李旺等，2014).Kp指数是单个地磁台用来描述每天每3小时时间间隔的地磁扰动强度的指数，共分为0~9个等级，地磁平静状态下的Kp指数一般小于3(Mayaud，1980；万剑华等，2012；李旺等，2014).

Guo等(2015)利用交叉小波与小波相干谱分析TEC周期变化特征与太阳活动的关系，发现在27天周期内，两者有很强的的相关性，说明太阳黑子周期影响TEC周期变化，因此本文借助滑动四分位距法，以27天同一时刻的观测值为背景值，2倍四分位距为限差，分别对太阳和地磁活动进行滑动异常分析，又对震中区域震前TEC变化进行统计分析.

图 1a和图 1c分别表示震前一个月的SSN和F10.7指数的时间序列，整体上看太阳活动水平较为稳定，但仍出现少数异常时间段.特别经滑动异常探测后，如图 1b、图 1d，震前1天、26天、27天SSN指数出现明显正异常，震前12天、13天SSN指数表现为负异常，同时相应震前12天F10.7也伴有明显负异常，异常值达8SFU.综合图 1a-d分析，震前1天、12天、13天、26天、27天发生太阳活动异常.

图 1

Figure 1

图 1 2015年3月21日-4月23日期间太阳、地磁活动数据(横坐标为0时段为花莲地震发生当天) (a)太阳黑子数SSN日变化; (b)太阳黑子日变化异常(ΔSSN); (c) F10.7太阳射电通量日变化; (d) F10.7日变化异常值(ΔF10.7);(e)地磁指数Dst日变化; (f) Dst指数日变化异常值(ΔDst); (g)地磁指数Kp日变化; (h) Kp指数日变化异常值(ΔKp). Figure 1 Solar and geomagnetic activities from March 21 to April 23(UTC), 2015(Horizontal coordinates for 0 of time represent the moment of Hualien earthquake) (a) The diurnal variation of SSN; (b) The outliers of SSN diurnal variation (ΔSSN); (c) The F10.7 solar flux diurnal variation; (d) The outliers of F10.7 solar flux diurnal variation (ΔF10.7); (e) The diurnal variation of Dst; (f) The outliers of Dst diurnal variation (ΔDst); (g) The diurnal variation of Kp; (h) The outliers of Kp diurnal variation (ΔKp).

图 1e和图 1g分别给出了震前一个月内的地磁活动指数Dst和Kp日变化情况，由图可知，地磁活动水平趋于稳定，经过异常探测后地磁活动异常时段更显而易见，如图 1f、1h.图 1f表明Dst指数异常全部表现为负异常，且异常时段出现在震前3天、4天、9天，其中震前3天(ΔDst约-18 nT)、9天(ΔDst约-16 nT)表现为中等磁暴现象；图 1h指出Kp指数异常时段为震前3天、5天、10天、29天，且全部为正异常值现象，其中震前3天、29天异常程度均达到2，这些异常现象表明全球有较弱的地磁活动.综合图 1e-h，可以总结出震前3~5天、9天、10天及29天存在明显的地磁异常现象.

从CODE提供的GIM资料中提取出距离花莲M_W 6.4级地震震中位置最近的4个网格点的GPS TEC值，插值获得2015年3月21日~4月23日震中区域上方的TEC时间序列，利用滑动四分位距法对这一段时间序列进行异常分析，得到震中区域电离层TEC的时间序列及其具体异常值，如图 2所示.

图 2

Figure 2

图 2 2015年3月21号至4月20号震中电离层信息(横坐标为0的时段为花莲地震发生当天) (a)震中TEC时间序列(图中红色线为观测值、绿色线为上边界、蓝色线为下边界)(b)震中区域TEC变化异常值. Figure 2 TECs over the epicenter from March 21 to April 20(UTC), 2015(Horizontal coordinates for 0 of time represent the moment of Hualien earthquake) (a) The TEC time series over Hualien earthquake epicenter (the red line represent VTEC, the green line represent the upper bound, the blue line represent the lower bound) (b) The outliers of TEC time series over Hualien earthquake epicenter.

由图 2a示，大部分时刻的TEC值都处于正常范围之内，但仍检测出某些时刻的TEC值存在异常，如震前的第8天、第17天、第29天，经异常探测后如图 2b，其中震前8天、29天均出现明显负异常，异常幅度约8TECU和10TECU，震前17天也有明显正异常，异常值达16TECU，另外震前18天、23天也出现一些小的正异常值.

综合对比图 1b、1d、1f、1h与图 2b可以发现，部分TEC时间序列异常与对应时间段的太阳地磁活动异常相伴发生，如震前8天、29天出现TEC负异常时，都存在地磁异常活动现象，由此表明，震前8天和29天出现的TEC异常变化可能是地磁扰动引起的；震前23天出现的小的正异常值时，当天也有太阳活动扰动现象出现.震前17天地磁和太阳活动都处于平稳状态(SSN < 30，F10.7≤120SFU，Kp≤3.0，-27 nT < Dst < -8 nT)，但TEC异常值达16TECU且存在异常持续现象，该现象较为突出，因此本文选取这一天的全球电离层扰动分布结果(如图 3所示)进行分析，判断其是否与地震发生前的地球内部变化相关.

图 3

Figure 3

图 3 2015年4月3日全球电离层TEC异常分布(黑色五角星为震中位置) (a) UTC02：00；(b) UTC04:00；(c) UTC06：00；(d) UTC08：00；(e) UTC10：00；(f) UTC12：00；(g) UTC14：00；(h) UTC16：00；(i) UTC18：00；(j) UTC20：00. Figure 3 Global TEC anomalies on April 3(UTC), 2015 (black five-pointed star represent the epicenter of Hualien earthquake)

图 3是震前17天每两小时间隔的全球电离层TEC异常分布图，图中展现TEC异常的时序变化.UTC02:00时，震中正东方出现正异常，且表现为狭长的条带，同时，在全球的其他地区也出现微弱的局部扰动，值得一提的是，在南美洲东南部存在明显的负异常现象，异常值约-6 TECU.此后，随着时间的推移，异常区域逐渐西移且异常幅度表现为先增大后减弱的变化趋势.其中UTC06:00时，磁赤道共轭区正式形成，最大异常峰值约6 TECU，至UTC08:00时，异常现象达到顶峰，震中区域附近的异常范围扩大，约处在90°-130°E，15°-32°N，异常幅度约达10 TECU，南半球对应的共轭区异常现象也明显增强，但异常幅度相对震中弱，约为2~8 TECU.此后异常区域持续西移并减弱，直至UTC14:00时，震中附近异常逐渐消失，全球呈现3条片状异常区域，原震中附近异常移至印度半岛上空(考虑到该天太阳地磁活动较为稳定，结合该天前后的地球活动异常情况，该现象可能与4月25日的尼泊尔8.1级地震有部分关联，具体关联还需要进一步研究考虑)，南美洲腹地的负异常基本消失，直至UTC20:00时，全球电离层异常现象降到最弱，异常值约2TECU，全球电离层逐渐恢复平静.

此次电离层异常主要发生在当地时间的12：00~18：00，持续时间长达十余小时，震中区域附近上空及对应的磁赤道共轭区上空的电离层均出现异常现象，且两区域异常现象呈现相同变化趋势，此外，该时间段太阳、地磁活动未出现异常现象，所以该区域的电离层异常扰动现象很可能是此次地震发生的前兆之一；在此期间，全球范围内其他地区也出现了一些异常，但是在异常范围或异常幅度角度来讲，都比震中附近的异常较弱.

本文通过CODE提供的全球GIM格网电离层TEC数据，针对2015年4月20日花莲M_W 6.4地震，借助滑动四分位距法(待分析时间段前27天观测值为背景值)，同时综合F10.7、SSN、Dst、Kp指数的异常时间序列，对地震前后TEC异常进行初步分析.分析结果显示：震前TEC正异常现象突出，排除空间因素影响，震前17天TEC正异常在很大程度上与花莲地震有关，此次异常持续时间十余小时，最大异常值达10TECU，其峰值点接近震中偏向高纬方向；震前TEC异常表现为自东向西移动，并消失在西部，且异常区形态呈现共轭结构，共轭区与震中附近异常状况变化趋势大致相同；本次震前TEC异常持续时间长，异常幅度较其他异常扰动区域明显，考虑当天地球活动状况，此次异常现象可能是花莲地震的前兆之一.