2022, Vol. 43
2) 中国北京 100085 应急管理部国家自然灾害防治研究院
2) National Institute of Natural Hazards, Ministry of Emergency Management of China, Beijing 100085, China
空间对地观测技术因其速度快、范围大以及高数据分辨率等优势得到快速发展，尤其是2004年法国DEMETER卫星成功发射，利用卫星对地观测数据研究和识别地震电离层异常成为当前研究热点。Akhoondzadeh等（2010）研究了2009年9月29日Samoa islands MW 8.1地震、2009年4月6日L’Aquila MW 6.3地震和2008年5月12日Sichuan MW 8.0地震，结果显示，在地磁平静条件下，DEMETER卫星电子浓度和离子浓度正负异常出现在震前1—5天，这意味着电离层异常可以作为有效的地震前兆异常。Stangl等（2011）研究表明，L’Aquila MW 6.3地震前2周，DEMETER卫星记录到极低频（VLF）电离层异常。Li等（2019）总结了汶川MS8.0地震前电离层异常的部分研究成果，结果显示，电离层异常出现在震前2—30天，集中出现在震前2周，异常幅度在20%—123%。同时，基于卫星观测对同一个地点不能连续观测且观测具有地方时依赖性观测特点，各国学者开展地震电离层响应统计工作。Pulinets（2003）统计发现，5级以上地震发生前几天观测到电离层异常概率为73%，6级以上地震为100%。Píša等（2012，2013）利用DEMETER卫星不同时段的电场观测数据，统计强震电离层响应，发现震前4小时电场有明显的下降异常。Li等（2012，2013，2018）利用DEMETER卫星观测6.5年的离子浓度数据统计全球电离层响应，发现地震探测率随着震级增大以及震源深度的减小而增大，地震电离层异常出现在震前1天的概率最高，随着时间延迟逐渐减小，北半球是有利的地震探测区，地震电离层异常倾向于出现在震中东侧，其地磁共轭点西侧。
2 张衡一号卫星数据在地震预报中的应用实践2018年2月2日，张衡一号卫星(ZH-1)在酒泉卫星发射中心成功发射。这是中国第一颗地震电磁监测实验卫星（Shen et al，2018），其回访周期为5天，携载8个科学载荷，分别为电场探测仪（EFD）、磁通门磁力仪（SCM）、高精度磁强计（HPM）、等离子体分析仪（PAP）、朗缪尔探针（LAP）、高能粒子探测仪（HEPP）、GNSS掩星接收仪（GOR）和三频信标机（TBB）。等离子体分析仪和朗缪尔探针分别探测电离层原位离子浓度和电子浓度。离子浓度普查和详查模式的分辨率分别为1 s和0.5 s，电子浓度分别为3 s和1.5 s。
2020年4月末，张衡一号卫星数据开始尝试应用于日常震情跟踪工作。适应于震情跟踪节律，卫星数据每周处理一次，主要利用离子浓度和电子浓度2个参数。考虑日间太阳活动活跃，对电离层产生干扰，主要使用夜间数据，同时控制Kp＜3去掉部分太阳活动的影响。通过对中国区域参数的背景变化分析，离子浓度和电子浓度背景值分别设定为3.0×1010 m-3和2.0×1010 m-3，主要采用原始数据网格化等值线。每周每个参数产出一张图，每次展示1个月的数据图，异常一旦提出，有效期为2周。
卫星数据应用期间，观测到2021年5月22日青海玛多MS 7.4地震和2022年1月8日青海门源MS 6.9地震电离层异常。
3 张衡一号卫星记录大震震例 3.1 2021年5月22日青海玛多MS 7.4地震2021年5月5日—11日，张衡一号卫星记录到离子浓度和电子浓度同步异常信息，如图 1所示，其中(a)图为离子浓度变化，(b)图为电子浓度变化，异常信息位于甘东南地区，年中地震会商作为甘东南地震危险区跟踪依据之一。2021年5月22日青海玛多发生MS7.4地震，震中位于（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km。震后数据分析发现，异常出现在5月8日，离子浓度异常变化幅度为41.6%，电子浓度变化幅度为22.2%，异常峰值点距玛多MS7.4地震震中约600 km，异常出现距地震发生时间为14天。
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图 1 2021年5月5日—11日张衡一号卫星电离层异常 (a)离子浓度；(b)电子浓度 Fig.1 Ionospheric anomaly registered by the ZH-1 satellite from 5-11 May, 2021 |
处理2021年12月28日至2022年1月3日期间卫星数据发现，在青海北部有明显离子浓度和电子浓度异常信息，如图 2所示，其中(a)图为离子浓度变化，(b)图为电子浓度变化，地震周会商提出关注青海北部异常。进一步分析发现，异常出现在1月2日。1月8日凌晨青海门源发生MS6.9地震，震中距异常高值点约120 km。震后研究发现，异常出现在震前6天，变化幅度分别为：离子浓度上升47.3%，电子浓度为38.4%。
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图 2 2021年12月28日至2022年1月3日张衡一号卫星电离层异常 (a)离子浓度；(b)电子浓度 Fig.2 Ionospheric anomaly registered by the ZH-1 satellite from 28 December, 2021 to 3 January, 2022 |
在张衡一号卫星数据应用于地震预报期间，成功记录到2021年5月22日青海玛多MS7.4地震和2022年1月8日青海门源MS6.9地震前显著离子浓度和电子浓度异常，异常信息分别出现在震前14天和震前6天，震中距分别为600 km和120 km。然而，这并不意味着成功的地震预报，期间存在诸多不确定因素。首先，异常出现后，地震的震中无法确定。大量研究表明，地震电离层异常为较为有效的短临前兆异常，然而，未来地震的震中或者异常的空间分布是一个很难确定的因素。其次，尽管统计意义上显示，异常变化幅度随震级的增大而增大，然而，从上述2个震例可以看出，异常的变化幅度还取决于震中距，因为，未来地震的震级也是很难确定的。同时存在很多干扰异常，例如太阳活动、空间天气等因素。因此，有必要开展深入研究和长期地震预报实践。
本文所用数据来自于中国国家航天局（China National Space Administration，CNSA）和中国地震局（China Earthquake Administration，CEA）联合支持张衡一号卫星（ZH-1），在此表示感谢。
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