2023, Vol. 44
图像信息方法（Pattern Informatics Method，简写为PI）是由Rundle等（2000，2002）基于复杂性物理提出的应用于地震活动研究的统计物理方法，在测震学的中长期地震预测研究中表现出较好的预测效能。武安绪等（2011）在地壳岩石破裂过程中可能辐射电磁信号的理论基础上对PI算法在空间归一化、阈值形式、累计方式、空间概率等改进后得到MPI方法，并基于DEMETER卫星电离层观测资料进行震例回溯性研究。自张衡一号电磁卫星（CSES）发射后尚未有学者基于CSES电离层数据使用MPI方法进行过地震—电离层异常信号提取，同时考虑到目前利用MPI方法的震例研究仍较少，该方法是否稳定的能提取出地震—电离层信息尚未可知，因此本工作基于张衡一号电磁卫星电离层数据展开MPI方法的地震预测应用研究。
2 研究内容、理论基础和研究方法概述MPI方法量化“目标参量”随时间的变化，并寻找“目标参量”显著偏离正常状态的地点，把它们视为未来一段时间异常信号出现的高概率地区，最后输出一张“热点”预测图。
研究工作主要包含2个部分：①电磁卫星数据的预处理，包括网格划分、缺失数据插值、年变模型的构建以及背景信息剔除等工作，得到用于MPI计算的“电离层参量目录”（包含“目标参量”每个数据的时间、经纬度以及值的信息）；②利用MPI方法进行震例研究，提取震前震后电离层异常信息。
使用张衡一号卫星朗缪尔探针所探测的电子密度2级数据，针对2019—2021年全球部分MW≥7.0地震以及中国陆区MW≥6.0地震进行震例回溯性研究，震例信息见图 1。
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图 1 震例信息 Fig.1 Earthquake information |
MPI方法的计算涉及到网格尺度、时间窗长等参数的设置，通过控制唯一变量进行震例结果分析后，设定网格尺度为5°×2°（经度×纬度）、背景时间窗长为6个月、预测时间窗长和变化时间窗长为10天。在上述参数下进行了震例计算，并进行了异常统计研究，统计结果见图 2，震例结果见图 3。
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图 2 各震例异常统计特征 （a）各震例最近一段异常的时间分布；（b）各震例异常的起始时间分布；（c）各震例异常持续时间；（b）各震例震中与异常的平均距离 Fig.2 Statistics of anomalies |
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图 3 2021年中国青海玛多MW 7.3 MPI热点演化 左侧日期为每行第一张图对应日期，红色五角星为地震震中，红色圆圈为研究区内震级≥MW 5.5地震 Fig.3 MPI hotspot evolution map of the 2021 Madoi MW 7.3 earthquake in Qinghai |
通过MPI方法对张衡一号电磁卫星的电离层数据处理，以提取可能的地震—电离层前兆信息。通过统计分析发现：①75%的震例存在持续到震前3天内的异常，同时60%的震例震前一个月前就出现异常，80%的震例异常持续时间小于一个月，80%的震例异常持续时间小于一个月；②66%的震例和异常的空间距离大于300 km。由此可见利用MPI方法提取地震—电离层前兆信息的可行性。本工作的研究结论有助于利用MPI方法处理后续张衡系列卫星数据。
武安绪, 张永仙, 周元泽, 等. 基于改进型图像信息方法的汶川地震前电离层参量时空特征研究[J]. 地球物理学报, 2011, 54(10): 2 445-2 457. |
Rundle J B, Klein W, Tiampo K, et al. Linear pattern dynamics in nonlinear threshold systems[J]. Physical Review E, 2000, 61(3): 2 418. DOI:10.1103/PhysRevE.61.2418 |
Rundle J B, Tiampo K F, Klein W, et al. Self-organization in leaky threshold systems: The influence of near-mean field dynamics and its implications for earthquakes, neurobiology, and forecasting[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2002, 99(S): 2 514-2 521. |