2014, Vol. 29
2. 中国地质大学, 北京 100083;
3. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
2. China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
卫星对地观测技术以其速度快、范围大、动态性好、精度高等技术优势已在地震发生机理研究、地震监测预报、地震灾害预防和应急救援工作中显示出巨大的应用潜力，并正在成为地震监测预测和科学研究工作的重要支撑手段.不同卫星记录数据已经用来研究震前电离层变化.近10年研究结果表明，电离层对地震响应异常敏感(Hayakawa and Molchanov， 2002).尽管不是所有地震前都观测到电离层变化，电离层扰动可以看作地震短临前兆(Liperovsky et al., 1992;Liu et al., 2000;Chuo et al., 2002; Singh et al., 2003; Hayakawa，2007; Akhoondzadeh et al., 2010; Kon et al., 2011).
早在1960年5月智利大地震前几小时地磁平静期，观测到F2层临界频率foF2略低于平均值(Foppiano et al., 2008).1964年3月28日阿拉斯加地震前，也发现电离层响应数据不规则变化(Davies and Baker， 1965).Hasbi et al.(2011)处理了2004-2007年4个7.9级以上地震GPS和CHAMP 卫星数据发现，TEC和电子浓度异常出现在震前6天到几个小时.Hayakawa et al.(2008，2011)分析了2007年 Niigata Chuetsu-oki 6.8级和2010年海地7.0级地震前地面VLF接收站数据，发现震前低电离层扰动，半径达几百公里.海地7.0级地震(2010年1月11日)前一天，电子浓度和电子温度在震中附近显著增强，震后几天，观测到电子温度的下降(Sarkar et al., 2012).欧阳新艳等(2011)分析了2006年汤加7.9级地震前DEMETER 卫星数据，发现震前6天，电场和等离子体参量在震中上空偏北的位置出现扰动信号，信号幅度随地震时间临近有所增强.2010年2月27日智利8.8级地震前1~2周，观测到高能粒子、VLF电场和电子浓度的变化(刘静等，2011；张振霞等，2012).
汶川地震前GPS观测TEC和foF2资料处理发现，在震前3天(5月9日)，白天震中位置上空TEC出现了显著增强，与参考日相比增幅达60%，从正午到日落的一段时间内，foF2出现40%~80%的增强，异常空间分布距离震中在经向和纬向分别延展2580 km和1650 km(余涛等，2009；Liu et al., 2009; 曾中超等，2009; 林剑等，2009).Akhoondzadeh et al.(2010)处理了2008年5月1-16日DEMETER卫星电子浓度数据发现，震前2~3天观测到的异常是最强的，9日幅度达到-24%，10日达-37%.Zhang et al.(2009)处理了汶川地震前DEMETER 卫星O+ 浓度数据，发现震前3天，即5月9日，达到了最低值. Xu et al.(2010，2011)采用新指标——有效太阳黑子数分析了国内10个以上电离层观测台站F2层临界频率foF2，结果显示，汶川地震前3天，即5月9日，震中周围地区出现了巨大的正扰动，幅度达67%，持续3个小时.2009年4月6日L’Aquila 6.2级地震前4~6天，观测到最大幅度67%的TEC异常(Dabas et al., 2007; Stangl et al., 2011).
震前几天，5.0级地震观测到电离层扰动概率是73%，6.0级地震是100%(Pulinets et al., 2003).Silina et al.(2001)分析了36个震级为5.5 ≤M≤ 6.6震例(震源深度h>33 km为深震，震源深度h≤33 km为浅震.)Es层分布(Es层在电离图上的扩散轨迹)，结果显示，Es层分布在震前1~3天上升，深震比浅震更强.利用TEC数据，Liu et al.(2004)统计分析台湾1999年9月到2002年12月20个6.0级以上震例的电离层响应，得出，强震前5天出现电离层异常概率是80%.Akhoondzadeh et al.(2010)利用DEMETER 卫星观测电子浓度和离子浓度参数以及GPS观测TEC参数，统计分析4个6.0级以上强震前电离层变化，发现，在地磁平静期，4个地震前1~5天均出现了电离层正负异常.Zhang et al.(2012)统计研究69个7.0级以上震例，发现32个地震前探测到ULF和ELF频段的静电干扰，探测率约46%.
2010年末，DEMETER卫星停止运行，获得了一整套的卫星观测数据集，研究和统计卫星运行期间电离层变化和地震关系成为必然.使用DEMETER卫星等离子体分析仪(IAP)记录总离子浓度数据，自动探测地震电离层响应，统计分析地震电离层响应异常演化特征.初步统计结果显示，地震探测率随探测范围和时间增大而增大；在同一探测条件下，地震探测率和扰动异常幅度随震级增大而增大；全球范围，探测率不同地区差别很大；大部分扰动异常出现在震前一周(Li and Parrot， 2012，2013).本文延用前期数据处理方法，叙述统计结果基础上，重点展示地震电离层响应异常时空演化统计特征.
1 DEMETER卫星简介
DEMETER卫星是2004年6月法国发射的一颗低轨(710 km)太阳同步卫星，主要观测全球除极区外的电磁波和等离子体参数(Parrot et al., 2006).是第一颗主要用来探测地震电磁活动和人类活动对电离层影响的实验卫星，包括6个科学载荷.与以前的卫星相比，DEMETER卫星的每一个载荷都能提供长时间、连续和高质量的数据，对大量记录事件进行充分地、有意义地统计研究.卫星的IAP载荷产出离子浓度数据，数据采样率为，Survey 模式是4 s，Burst 模式为2 s.关于IAP实验载荷更多细节可参考文献(Berthelier et al., 2006).
2 数据选取和数据处理方法2.1 数据选取2.1.1 卫星数据选取
DEMETER卫星从2004年6月发射运行到2010年12月停止数据观测，共运行了约6.5年.由于前期运行不稳定及数据记录连续性较差，本文采用载荷IAP记录离子浓度(Ion density)数据，包括整套O+ 、H+ 和He+数据集，时间从2004年8月11日到2010年12月16日，共96，863个数据文件.
2.1.2 震例数据选取
为体现震前电离层响应，研究震例选取卫星运行期间，全球发生MW ≥4.8(USGS: http://www.usgs.gov)所有地震，时间从2004年8月20日到2010年12月31日，共21，863个震例，记录其发生时间、地点(经纬度)、震级、震源深度等相关信息.为了研究震级对异常幅度影响，根据震级MW将震例划分为3组(表 1)，由表 1，MW 4.8~5.0 地震12057个，占总数55.1%；MW 5.1~6.0地震8953个，占41.0%；MW≥6.1地震853个，占3.9%.
 | 表 1质量控制参数实时监控值 Table 1 Earthquakes considered in the present paper |
读取所有DEMETER卫星离子浓度(O+ 、H+ 和He+)数据按记录时间存放在一个文件里.便于研究，将加密观测模式(Burst Mode)数据统一到巡查模式(Survey Mode)，使所有数据具有同一时间分辨率，三种离子浓度数据加和，得到一个总离子浓度数据时间序列，包含27，257，933个数据记录点.同时，在检测数据扰动前，用SAVGOL 方法将数据圆滑处理，得到原始数据的加权移动平均，以便消除因短时间数据突跳引起的脉冲式扰动异常.2.2.2 电离层总离子浓度扰动异常自动探测
1)第一步，对上述总离子浓度时间序列，软件自动探测扰动异常.一个扰动异常必须满足两个基本条件：
(1)有一定持续时间t.根据对多个震例测试验证以及考虑卫星本身运行速度，设定最大持续时间为2 min(120 s)，这一时间卫星运行约840 km，最小持续时间设为5个采样点，约23 s，也能部分避免一两个数据点引起的突跳异常，即t～23~120 s.
(2)扰动点位于全球主要地震带1500 km以内.所有符合设定条件的扰动信息，如日期、时间、轨道号、次轨道号、背景值、幅度A、变化趋势(若A>0，则为上升异常；反之，为下降异常.)、扰动持续时间等信息被记录下来.
2)第二步，判断每一个扰动是否对应地震.若扰动出现当天的Kp指数≥3，认为扰动可能为磁暴引起，则剔除该扰动.距离D定义为扰动位置到震中的距离，单位为km；延迟时间T定义为扰动出现到地震发生的时间段，单位为天.若扰动在震前T天、距离地震D 内出现，则认为与地震相关.若一个地震对应一个或者多个扰动，则认为是探测地震Ng，探测到的地震数目与研究总地震数目的比值为地震的探测率r；n定义为一个地震对应扰动数目；对应地震的扰动认为是有效异常，总的有效异常数Np反应了地震引起电离层响应强弱程度，RA定义为有效扰动数与扰动总数比值.FA为不对应任何地震的扰动数与扰动总数比值，FA=1-RA.Nd表示有效扰动中下降异常数.
3 统计结果分析
利用上述选取DEMETER卫星运行6.5年离子浓度数据和期间全球发生MW≥4.8震例21863个，分三组(表 1)实现地震电离层响应异常自动检测.考虑震级与异常范围公式R=100.43M，这里M表示震级，R为孕震区半径(Dobrovolsky et al., 1979)，以及统计结果的可对比性.本文设定D≤1500 km，T≤15天，即震前15天、距离震中1500 km内出现的电离层离子浓度扰动被认为是与地震相关.对于设定参数，MW =5.1~6.0所有震例探测结果如下：
位于全球主要地震带1500 km内的扰动总数为56139个，满足条件Kp<3的扰动数为46446个，有效扰动数为16102个，表现为下降的扰动数为1940个；地震总数为8953个，探测地震数为4588个，地震探测率为51.2%.图 1为MW=5.1~6.0地震组探测到的地震在全球分布图，显示全球主要的地震多发带.
 | 图 1 在D≤1500 km、T≤15天探测条件下，震级MW=5.1~6.0 探测到地震全球分布图 Fig. 1 The global distribution of detected earthquakesMW=5.1~6.0 within D≤1500 km and T≤15 days |
若要计算RA和总探测率，则MW=4.8~5.0和MW≥6.1两组震例的探测结果必须考虑在内.表 2为三组地震的探测统计结果，表 3为表 2相应百分比参数.根据表 2和表 3及相关统计数字，地震探测率r和对应扰动个数n随震级增大而增大.地震总探测率r为48.5%；有12.0%的扰动表现为下降异常；地磁平静情况下，有RA=77.1%的电离层扰动被探测到可能与地震相关；探测地震数与有效扰动个数并不相符，这说明，一个地震可能会引起多处电离层扰动，统计每个探测地震引起平均扰动个数为3.4个.
| | 表 2 地震电离层总离子浓度响应统计结果 Table 2The statistical results of seismic ionospheric influence |
| | Table 3表 3地震电离层总离子浓度响应百分比统计结果 Table 3Table 3The statistical results of seismic ionospheric influence in percentage |
单个地震对应扰动数目差别很大，最多的可达30个，若按照n≥20、10≤n<20和n<10 将总的探测地震分组，其全球分布如图 2所示，发现，对应扰动数目20个以上的震例集中分布在南大西洋粒子沉降带，前期研究发现，本区扰动出现频繁，地震在该区有较高的探测率和扰动个数，但仍然有较高的FA值，这表明，该区的扰动有别于其他区域.为研究方便，除将震例按照震级分三组外，将n≥20对应地震作为一组，同时，在扰动数目较少和较多的区域选择两个研究区，1区范围为[20°-150°W] [70°-45°S]，2区范围为[90°-150°E] [0°-30°N](如图 2).
 | 图 2 探测地震全球分布图(Li and Parrot， 2013) 代表 n≥20地震； 代表 10≤n<20地震； 代表n<10地震 Fig. 2 Distribution of all EQs with good detection corresponding to different number of perturbations. The white，red， and yellow stars are related to EQs with 1~9 perturbations，10~19 perturbations， more than 19 perturbations，respectively. Zone1 and Zone2 are indicated with blue rectangles |
另外，将所有扰动按Kp≥3和Kp<3分为两组，因此，按不同指标，共形成8组扰动.对每一组扰动，统计不同幅度A范围内扰动个数在本组中所占比例，例如，对Kp≥3组9693个扰动，变化幅度在 0< A <10范围的扰动个数为4274个，占44.1%.相应统计结果如表 4所示.
| | 表 4电离层扰动幅度A变化统计结果 Table 4The statistical results of ionospheric perturbation amplitudes |
从表 4看出，对于Kp≥3和Kp<3两组扰动，在各个幅度段，两组相应值差别不大，这说明，很难从变化幅度上判断哪些电离层扰动是磁暴活动引起.对小幅度(0< A <10)扰动，强震组(MW≥ 6.1)仅占36.00%，1区组比重最大，占45.40%；对中等幅度(10≤ A <50)扰动，各分组占的比例差别不大，只有n≥20地震引起扰动数占比例稍高；对大幅度(50≤ A <100)电离层扰动，强震组占比重最大，为11.40%；而对于强幅度(A ≥100)扰动，研究1区和2区形成鲜明对比，分别为2.20%和8.30%，差6个百分点.上述统计结果表明，全球范围，电离层存在变化活跃区，小幅度电离层扰动趋向于背景变化；强地震能引起强电离层扰动，扰动幅度可能超过背景值的1倍以上，与前期研究结果一致.
研究中，扰动时间限制在23～120 s.对上述分组扰动持续时间统计表明，扰动平均时间为72.05～73.45 s，各组差别不大；同时，若以10 s间隔，类似于表 4幅度统计方法，也没有发现各组间比重有明显差别，这表明，以扰动持续时间判别地震引起的电离层变化是困难的.
 | 图 3 有效电离层扰动时空分布图 Fig. 3 Time-spatial distribution of seismic ionospheric influence for different groups |
为了研究地震相关电离层扰动随临震时间和距震中空间变化，对4.8≤MW≤ 5.0、 5.1≤MW≤6.0、 MW≥ 6.1、1区、2区和n≥20地震组对应有效扰动数：
1)按震前时间T=1～15天，统计每天出现异常数；
2)按震中距D=0～1500 km，统计每100 km出现异常数.
将每天出现扰动数与总扰动数目比值作为纵坐标，每100 km出现扰动与总扰动比值作为横坐标，得到扰动异常时空分布演化图.相关地震组对应有效扰动随时间和距离分布如图 3所示.统计发现，对4.8≤MW≤5.0、5.1≤MW≤6.0、MW≥6.1三组地震对应扰动，其时空演化特征类似，因此只给出4.8≤MW≤5.0地震有效扰动的时空分布图.对4.8≤MW≤5.0、1区和2区(图 3(a)、(c)和(d))电离层扰动异常在时间上有很强的规律性，从震前15天，异常数目随地震临近逐渐增强，扰动异常主要出现在震前1周。统计各组扰动震前1周出现异常数目占总扰动数目比值分别为4.8≤MW≤5.0 67.5%、 5.1≤MW≤6.0 63.7%、 MW≥6.1 50.7%、1区 60.3%、2区 77.6%.可见震前1周扰动出现率随震级增大而降低，这说明，震级越大，异常出现越早；统计表明，2区平均地震探测率只有14.0%(1区达61.9%)，然而，由图 3(c)和(d)，相对于1区，2区扰动异常出现更集中、扰动因地震引起可信度也更高.而对n≥20地震组，只有48.1%有效扰动出现在震前1周，异常数目随时间趋向于平均分布，图 3(b)也可以看出这一点，异常随时间轴分布零散、不集中，因此，可信度也最低.
在空间轴上，扰动有随地震临近向震中运移的趋势；扰动高值点出现在距离震中500 km以内，从图 3(a)～(d)可以看出，在2区中尤为明显.据计算，对2区，震前7天出现的扰动中，距离震中500 km以内的占39.4%，500~1000 km范围内的占31.0%，1000~1500 km范围的占30.0%，因此，震前，电离层扰动具有明显向震中迁移趋势.
5 讨论和结论
在设定条件下，尽管大部分电离层扰动都被检测到可能与地震有关，仍有20%以上的扰动不能被检测到.不是所有的电离层扰动都是地震引起的，太阳活动、声重波(AGW)、电离层扰动运移、等离子体动态变化以及大规模气象活动等都会引起电离层扰动(Parrot，2011).图 3显示扰动异常空间上有随地震临近向震中迁移趋势，但仍有较强的扰动信息随机分布，这表明，有部分背景噪声也同时被检测到.然而，去掉这种背景噪声也是困难的，因为背景扰动具有明显的地域性分布特征，造成各地地震探测率、地震对应扰动数目以及扰动变化趋势极不均衡.高伟地区和极区电离层变化极不稳定，地震区研究应选在中低纬度.有很多大规模自然干扰来源于高纬现象影响，如极区向四周扩散、磁层电场入侵等离子层和声重波在上大气层传播.在中低纬度地区，在赤道和中低纬电离层区域，等离子体扰动强弱受等离子体扩散耦合过程、 E×B 漂移、热层中性风及一些化学过程等因素控制(Horvath and Lovell， 2009).在整个南大西洋，呈现总磁场B密度异常低(Trivedi et al., 2005)，即南大西洋磁异常带(SAMA)，这使得 E×B 异常强烈(Kendall and Pickering， 1967).除此，该区电动效应促进E×B 漂移，电场强度E增强.由于高能粒子沉淀作用，加剧了SAMA 区E层电离(Abdu and Batista， 1977). 在南大西洋磁异常区中部(310°E，10°S)，巴西南部上空电离层，E层电导率达到极大值(该地区磁场最小)，远离中心、靠近非洲大陆逐渐减小，这导致整个SAMA 上空西向的电导率梯度，与背景电导梯度场叠加，日落后可形成该区高值电导异常(Abdu et al., 1997).这一高的电导异常可以在巴西上空产生强垂直 E×B 作用.等离子体密度在SAMA变化频繁，产生幅度较小正负扰动，这也部分解释，相对于2区，1区电离层扰动密度和地震探测率更高，并且，小幅度0< A <10比例最高，为45.40%，约占总扰动的一半.中等幅度(10≤ A <50)扰动信息在各分组所占比例差别不大，约为45.00%，因此，这部分扰动信息不易识别.考虑卫星运行速度，经多次测试和参考前人研究，将扰动持续时间限定在23~120 s，这一时间不可避免地将一些干扰引起的电离层扰动也包含进来.如大气波周期在50~300 s之间，水平延展超过100 km，相比激光活动，能引起等离子体较小幅度扰动变化.
因此，引起空间电离层扰动变化因素繁多，全球背景变化差别较大.尽管在数据处理过程中通过控制Kp指数以去掉部分因太阳活动引起的电离层扰动，而由上述统计结果看出，存在一定数量的异常扰动，作为地震相关异常被自动检测到，但这部分扰动分析起来可信度较低，与地震关系不密切，在全球电离层扰动背景极不均衡的情况下，去除这部分扰动是困难的.
总体上，统计研究结果显示，地震探测率、电离层响应异常幅度随震级增大而增高.全球范围，电离层存在变化活跃区，小幅度电离层扰动趋向于背景变化；大地震能引起强电离层扰动，扰动幅度可超过背景值的1倍以上.北半球中低纬度地区是有利的地震电离层响应监测区.地震相关电离层扰动异常出现频次随地震临近而增高，主要出现在震前一周，据统计，在有利的地震探测区域，例如2区，震前一天异常出现的概率为22.8%，震前一周高达77.6%.空间轴上，扰动有随地震临近向震中运移的趋势；扰动出现在距离震中500 km以内概率较大，在2区尤为明显.据计算，对2区，震前7天出现的扰动中，距离震中500 km以内的占39.4%，500~1000 km范围内的占31.0%，1000~1500 km范围的占30.0%，因此，震前，电离层扰动具有明显向震中迁移趋势.
致 谢
本文工作在研究过程中，得到法国国家科学研究院环境物理和化学研究所(CNRS-LPC2E)DEMETER 卫星首席科学家Michel Parrot教授指导，在此表示感谢！
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