玉树Ms7.1地震前电离层 VTEC异常＊

熊 晶 周义炎 吴 云

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071 3)武汉大学测绘学院,武汉 430079)

玉树Ms7.1地震前电离层 VTEC异常＊

熊 晶1,2)周义炎1,2,3)吴 云1,2)

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071 3)武汉大学测绘学院,武汉 430079)

利用中国地壳运动观测网络的 GNSS连续观测站资料,解算了 2010年 4月 14日玉树Ms7.1地震后,震中附近4个GNSS观测站(LHAS、LUZH、DLHA、WUSH)上空的TEC时间序列数据及中国区TEC二维分布的时间序列数据。从 TEC时间序列图来看,其中 LHAS、LUZH、WUSH站在 4月 1日当地时的下午 TEC出现了正扰动; LHAS、LUZH和DLHA站在 4月 5日当地时的午夜 TEC出现了正扰动;TEC的扰动自东向西漂移,其中 5日的扰动区域相对较大,几乎横跨整个中国区域上空。

垂直总电子含量(VTEC);电离层扰动;地震;前兆;GNSS

1 引言

近年来,震前电离层异常成为地震学界研究的热点,相关研究证实,电离层 TEC变化可作为检测地震电离层耦合效应的有效手段[1-6]。Liu[3,4]利用台湾 GNSS观测网监测的 TEC(Total Electron Content)数据,发现 1999年集集地震前,电离层赤道异常峰值向地磁赤道移动,震前 5天内,孕震区上空下午的 TEC显著减小,统计分析 1999—2002年间M≥6的震例,发现震前 5天内 TEC亦显著减小。2005年吴云[5]检测亚洲 3次大地震前的 TEC,发现震前 10天内孕震区上空 TEC均出现明显扰动,且异常的增加一般出现在减小之前。2009年 Liu[6]利用全球电离层地图的 TEC数据,分析 1998—2008年中国大陆的 35次M≥6.0地震,发现有 17次地震震中附近上空的 TEC在震前 3～5天显著减小。其中,2008年汶川地震前第 4～6天下午和震前第 3天傍晚时的 TEC显著减小,而震前下午的 TEC明显增大。周义炎[7],林剑[8],祝芙英[9],赵必强[10]利用中国地壳运动观测网络的 GNSS观测数据,解算汶川附近 GNSS观测站的单点 VTEC(Vertical Total Electron Content)及中国大陆上空的 TEC二维分布,均发现 5月 9日 TEC明显增大,幅度达 70%,震前多天 TEC明显减小,磁共轭区也显示出相似异常现象,且异常区相对震中向赤道偏移。本文拟利用中国地壳运动观测网络的 GNSS连续观测站资料,解算 2010年 4月 14日玉树 7.1级地震期间孕震区上空的电离层变化情况。

2 GNSS资料收集与TEC解算

根据中国地壳运动观测网络的 GNSS连续观测站资料,利用垂直电子总含量 TEC反演方法[11],解算震中附近 4个 GNSS观测站(LHAS、LUZH、DLHA、WUSH,图 1)上空的 TEC时间序列数据及中国区 TEC二维分布的时间序列数据,所采用的 TEC单位为 TECu(1TECu=1016el/m2),时间单位为世界时(UT)。

图 1 中国地壳运动观测网络 GNSS站点及玉树地震震中分布Fig.1 Location of GNSS station net work of China and the epicenter of Yushu earthquake

3 TEC异常检测和地震电离层异常识别

3.1 单站探测的 VTEC时间序列分析方法

利用震中附近单站地基 GNSS TEC数据进行时间序列统计的具体思路是：将建立正常参考背景的时窗长度设定为 10天 (剔除太阳耀斑或磁暴活动天);在此 10天期间,取每天同一时刻的 TEC观测值,在假设其服从正态分布的条件下,计算其均值μ1和标准偏差σ1,从而建立初始参考背景模型 (μ1, σ1)。为了可靠地识别电离层异常变化,将观测值TEC的误差限设定为 2σ1。TEC观测值将以 95%的置信度落在 [μ1-2σ1,μ1+2σ1]背景区间,超出此区间的上、下边界线且持续时间长达 2小时以上的TEC观测值视为异常值。将时窗向前滑动,建立参考背景模型(μ2,σ2),依此类推,即可建立地震期间一个滑动的正常背景参考模型序列,直至地震发生。这种单站 TEC时间序列异常检测可确定震前电离层异常扰动的起始时间、幅度大小等信息。

3.2 多站探测的 TEC二维平面分布时间序列分析方法

通过多站探测的 TEC数据建立地基 GNSS网络观测区域的 TEC二维分布时间序列(采样周期 2小时),以了解整个孕震活动区的电离层变化状况,其异常检测具体思路与单站探测的VTEC时间序列分析方法类似。通过孕震区 TEC二维平面图,可以全面了解整个孕震区 TEC的动态变化,直观地发现和捕捉震中附近更为丰富的 TEC异常扰动信息,如异常扰动起始时间、所处位置、区域大小和扰动幅度等。

已有的观测结果表明,在太阳和地磁活动等日-地空间环境相对平静的条件下,一段时间内固定点上空的 TEC日-日变化规律将不会有大的变化,除非有其他的强扰动源存在[12]。除地震事件外,引起电离层扰动的原因很多。如何识别不同的扰动源, Pulinets[13]等认为,就已记载的关于电离层对磁暴与地震的响应特点而言,电离层对磁暴的响应具有范围广(全球)、时间长(可超过 12小时)、扰动幅度大且趋势一致等特点,而对地震的响应则只在局部地区,持续时间较短 (一般不超过 4～6小时,仅对特别的强震其电离层扰动可能会超过这个时间限制,如 1964年 3月的 Alaska大地震,扰动时间接近 12小时),扰动幅度小且与背景值的偏离量有正有负。因此,综合分析电离层异常扰动的时空特征和空间物理环境,其扰动源是有可能识别的。

4 数据处理结果及分析

4.1 GNSS基准站 TEC时间序列考察

选取玉树地震震中附近的 4个 GNSS连续站进行 TEC时间序列考察分析(图 2～5)。

图 2 LHAS站上空 TEC时间序列图(03-31—04-14)Fig.2 Ti me series of GNSS TEC right above the LHAS station(31 Match to 14 April)

图 3 LUZH站上空 TEC时间序列图(03-31—04-14)Fig.3 Time seriesof GNSS TEC right above theLUZH station(31 Match to 14 April)

图 4 DLHA站上空 TEC时间序列图(03-31—04-12)Fig.4 Ti me seriesof GNSS TEC right above theDLHA station(31 Match to 12 April)

图 5 WUSH站上空 TEC时间序列图(03-31—04-14)Fig.5 Time series of GNSS TEC right above the WUSH station(31 Match to 14 April)

从 4个 GNSS站的 TEC时间序列图来看,其中LHAS、LUZH和WUSH站在 4月 1日的当地时下午出现了正异常,而LHAS、LUZH和DLHA 3个站在4月 5日的当地时午夜出现了正异常。

4.2 TEC二维平面分布时间序列考察

为了更清楚、全面地获悉 4月 1日和 5日的电离层异常,利用中国区 25个连续观测站反演的 TEC数据,通过球谐函数拟合方法,构建中国区 TEC二维分布时间序列(图 6)。同样,采用与基准站异常检测相类似的方法,创建 4月 1日和 5日电离层正异常期间绝对异常量 △TEC(ΔTEC=TECObs-TECUp)的空间分布 (图 7)。

图 6 4月 1日(0400UT、0600UT、0800UT)△TEC的分布Fig.6 Distribution of△TEC on 1 April(0400UT, 0600UT,0800UT)

图 7 4月 5日(1200UT、1400UT、1600UT)△TEC的分布Fig.7 Distribution of△TEC on 5 April(1200UT, 1400UT,1600UT)

从△TEC分布图可以清晰地看出 4月 1日和 5日的异常区域大小、方位、幅度、异常持续时间,且这两天内的异常均自西向东漂移,其中 5日的异常区域相对较大,几乎横跨整个中国区域上空。

4.3 结果分析

通过考察地震期间 TEC时间序列变化发现,4月 1日和 5日,即震前第 13天和第 9天存在正异常,且异常均自东向西漂移,经过玉树地震震中附近。为考察这两次 TEC正异常是否与玉树地震有关,我们有必要回顾地震考察期间的太阳和地磁活动水平。据国家空间天气监测预警中心 (http：// www.spaceweather.gov.cn)资料,太阳活动在整个考察期间均保持低的活动水平,而地磁活动在 4月 1日出现了 3小时的活跃期,在 4月 5—7日一度达到了中等磁暴的水平。因此,4月 5日检测到的大范围 TEC正异常可能与磁暴有关。另外,4月 1日出现的小范围 TEC正异常也难以明确判断其与玉树地震有关,这主要基于以下两点原因：1)4月 1日出现了 3小时地磁活跃;2)这次异常出现的时间与发震时间相距甚远 (间隔 12天),远大于 Pulinets[13]和刘正彦[14,15]等统计的地震电离层前兆时间尺度 (0～6天)。另外,从图 2 LHAS GNSS跟踪站 TEC时间序列曲线来看,震前的第一天(13日)和震后第一天(15日),TEC变化有所增强,达到和接近 2倍标准差上限。

5 结论

TEC时间序列分析结果显示：4月 1日和 5日在震中附近上空出现了明显的 TEC正异常扰动。然而,这两次异常均出现于地磁活动水平增强或磁暴期间;因此,4月 5日的异常可能与磁暴有关,而 4月 1日的异常难以明确判断其扰动源;13日和 15日,LHSA站显示的 TEC变化略显异常,可能与地震有关。

致谢 感谢中国地壳运动观测网络中心提供的GNSS实测资料!

1 Calais E and Minster J.GS detection of ionospheric perturbantion following the January 17,1994,Northridge earthquake[J].Geophysical Research Letters,1995,22(9)：1 045-1 048.

2 Zaslavski Y,parrotM and Blanc E.Analysis of TEC measurements above active seis mic regions[J].Physics of the Earth Planetary Interiors,1998,105：219-228.

3 Liu J Y,et al.Variationsof ionospheric total electron content during the Chi-Chi earthquake[J].Geophysical Research Lettres,2001,28(7)：1 383-1 386.

4 Liu J Y,et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GNSS TEC measurement[J].Annales Geophysicas,2004：1 585-1 593.

5 吴云,乔学军,周义炎.利用地基 GNSS探测震前电离层TEC异常[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：36-40.(Wu Yun,Qiao Xuejun and Zhou Yiyan.Preseis mic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GNSS[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(2)：36-40)

6 Liu J L,et al.Seismoionospheric GNSS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008Mw7.9 Wenchuan earthquake[J].Journal of Geophysical Research, 2009,114：A04320.

7 Zhou Yiyan,et al.I onospheric anomalies detected by groundbased GNSS before theMw7.9Wenchuan earthquake ofMay 12,2008,China[J].Journal of At mospheric and Solar-Terrestrial Physics,2009,71：959-966.

8 林剑,等.基于 GNSS探测汶川地震电离层 TEC的异常[J].地球物理学报,2009,52(1)：297-300.(Lin Jian,et al.Wenchuan earthquake ionosphere TEC anomaly detected by GNSS[J].Chines J.Geophys,2009,52(1)：297-300)

9 祝芙英,等.汶川 Ms8.0地震前电离层 TEC异常分析[J].大地测量与地球动力学,2008,(6)：16-21.(Zhu Fuying,et al.Study on ionospheric TEC anomaly prior to WenchuanMs8.0 earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(6)：16-21)

10 赵必强,等.震前电离层扰动研究进展及汶川地震前电离层变化[J].科技导报,2008,26(11)：30-34.(Zhao Biqiang,et al.Recent advances on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior toWenchuan earthquake[J].Science and Technology Review, 2008,26(11)：30-34)

11 周义炎,等.汶川Ms8.0地震前电离层 VTEC的异常变化[J].地球物理学报,2010,53(3)：556-566.(Zhou Yiyan,et al.Anomalous variations of ionosphericVTEC beforeMs8.0 Wenchuan earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2010,53(3)：556-566)

12 熊年禄,唐存琛,李行健.电离层物理概论[M].武汉：武汉大学出版社,1999.(Xiong Nailu,Tang Cunchen and Li Xingjian.Introduction to ionospheric physics[M].Wuhan：Wuhan University Press,1999)

13 Pulinets S A and Boyarchuk K. Ionospheric precursors of earthquakes[M].Berlin Heidelberg：Sprioger-Verlag,2004.

14 Liu J Y,et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies monitored by GNSS TEC[J].Annales Geophysicae,2004,22：1 585-1 593.

15 Liu J Y,et al.A statistical investigation of pre-earthquake ionospheric anomaly[J].J Geophys.Res.,2006,111：A05304.

IONOSPHERIC VTEC ANOMALY DETECTED BY GROUND-BASED GNSS BEFOREMs7.1 YUSHU EARTHQUAKE

Xiong Jing1,2),Zhou Yiyan1,2,3)andWu Yun1,2)

(1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071 3)School of Geodesy and Geom atics,W uhan University,W uhan 430079)

Using vertical total electron content(VTEC)derived from the reference stationsof CrustalMovement ObservationalNetwork of China to examine the ionospheric variations during theMs7.1 Yushu earthquake occurred on April 14,2010,in China,the ti me series of TEC values over 4 GNSS stations(LHAS,LUZH,DLHA,WUSH)around the epicenter and the TEC values of 2D distribution over whole China was computed.The final results show that the ionospheric VTEC over 3 GNSS ststions(LHAS,LUZH,WUSH)increased in the afternoon of local time on April 1,and the VTEC values over 3 GNSS stations(LHAS,LUZH,DLHA)also increased in the midnight on April 5,both of these ionospheric anomalies drifted from east to west,and the latter acrossed the whole China.

vertical total electron content;ionospheric anomaly;earthquake;precursor;Global Navigation Satellite System(GNSS)

1671-5942(2010)05-0024-04

2010-07-10

国家科技支撑项目(2008BAC35B02);国家“863”计划课题(2007AA12Z169);中国地震局地震研究所所长基金(IS200956018)

熊晶,男,1982年生,研究实习员,硕士,现从事 GNSS气象学方面的研究.E-mail：whu.xiongjing@gmail.com

P228.4

A