利用电离层层析技术探测日本9.0级地震前电离层异常*

陈必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 刘 莹

(中南大学测绘与国土信息工程系，长沙 410083)

利用电离层层析技术探测日本9.0级地震前电离层异常*

陈必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 刘 莹

(中南大学测绘与国土信息工程系，长沙 410083)

利用电离层层析技术对日本Ms9.0地震前21天震中区域附近上空电离层进行了三维重构，并通过2倍标准差方法对反演出的各时刻电离层各格网点电子密度值进行了异常探测。在排除太阳和地磁活动影响后分析得出：2月28日UT14：00—16：00出现的电离层电子密度值异常减小、3月2日UT08：00—14：00、3日UT00：00—06：00和4日UT12：00—20：00出现的电离层电子密度值异常增大极有可能与日本地震有关。

日本Ms9.0地震;电离层;层析技术;电离层异常;电子密度值

1 引言

地震电离层异常探测已成为当前地震学和地球物理学的热点研究问题之一，已有研究结果表明，大震之前极有可能存在电离层异常变化［1-7］。但这些研究主要考察的是电离层f0F2或TEC值的变化。然而，这两个物理量都不能描述电离层电子密度三维空间的分布情况，因此无法给出电子密度的三维空间的变化趋势。而基于GPS的电离层层析技术可以有效克服这一缺点，实现三维甚至四维电离层结构的重构。杨剑等［8］率先将电离层层析成像技术用于汶川地震前电离层异常探测中，其研究表明电离层层析成像技术在地震预测研究领域有广阔的应用前景。基于此，本文利用电离层层析技术重建了日本大地震前震中上空附近电离层电子密度的三维分布，并将2倍标准差方法应用到本文的基于电离层层析技术的电离层异常探测中。

2 基于GPS的电离层层析方法

GPS地面站至卫星连线上的TEC值计算公式为［9］：

式中n为射线穿过像素个数，e为观测误差，ai为GPS射线在对应像素内的截距，xi为对应像素中心的电子密度值。将式(1)写成矩阵形式为：

式中，y为GPS信号传播路径上电离层斜向TEC观测值所构成的列向量，A为GPS射线在对应像素内的截距构成的向量，e为观测误差向量，x即为每个像素中心的电子密度值构成的向量。理论上即可根据式(2)直接求得x。但在实际层析问题中，电离层电子密度反演所需数据缺失比较严重，直接求解是不可能的。一般采用迭代算法来反演电子密度值，本文采用的是乘法代数迭代算法(MART)。

MART算法是以某个电离层经验模型(本文使用IRI2007模型)作为待重建区域电子密度分布的初始值，通过迭代逐步修正初始值，直到修正的值满足最小范数条件为止［10］。MART算法的迭代公式为：

3 日本9.0级地震震前电离层异常分析

为了利用电离层层析技术重建日本9.0级地震前震中上空附近区域的电离层三维分布，探测震前电离层异常扰动信息，采用的是IGS站提供的震中附近地面站的GPS观测数据，涉及到的GPS观测站有AIRA、DAEJ、KGNI、KHAJ、KSMV、MIZU、MTKA、SMST、SUWN、TSKB、USUD、YSSK。反演区域以震中为中心，即132°～152°E，30°～46°N，高度为75～900 km。考虑到电离层电子密度经度方向上的变化比纬度方向上的变化要小。因此，划分的格网间隔在经度和纬度方向上分别取为2°和1°，高度方向上的间隔取为25 km。震中附近地区上空分为10×16 ×33共5 280个格网点。考虑电离层在较短时间内电子密度变化很小，为了获得足够多的层析数据，以1小时的数据为一组进行层析反演。对GPS观测数据进行预处理，消除粗差修复周跳后，通过GPS双频码与相位观测数据联合解算可得出高精度的TEC值。本文以两小时为间隔对震前21天(2011-02-18—2011-03-10)震中附近上空电离层进行了层析反演，得到了252组电离层三维电子密度分布数据。

采用2倍标准差［5］探测震前震中附近区域上空是否出现了电离层异常，即以每个格网点某个时刻连续10天的电子密度值作为背景值，再以这段数据的平均值和标准差σ作为标准来判断第11天相应格网点和相应时刻的电子密度值是否异常。计算中消除了太阳和地磁活动对电离层的影响。

探测结果显示，3月7日和8日的太阳黑子数比较高，显示太阳活动较强(图1(a));从图1(b)可以发现，3月1日UT09：00—24：00，2日UT00：00—06：00，UT15：00—18：00，3日UT06：00—09：00，10日UT06：00—15：00 Kp指数较大，因此这些时刻出现的异常现象可能是受到了地磁活动的影响。综上所述，我们可得出2月28日UT14：00—16：00，3月2日UT08：00—14：00，3日UT00：00—06：00，4日UT12：00—20：00出现的电离层异常扰动现象很可能与日本9.0级地震有关。图3为频率较高的震中上空350、400、450 km高度处格网点电子密度值震前21天的时间序列。从图2可见，其异常变化与上述结果相符。

图1 2011-02-28—03-10日期间太阳黑子数和地磁Kp指数的变化Fig.1 Variation of sunspot number and geomagnetic Kp index from February 28 to March 10，2011

为了进一步分析电离层异常现象，画出了沿震中经度、纬度和高度350 km处的电离层异常剖面图，显示的电子密度值是经2倍标准差异常探测方法计算后得出的异常超限值。限于篇幅，仅给出了其中几个异常时刻的剖面图。图3为2月28日UT16：00时出现的电离层异常剖面。值得注意的是电离层电子密度单位是负的，这意味着该时刻电离层电子密度值超出下限，即电离层电子密度值出现了异常减小。图中深蓝色部分表示电离层电子密度值处于正常水平，其余部分颜色越深表明异常减小值越大。结合图3(a)、(b)、(c)(图中方框区域表示震中位置，下同)可以发现电离层异常区域正好位于震中上空周围，基本上离震中越近电子密度值异常减小越大，最大值达到了-4 000。图4、5为3月2日UT12：00和4日UT14：00时刻出现的电离层异常剖面。与图4不同是这两个时刻电离层电子密度值都出现了异常增大(图中深蓝色部分表示电离层电子密度值处于正常水平，其余部分颜色越深表明异常增大值越大)。从图4、5也可以看出，电离层异常区域正好位于震中上空周围，也是离震中越近电子密度值异常增大越大，最大值达30 000。综合多个时刻电离层异常现象，可以得出电离层异常有共同之处，即电离层异常现象范围不是很大，而且基本上都处在震中区上空附近，离震中区越近电离层异常变化越大。另外，我们也可发现电离层异常现象基本上都集中在300～500 km的高度范围之内，即处在电离层F2层范围之内，这也表明电离层F2层受地震影响最大。

图2 震前21天震中上空350、400、450 km高度处格网点电子密度时间序列图Fig.2 Electron density time series of grid network point at altitude 350，400，450 km over the epicenter in the 21days before earthquake

4 结论

图3 2月28日UT16：00沿震中经纬度和高度350 km处的电离层异常剖面图Fig.3 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at February 28 UT16：00

图4 3月2日UT12：00沿震中经纬度和高度350 km处的电离层异常剖面图Fig 4 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 2 UT12：00

通过利用电离层层析技术对日本Ms9.0地震震前震中区域附近上空电离层进行了三维重构，并通过2倍标准差方法对反演出的各时刻电子密度值进行了异常探测。在排除太阳和地磁活动影响后分析得出2月28日UT14：00—16：00出现的电离层电子密度值异常减小，3月2日UT08：00—14：00，3日UT00：00—06：00和4日UT12：00—20：00出现的电离层电子密度值异常增大，极有可能与日本9.0级地震有关。文中在分析电离层异常现象时只考虑了太阳和地磁活动影响，实际中目前还没有方法能够完全排除其它，诸如电离层自身扰动、大气波动等原因造成的电离层异常效应。此外，文中所进行的实验及得出的结论只是针对日本9.0级地震研究得出的结果，因此要判断本文结论是否具有普遍性还需做更多工作。

图5 3月4日UT14：00沿震中经纬度和高度350 km处的电离层异常剖面图Fig 5 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 4 UT14：00

1 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 to Whenchuan earthquake［J］.Review of Science and Technology， 2008，26(11)：30-34)

2 Zhu Fuying and Wu Yun.Anomalous variations in ionospheric TEC prior to the 2011 Japan Ms9.0 earthquake［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(3)：8-11.Doi：10.3724/ SP.J1246.2011.00008.

3 Zhu Fuying，Wu Yun and Fu Ningbo.Application of Kalman filter in detecting pre-earthquake ionospheric TEC anomaly［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(2)：43-47.Doi：10.3724/SP.J.1246.2011.00043.

4 Liu J Y，et al.Seismo-ionosphere signatures prior to Taiwan earthquake［J］.Geophysical Research Letters，2000，27：3 113-3 116.

5 林剑，吴云，祝芙英.震前电离层TEC异常扰动的研究［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2009，34(8)：975-978.(Lin Jian，Wu Yun and Zhu Fuying.Ionosphere TEC anomalous disturbance of pre-seismic［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(8)：975-978)

6 卓裕荣.电离层地震前兆之研究［D］.国立中央大学，2002.(Zhuo Yurong.Study of ionospheric earthquake precursors［D］.National Central University，2002)

7 张强，等.震前电离层TEC异常分析［J］.大地测量与地球动力学，2007，(3)：91-96.(Zhang Qiang，et al.On ionospheric TEC anomaly before earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(3)：91-96)

8 杨剑，吴云，周义炎.基于电离层层析成像技术探测汶川地震前电离层异常［J］.大地测量与地球动力学，2011，(1)：9-14.(Yang Jian，Wu Yun and Zhou Yiyan.Probe into seismo-ionospheric anomaly of Wenchuan earthquake based on computerized ionospheric tomography［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(1)：9-14)

9 闻得保.基于GPS的电离层层析算法及其应用研究［D］.中国科学院，2007.(Wen Debao.Investigation of GPS-based ionospheric tomographic algorithms and their applications［D］.Doctoral Thesis of Chinese Academy of Sciences， 2007)

10 肖宏波，史小红，王晓颖.电离层层析成像的一种改进算法［J］。西安工业大学学报，2008，28(2)：115-118.(Xiao Hongbo，Shi Xiaohong and Wang Xiaoying.Improved algorithm for computerized ionospheric tomography［J］.Journal of Xi’an Technological University，2008，28(2)：115-118)

IONOSPHERIC ANOMALY DETECTION BEFORE JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE BY USE OF IONOSPHERIC TOMOGRAPHY TECHNOLOGY

Chen Biyan，Dai Wujiao，Cai Changsheng，Kuang Cuilin and Liu Ying
(Department of Geomatics Engineering，Central South University，Changsha 410083)

By use of the technology of ionospheric tomography，three-dimension ionospheric electronic density in a time length of 21 days prior to Japan March 11，2011 earthquake were reconstructed over the epicenter area，and the electron density anomaly detection was conducted at all ionosphere grid network points for a specific time period.After excluding the effect of solar and geomagnetic activity，the computational results indicate that the abnormal ionospheric electron density decreased at the Universal Time(UT)of 14：00-16：00 on February 28 and increased at 08：00-14：00 on March 2，00：00-06：00 on March 3，and 12：00-20：00 on March 4.The occurrence of these anomalies is likely a precursor of the Japan Ms9.0 earthquake.

Japan Ms9.0 earthquake;ionosphere;tomography;ionospheric anomalies;electron density

1671-5942(2011)06-0011-04

2011-08-29

国家自然科学基金(41004011);中南大学前沿研究计划(2009QZZD002)

陈必焰，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向为电离层建模与预报.E-mail：573903117@qq.com

P207

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