与地震相关的电离层电子密度扰动的空间分布统计特征

何宇飞 杨冬梅 钱家栋 M Parrot

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3）Laboratory of Physical and Chemical Environment,National Center for Scientific Research, Orleans, France

目前针对地震电离层现象研究的报道依然存在很大的争论，有很多专家和学者认为地震作为一个非常复杂的地球物理现象，它的动力学过程是不规则、非线性的，从而导致与其相关的前兆参数也具有很高的不确定性，加之研究中使用数据的来源不尽相同，可能来自不同高度的卫星，不同测量仪器，使得每一个地震的分析结果中所表现出的异常变化特征也各不相同。对同一地震分析，有的研究人员发现地震发生前有增大的异常变化，也有的报道探测到降低的异常变化，很难形成一个统一的认识。为寻找电离层对不同地震事件可能存在的共同变化响应特征，科学家们也纷纷展开了统计研究工作，并在一定程度上得到了地震电离层效应的可能的特征。

自法国发射了第一颗应用于地震和火山监测研究的DEMETER卫星后，因其轨道设计能更大程度的覆盖全球地震活动区域，能捕捉到更多的地震的震前和震后信息。现今已经积累了约6年的观测数据，在同一轨道高度处的数据有连续4年，所以应用DEMETER卫星观测数据来分析地震上空电离层扰动信息、探索与地震相关的电离层扰动特征成为很好的选择，并能提供更为可信的结果，由此展开了基于此卫星数据统计分析的工作。

分析中选用DEMETER卫星上搭载的朗缪尔探针(ISL) 从2006-2009年记录到的近40 000个轨道的电子密度（Ne）观测数据，对在此期间全球范围内震级大于或等于5级、震源深度小于60 km、约6 000多个地震事件进行了统计研究，分析了地震发生前，震中上方区域电离层扰动的空间分布特征。对数据进行统计分析时，主要分3步进行的。第一步是对所有收集的数据进行网格化。网格化方法是将全球依据地理经纬度进行网格划分，每个网格的大小为2°（经度）×2°（纬度），总计16 200个。对每一个网格分别收集在2006年初至2009年底卫星投影在网格内的所有观测数据，并记录下每一个观测数据的数值x、地理经度λ、地理纬度φ、数据时间t、对应的地磁Kp指数以及其所在网格的网格号。因此，可以根据这些信息，得到在不同参量的组合下的观测数据集，便于数据的统计分析。数据分析的第二步是定义统计参量。这里主要针对地震发生前震中上空区域的电离层电子密度扰动情况进行分析，而所指的电离层电子密度扰动是相对于正常背景的扰动，因此首先需要建立一个相对稳定的背景。以往的研究表明电离层中电子密度（Ne）的变化是非常复杂的，在不同的地理位置、不同的年度、不同季节、白天与夜间都有很大的差异，所以针对不同的地震事件，其参考背景都应有所区别。在分析中选择震中附近的一定范围为研究区域，并以临近地震发生时段的数据相对于距地震发生较远时段数据为背景的相对变化作为研究的统计参量。数据分析的第三步是对统计参量进行空间分布特征分析。通过三步的数据分析处理，来提取震前数据扰动在空间分布上的信息。

从统计分析结果可以看到，震中上方区域电离层扰动强度显著的高于（＞3σ）周围区域。与此同时，又对随机生成的模拟地震事件的震中上空电离层分析，结果显示震中区域与周围的区域扰动变化相近，没有优势扰动（＞3σ）位置的存在。

因此，综上统计分析结果，可以初步认定震中上方电离层较强扰动是对地震事件的特征响应，与地震事件的存在密切相联。