基于COSMIC技术的震前电离层异常研究

解 琨，兰孝奇

（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098）

基于COSMIC技术的震前电离层异常研究

解 琨，兰孝奇

（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098）

介绍COSMIC技术反演电离层电子密度的研究现状、技术和方法，验证其可靠性；并利用COSMIC掩星数据计算分析2011－03－11东日本大地震震前5 d及地震当天震区上空电离层电子密度分布，探测到显著的震前电离层异常现象，证明COSMIC技术研究地震电离层异常的可行性。

COSMIC；GPS；震前电离层异常；地震预报

地震，是自然界中对人类威胁最大的灾害之一。千百年来，人类坚持不懈地探索着预报地震的有效方法。尤其在近代，随着掩星技术、GPS技术、高空雷达射线技术等空间技术的发展，科学家已经在地壳形变、地下流体、地电与地磁异常研究等方面取得了很大进展，为地震短临预报做出巨大贡献［1－8］。其中，COSMIC作为掩星系统里面最稳定的技术，因具有观测区域大、周期短、受客观天气影响小、精度高等优点，逐渐成为震前地磁异常研究领域里的热点［9］。

2006年COSMIC掩星系统成功组网后，在大气反演等方面迅速受到国内外学者的关注，但是将其应用在地震预报领域的研究还不是很多。周义炎等［10］在深入研究了掩星技术反演的原理并通过计算和对比后指出该技术在震前预报方面有广阔的应用前景；台湾中央大学Liu等［11］分析了1999－09～2002－12之间台湾地区20多次震级大于 Ms6．0级的地震发生前的电离层观测数据，证明有16次地震在发生前5 d出现了电离层异常；杨剑等［12］利用GPS掩星技术研究了2006－11－15日本千岛群岛Ms8．0级地震和2007－02－25青海 Ms5．3级地震临震前震区上空附近电子密度的异常变化，验证了掩星技术在震前电离层异常探测方面的可行性。

本文首先介绍了COSMIC技术的反演原理，并在此基础上利用COSMIC实测数据与日本MU探空雷达数据比较，以验证所取COSMIC数据的可靠性，同时也为后续实验结果比对提供参考；然后对2011－03－11东日本大地震震前5 d及地震当天电子密度变化进行分析，以探讨COSMIC技术在地震电离层异常研究中应用的可行性。

1 反演原理及数据可靠性分析

1．1 反演原理

由GPS卫星发射的电波信号到达COSMIC卫星之前，受到电离层和大气的折射作用使电波路径发生弯曲，弯曲角的大小与电离层和大气的折射率梯度有关。由测量得到的电波多普勒频移以及卫星的位置和速度，可计算出电波路径弯曲角，再反推出折射率，最后由折射率计算出电离层电子总量TEC（Total Electron Content）、电子密度、温度和压强等物理参量。随着GPS卫星和COSMIC卫星的相对运动，电波路径完成从上到下（或从下到上）的扫描，一次完整的扫描过程称为一次掩星事件（见图1、图2）。当掩星切点（电波路径上离地心最近的点）高度在电离层高度，称为电离层掩星。

计算时需要的数据包括COSMIC掩星及GPS卫星的精密轨道数据（SP3格式），掩星天线接收到的观测文件（BIN格式），以及相关掩星表（NC格式）等。

1．1．1 电离层电子斜总含量TEC的解算

反演首先是从计算斜总量电子含量TEC开始的。所谓斜总电子含量是指从GPS卫星发射的电波信号穿过电离层，最终到达COSMIC接收机的传播路径上的总的电子含量。TEC定义为给定频率的无线电波沿传播路径的电子密度积分

利用折射率可以计算沿传播路径的电子密度。对于相位折射指数的一阶展开式，折射率可用下式求得：

式中：C≈40．3 m2s－1，f为信号频率，Ne为电子密度。

而且通过双频相位时延也可消除发射和接收机之间的几何误差和钟差。

1．1．2 利用TEC求导弯曲角和碰撞参数

GPS信号在传播路径上的瞬时微分弯曲角可表达为COSMIC卫星上使用的是双频GPS接收机，因此，式（2）可以变换为［12］

对全信号积分，则式中：α是指对应的碰撞角，a为切点至地心距离即碰撞参数，r是从地心到电波传播路径上积分线元的距离，如图2所示。

由于电波通过电离层引起的弯曲角非常小，周义炎等［10］通过计算得出式（5），可实际用于计算弯曲角和射线碰撞参数式中：S0为COSMIC卫星与GPS卫星的几何距离，SL为COSMIC至直线碰撞点（地心到COSMIC与GPS连线的垂足点）的几何距离，SG为GPS至直线碰撞点几何距离，a是弯曲射线路径对应的碰撞参数。通过变换，弯曲角计算变为总电子含量TEC对碰撞参数求导。

1．2 掩星数据可靠性分析

图3 2011－03－01日本上空COSMIC和MU雷达实测电离层电子剖面比较

为了验证COSMIC数据的可靠性，也为后续震例分析提供数据对比，本文利用OCC＃2号卫星数据（COSMIC卫星编号以OCC＃开头）计算了东日本地震震前第10 d，即2011－03－01T1T：34左右震区附近上空电子密度，并与公布的MU探空雷达数据进行了比较，对比结果如图3所示。MU雷达在非相干散射模式下工作，从得到的电子散射信号功率反演电子密度剖面。400 km以上，雷达非相干散射信号减弱，信噪比降低，精度下降。但在其他部分，如F2层电离层密度峰值（NmF2）与COSMIC结果相差都不超过10%，符合精度要求［10］。多个掩星观测计划的结果表明，掩星所获得的电离层电子密度与其它电离层探测手段相比，其误差在30%以内［10］。通过二者比较说明，COSMIC观测得到的电子密度可靠，反演方法可行。

2 震例分析

以2011－03－11东日本大地震（M9．0级，震中位于北纬38．1°，东经142．6°）为例，本文又计算了震前5 d及地震当日震区电离层电子密度，并绘制出如图4～图15所示的电子密度剖面图谱及掩星切点的轨迹线。图4、6、8、10、12、14曲线代表利用不同掩星卫星反演不同时刻近似区域内的结果，图5、7、9、11、13、15则是该卫星发生掩星时的切点轨迹。结合图3的数据，从图4中可以得到以下几个方面：

1）3月1、6日震区上空电子密度曲线变化不大，尤其是NmF2层峰值一直维持在12～13＊105el·cm－3左右。因此，这两日的数据可视为震区上空正常电离层电子密度表征，也就是说，截止6日还没有出现因地震引起的电离层异常现象发生。

2）相比3月1、6两日，7日开始，NmF2层电子密度峰值一直处于递减趋势。其电子密度峰值从6日的12＊105el·cm－3逐日递减，7日平均达到9．5＊105el·cm－3，8、9两日降到3．5＊105el·cm－3左右，10日降到2＊105el·cm－3以下，5 d降幅达到83%。地震当日（11日）NmF2电子密度峰值处于最低谷，达到1．5＊105el·cm－3，累积降幅超过90%。而且，临近地震发生日及震中的密度曲线有大范围不同程度的无规律震荡。

3）与此同时，7日开始，D、E（60～150 km）两层电子密度出现较大幅度跳跃，表现在同一天、相近时段、相同区域内探测的电子密度存在很大差异。7日，起始高度电离层密度分别为0．8＊105el·cm－3、2．5＊105el·cm－3、4＊105el·cm－3，最大相差近80%；8、9日平均为0．3＊105el·cm－3、3．2＊105el·cm－3，相差超过90%；10日为－0．2＊105el·cm－3、0．2＊105el·cm－3、0．5＊105el·cm－3出现负异常现象，且最大相差达到60%。

目前，GPS掩星解算电子密度的相对精度为10%～20%［13］，所以，NmF2的这些变化不是解算误差。同时，查询3月5～11日天气（http：＼www．spaceweather．gov．on）显示全球地磁相对稳定、无磁暴，这就可以排除外层空间活动的影响。因此，上述异常现象可视为临近地震前的电离层扰动异常。

1）地震发生前至少5 d内，震区上空电离层会伴随一些异常现象发生。

2）异常主要表现在NmF2层电子密度峰值出现较大幅度降低、电子密度曲线发生大区域震荡以及D、E层电子密度发生跳跃。

3）通过以上实验说明，利用COSMIC掩星数据分析地震电离层异常的方法是可行的。但是鉴于本文考察的震例有限，这一结论还需大量的实例来验证。但是我们有理由相信，利用掩星技术，并结合地基GPS和电离层探测仪，局部地区的电离层电子密度变化情况将会更加明晰，获取遍布全球的高时空分辨率电离层参数将不再是难题，从而进一步推动地震预报和预测的水平，更好地为国家的防震减灾事业服务。

3 结 论

通过计算分析震中附近的COSMIC掩星数据，得到了以下几点结论：

［1］杜品仁，蒋和荣，郭兼善．电离层异常能否作为地震前兆的研究［J］．地震，1998，18（2）：119－126．

［2］丁鉴海，索玉成，余素荣．地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系［J］．空间科学学报，2005，25（6）：536－542．

［3］吴云，乔学军，周义炎．利用地基GPS探测震前电离层TEC异常［J］．大地测量与地球动力学，2005，25（2）：36－40．

［4］张强．震前电离层TEC异常分析［J］．大地测量与地球动力学，2007，27（3）：91－96．

［5］张强．地基GPS监测电离层TEC及其与地震活动关系的研究［D］．武汉：中国地震局地震研究所，2007．

［6］Liu J Y，Chen Y I，Chou Y J，et al．Variation of ionospherictotal electron content during the Chi－Chi earthquake［J］．Geophysical－Research Letters，2001，28（7）：1383－1386．

［7］Plotkin V V．GPS detection of ionospheric perturbation before the 13 February 2001，Salvador earthquake［J］．Natural Hazards and Earth System Science，2003，3：249－253．

［8］Trigunait A，Parrot M，Pulinets S A，et al．Variation of ionospheric electron density during the Bhuj seismic event［J］．Armales Geophysicae，2004，22：4123－4131．

［9］吴小成．电离层无线电掩星技术研究［D］．北京：中国科学院，2008．

［10］周义炎，吴云，乔学军，等．GPS掩星技术和电离层反演［J］．大地测量与地球动力学，2005，25（2）：29－35．

［11］Liu J Y，Chen YI，Chou Y J，et a1．Variation of ionospheric total electron content during the Chi—Chi earthquake［J］．Geophysical Research Letters，2001，28（7）：1383－1386．

［12］杨剑，吴云，周义炎，等．利用GPS无线电掩星数据研究震前电离层异常［J］．大地测量与地球动力学，2008，28（1）：16－22．

［13］郭鹏．无线电掩星技术与CHAMP掩星资料反演［D］．北京：中国科学院，2005．

Research on seismo－ionospheric anomales based on COSMIC technology

XIE Kun，LAN Xiao－qi
（School of Earth Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

We systematically introduced the COSMIC ionospheric electron density inverseon technology theories and methods，and verified its reliability．Then，using COSMIC data，we calculated and analyzed 5－days’seismic ionospheric electron density distribution over the seismic area，which happened on March 11，2011 in north－east Japan．From the research we have done，we have got significant phenomenon on seismoionospheric anomalies and confirm the truth of feasibility on this field．

COSMIC；GPS；seismo－ionospheric anomalies；earthquake prediction

P228．4

A

1006－7949（2012）03－0063－04

2011－06－22

解 琨（1986－），男，硕士研究生．

［责任编辑刘文霞］