空基和地基近直流电场观测数据背景特征的相关性

颜 蕊，王兰炜，张世中，胡 哲，张兴国，刘大鹏，朱 旭，张 宇

中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

1 引 言

我国目前已建成了大规模、规范化的地面地震电磁监测台网，积累了大量的观测数据和丰富的震例资料，在地面数据处理和地震异常信息提取研究方面具有较为深厚的研究基础和经验［1－7］．近年来利用卫星技术观测地震前的电磁异常变化得到了地震学界的广泛关注，并被认为是研究地震电磁前兆的有效途径之一［8－14］，尤其 是 法 国DEMETER 卫星 的发射和应用，为空间地震前兆观测研究积累了很好的经验［15－29］．我国经过多年的研究，也计划于“十二五”期间发射用于地震监测研究的地震电磁监测试验卫星［30］，因此研究空基和地基电磁观测数据各自的特点和规律、探索两者之间的相关性，对我国将来综合利用卫星和地面电磁监测数据进行地震监测研究具有重要的科学意义．但是，地基观测和空基观测有很大不同：地基观测主要是固定地点的连续观测，空基是一种能够在全球范围特定位置进行重复测量的流动观测，其相邻两次测量的时间间隔取决于轨道参数的设计，对于一颗卫星来说，一般比地基观测间隔时间长；两类数据的观测频段和对象也较难统一，所以两者之间的相关性以及对特殊事件反映的同步性等方面的研究较困难，此类研究目前只有很少基于地震、火山喷发等特殊事件异常现象的探索［31－33］．电磁场背景特征的研究对电磁异常信息的提取有很大的帮助，尤其是无任何明显干扰的平静期空基和地基电磁监测数据之间是否具有相关性和同步性，是综合利用空基和地基电磁监测数据进行地震异常监测的基础，但该方面研究却少见报道．因此，本文对空基和地基的电场观测数据各自的背景特征进行了研究，并综合分析两类数据特征之间是否存在一致性，期望建立空基与地基电场观测数据之间的关联，为空基和地基电磁监测数据综合地震前兆异常的判断提供更多依据．

2 数据来源及选取

本研究中，空基数据来源于法国DEMETER 卫星的观测数据，法国DEMETER 卫星于2004 年6月发射，为准太阳同步极轨卫星，轨道倾角为98．23°，飞行高度为710km（2005年12月中旬改为660km），其主要科学任务之一是研究电离层扰动与地震活动之间的关系［34］，卫星上搭载了多种电离层参数的观测仪器，包括：电场探测仪（ICE），观测从直流（DC）到3．5MHz的电场；感应式磁力仪（IMSC），观测几赫兹到20kHz的变化磁场；等离子体分析仪（IAP），探测H＋、He＋、O＋三种离子浓度及离子温度；Langmuir探针（ISL），观测电子浓度、离子浓度及电子温度；高能粒子探测仪（IDP），探测0．8～2．5 MeV范围内的电子通量［27］．根据DEMETER 卫星电磁类载荷和地面电磁监测类仪器的数据类型、观测频段、采样率、时空分辨率等参数特点，选取了两类数据有探测交集的ULF 电场进行研究．DEMETER卫星ULF电场频段范围为：0～15 Hz；提供三个探测分量，三个分量（Ex、Ey和Ez）的方向与卫星坐标系下Xs、Ys和Zs三个方向一一对应（如图1）：Ex指向地球方向、Ey沿卫星轨道平面的法线方向、Ez沿着卫星运行速度的切线方向；采样频率为39．0625／s，数据单位是mV／m［35－36］．

图1 DEMETER卫星电场仪传感器配置图［36］Fig．1 ICE sensor configuration on the DEMETER satellite［36］

地基数据主要来源于地面地电台站的观测数据，包括了水平地电场和垂直地电场两种观测资料．目前，地震地电场观测多为定点大地电场测量，在全国已有百余个观测台站［7，37］；国内2009年开始垂直地电场观测，只在甘肃天祝地区的红沙湾、黄羊川和松山三个台站布设了垂直地电场观测系统进行常规观测［38］．为了全面比较空间和地面电场，本文首先从具备垂直地电场观测的三个台站中选取了对磁暴、地震事件反映最明显红沙湾地震台（37．011°N，103．053°E）的观测数据．红沙湾地震台既有水平地电场观测又有垂直地电场观测：水平地电场观测的测量频段为DC～0．005 Hz，采样周期为60s，分为南北、东西、北西三个方向的长、短极距的测量通道，观测输出数据单位为mV／km［7］；垂直地电场观测频段范围也为DC～0．005Hz，垂向极距62m，采样周期为1s，产出数据分为秒数据和分钟数据，分钟数据是秒数据的算数平均结果；记录数据为井下和地表电极的电位差，单位为mV［38］，此数据除以极距，再乘以1000就可以换算成为以mV／km 为单位的电场强度输出数据．此外还选择了发生过特大地震的汶川地区作为第二个试验点，主要采用距离其最近的成都台（30．91°N，103．73°E；距离汶川地震震中35km）观测数据．成都台只有水平地电场观测：测量频段同样在DC～0．005 Hz，采样周期为60s，观测输出数据单位为mV／km，分为南北、东西、北东三个方向的长短极距测量通道．

根据DEMETER 卫星的实际运行状况以及2005年底的轨道高度调整，空基资料选取了较为稳定的2006—2009年间的数据．地基资料则根据地电场开始观测的时间、数据受干扰的情况以及数据完整程度等进行选取．红沙湾地震台整体受场地干扰较少，水平地电场观测数据从2007年底开始观测，2008年下半年至2009年初仪器出现错误，因此选取了2009—2011年的数据资料进行分析；垂直地电场从2009年6月开始观测，一直比较稳定，所以选取了2009年6 月—2011年的数据．成都台数据场地干扰严重，周边有农用电、地铁等因素的干扰，重点选取了2010—2011年干扰较少时的数据资料进行分析．此外，科研工作者在利用空基数据做地震前兆异常研究时，多选择夜间探测数据以减少日间太阳等因素 的 影 响［19－21，26－27］，但 对 于 背 景 特 征 研 究 来说，应考虑更全面的情况，因此均获取了日侧（升轨）和夜侧（降轨）经过两个地震台上空的数据进行分析．

3 研究思路和方法

考虑到地基观测是对某一固定地点长期连续的时间序列观测，而空基观测是时间、空间时刻变化、能覆盖全球的观测，因此基于两类观测数据的共性，可分别对空基和地基观测资料进行处理，研究、总结各自的特征规律，然后比较分析这种特征规律是否具有相似性．具体处理方法为：

首先，选出一条经过地面观测站点上空的轨道，并以此为基准追踪2006—2009年的重访轨道，如图2所示．根据DEMETER 卫星的轨道设计以及数据资料积累发现：卫星在2006、2007及2008年的上半年为16天的重访周期、2008年下半年转换为13天的重访周期．Kp指数是单个地磁台用来描述每日每3小时内的地磁扰动强度的指数，分为0～9 共10个等级［39］，基于前人经验［22］，研究中剔除了Kp≥5的可能受地磁环境影响的轨道．因此统计知：2006年经过红沙湾地区夜侧轨道条数应为23条，实际能够下载到的轨道为19条，去除Kp≥5的2轨，2006年红沙湾地区夜侧实际可应用17条轨道．根据同样的原则，2007年可用的夜侧重访轨道有22轨、2008年和2009年可用为23轨．具体统计的轨道条数见表1．

图2 红沙湾地震台（37．011°N，103．053°E）2006－07－01—2006－12－31夜侧（降轨）重访轨道示意图（重访隔16天、235轨）Fig．2 The schematic of revisit track during 2006－07－01and 2006－12－31 in Hongshawan station（Revisited every 16days，235－track）

表1 红沙湾、成都地区夜侧和日侧每年可用轨道条数Table 1 The available orbit number each year in Hongshawan station and Chengdu station

其次，设计低通滤波，从卫星ULF（0～15 Hz）电场中提取出0～0．005 Hz频段范围，使得空基电场观测与地基电场观测的对象尽可能一致；然后计算出每轨距离台站位置最近的点所对应的一组（256个采样点）观测数据，按日期连接成时间序列．在此过程中，由Kp指数较大及数据无法获取等原因造成的数据缺失，其对应位置用空格代替，以尽可能真实地反映时间序列趋势的实际情况，如图3、图4．

但在应用DEMETER 卫星ULF频段观测数据时往往会忽略掉一点：电场探测仪（ICE）是通过四个球形电极之间的电位差换算出卫星坐标系下的三分量电场，因此四个探头是带电体，在卫星运行过程中，探头会切割磁力线，从而在观测数据中叠加一个较强的近直流电场E1［35，40］，E1＝V×B，卫星速度V一定，B是地磁基本场，因此E1是一个随基本场缓慢变化的近直流电场信号．本文研究的卫星原始观测数据中0～0．005Hz频段范围包含有这个附加电场，应先予以去除：

（1）从卫星辅助数据——轨道文件中提取卫星速度V三分量（单位为m／s）和基本磁场B三分量信息（单位为nT），均为地理坐标系［36］，计算V×B产生的附加电场，量级为101～102，单位为mV／m．

（2）从姿态文件中提取卫星坐标向地理坐标转换的系数矩阵（Rsatgeog，3×3矩阵）［36］，将其逆变换至地理坐标系向卫星坐标系的转换矩阵，然后将计算的附加电场由地理坐标系三分量换算至卫星坐标系三分量，换算后的数据单位不变，量级仍为101～102．

（3）ULF原始观测数据为卫星坐标系下的三分量电场，量级集中在101～102mV／m，可直接减去计算的附加电场三分量，得到空间电场三分量．这里需要说明的是DEMETER 卫星原始ULF 观测数据，在每个空间分辨率点（约6．5s间隔）记录256个数据点、轨道文件中的卫星速度和磁场强度每30s记录一个数、姿态文件记录的转换矩阵每250ms记录一个矩阵数组［36］，这些数据的时、空分辨率不同，为了有效去除附加电场，需要对原始观测数据降低分辨率，对计算的附加电场数据插值来提高一定的分辨率，然后分别寻找最接近的时、空点进行计算，得到减去附加电场后的空间电场结果，量级为101～102mV／m．

（4）对去掉附加电场的数据滤波出0～0．005Hz频段范围，然后找出处理后的每轨数据中距离台站位置最近的点所对应的观测数据，按日期生成时间序列．由于处理后的数据点数明显减少，在生成时间序列时，为了尽可能反映每年的真实趋势，根据不同月份应有的最多轨道条数，将所有因磁暴、数据无法下载及日期间隔不均匀等原因的缺失数据均用空格补足，补齐后红沙湾夜侧每年最多应有29 个数据点、红沙湾日侧为29个数据点、成都夜侧为28个数据点、日侧为31个数据点，如图5、图6所示．轨道的空间电场原始观测数据，提取出0～0．005Hz近直流频率范围后生成的时间序列曲线，图3A 为夜侧（降轨）数据，图3B 为日侧（升轨）数据．在绘制中把重访轨道的结果按日期排列，横坐标标注的为重访轨道日期；纵向排列的三个图表示卫星ULF电场的三个观测方向Ex（Ex指向地心方向）、Ey（沿卫星轨道平面的法线方向）、Ez（沿着卫星运行速度的切线方向），单位是mV／m．图4A、4B是对应成都台的夜侧和日侧观测数据．

由图3、4 可 以 看 出：DEMETER 卫 星ULF 电场0～0．005Hz频段范围的原始观测数据的变化在101～102mV／m 量级；Ex、Ey、Ez三个观测方向有其各自的趋势并且比较稳定，但均无明显的年变趋势，只有Ez方向总体呈现出一种更长的周期特性；三个观测方向夜侧和日侧观测数据整体趋势十分接近，但日侧比夜侧整体值偏低，且扰动较多；Ex和Ez方向整体趋势相反．

4．1．2 去掉附加电场后的空间电场数据

图5为将经过红沙湾地震台上空连续四年重访轨道的空间电场原始观测数据去掉V×B造成的附加电场后，再提取0～0．005Hz频率范围，生成的时间序列曲线．图5A 为夜侧数据结果，图5B 为日侧数据结果，纵向排列的三个图表示电场的三个观测方向，横坐标为时间序列的数据个数，每个数据点对应的日期与图3A、3B 一致，纵坐标为空间电场，单位mV／m；垂直蓝虚线为年份的划分，紫实线为数据的趋势线．图6A、6B对应成都台的夜侧和日侧数据结果，图中横坐标数据点对应日期与图4A、4B一致．图5、6中时间序列点数不一致的原因与补足所有缺失数据后各自最多的数据点有关，这在第3节方法中已有说明．

由图5、6可以看出，去掉附加电场后的电场与卫星原始观测记录的电场有较为明显的差别：

（1）去掉附加电场后的电离层电场值非常小，集中在10－1～10－3mV／m 量级，为原始观测记录数据值的千分之一至万分之一，可以看出：由于V×B主要产生近直流的附加电场，因此在近直流频段范围（0～0．005 Hz），ULF 原始观测数据观测到的主要是附加电场的结果，因此去掉附加电场后，近直流部分观测到的空间电场值非常小；

（2）去除附加电场后，日侧电场和夜侧电场趋势不再一致，夜侧电场Ex和Ey分量均具有比较清晰的季节性变化趋势（如图5、6 中的紫色趋势线所示），呈现出较为稳定的年变周期，但日侧没有发现此规律；

（3）两个站点所对应空间电场反映的年变趋势是一致的；

（4）去除附加电场后的观测值可能更多的反映的是真实的电离层电场的年变趋势，即与图5A 所示的结果（红沙湾地区）相一致；

（5）原始观测数据中近直流频段部分可能更多反映的是附加电场的特性，即与基本场的缓慢变化趋势相一致的特性，因此同一观测台站夜侧和日侧数据趋势十分接近，Ez向则表现出更长的周期特性等，如图3、4的Ez方向的变化趋势．

4．2 地电场观测数据分析

地电场结果是将台站每天地电场观测资料的日均值组成一个时间序列，如图7、图8所示，分别对应红沙湾地区的水平地电场三年和垂直地电场两年半的日均值曲线．纵向三个图分别是提取夜侧20∶00—24∶00时段、日侧11∶00—15∶00时段和全天0∶00—24∶00时段的日均值数据，日侧和夜侧时段与卫星经过台站上空重访数据的时段一致．横坐标单位是年份，纵坐标单位统一换算成与空间电场观测值一致的mV／m．本文挑选出与空基电场观测数据年变规律最接近的南北长测向数据（NSL）．由图7、8可以看出：除去红沙湾水平地电场在2009年初因仪器原因造成的数据扰乱外（见图7椭圆标注处），红沙湾的观测数据无论是水平地电场还是垂直地电场均呈现出较为稳定的年变规律，数值大小集中在10－1～10－2mV／m 量级，并且不同时段曲线都具有相同的稳定的年趋势，数据大小也一致；水平地电场和垂直地电场的年趋势不同：水平地电场年中值低，一年的两侧值较高，呈凹陷型；垂直地电场则是前半年值较低，后半年值较高．因此水平和垂直地电场的年周期一致，但是相位不同步．

图9为成都台连续两年的水平地电场观测数据日均值时间序列曲线，横轴坐标为年份的划分，纵轴单位为mV／m．由于成都台观测数据受干扰较多，根据台站实际观测情况，去除掉明显干扰后，可以看出：成都台观测数据的数量级与红沙湾台一致，也是集中在10－1～10－2mV／m 量级；但由于干扰的影响，2010年和2011年的年变趋势不是特别明显和一致，排除掉一些明显的扰动（如图9椭圆标注处），整体略微能看出年中低两侧高的年变趋势．

4．3 对比分析讨论

卫星记录的电离层ULF 电场原始观测数据近直流部分多为101～102mV／m 量级，地基电场观测在数值量级上具有一定的可比性；同时，无论是两类观测数据的重合年份还是非重合年份，地面观测的水平地电场与去掉附加电场后电离层电场夜侧Ey和Ez方向均呈现出一致的年变趋势．这种年变趋势（如图5、6中的紫色趋势曲线所示）与余涛、万卫星等研究的关于电离层电场周年变化特征理论“太阳活动低年、地磁活动平静情况下，中低纬地区南、北半球（去耦合）电离层电场具有明显的周年变化特征［41－43］”一致：因为根据NOAA 空间天气预测中心（NOAA Space Weather Prediction Center）提供的太阳活动周期表可以看出2006—2009年恰逢太阳活动低年（如图10）、研究中选择的数据均是Kp＜5时地磁活动平静期的数据，因此可知本文研究的电离层电场是在太阳活动低年、地磁活动平静情况下的周年变化，与理论分析的条件和结果均一致．但Ex方向没有表现出明显的类似的年变趋势．

去掉附加电场后日侧电离层电场的Ex、Ey、Ez三个观测方向均无明显的年变规律，因此未发现其与地电场相近的年变趋势．原因可能是：由于日侧和夜侧太阳活动强弱不同，日侧活动性强，对电离层电场的影响较大，所以日侧呈现的状态更乱；而夜侧太阳活动弱，对电离层电场的影响较小，且磁环境相对比较干净，所以夜侧的趋势更能反映出电离层电场的变化趋势，也即是与水平地电场相关性和同步性较好的表现．

但是由于数据本身的限制，研究中还存在一些问题，有待进一步的探索和研究：

（1）由于卫星观测数据在同一地点观测时间不连续性，每16天或者13天才能在近似的同一地点获取一轨观测数据，因此，空间电场观测数据的年序列有缺数，对分析和探讨卫星数据的年变化会造成一定的限制．

（2）本文主要基于中低纬度两个试验点观测数据进行的分析和研究，是否所有地区都存在此规律，是否与经纬度有一定的关系等都还需要更多的统计研究来进一步探索．

（3）卫星原始观测数据及去掉附加电场后的数据三个观测方向所表现的趋势均不同，这与卫星飞行时切割磁力线的路径、磁力线方向以及空间地面电场间的传播途径有关，由于传播途径的复杂性，本文未能对三个方向区别做出解释，希望在后续研究中能够完成．

（4）地基观测数据有时受场地的干扰较大，若不能很好地分析和剔除这些干扰，则可能无法客观反映出地电场的实际特征规律．

5 结 论

本文通过分析空基DEMETER 卫星记录的空间电离层电场观测数据和地基红沙湾、成都地震台记录的地面地电场观测数据，提取了两类观测数据共有的近直流0～0．005 Hz频段范围，并对卫星原始观测数据进行了附加电场的去除．通过对红沙湾和成都台站上空电离层电场和地面地电场日侧和夜侧观测数据的综合分析研究发现：

（1）DEMETER 卫星 记录的ULF 电场原始 近直流部分（0～0．005 Hz）观测数据特征，主要表现的是卫星运行切割磁力线所产生近直流附加电场的特征，其值的数量级相对空间电场近直流部分较大，其变化也主要是由不同空间位置磁场B的不同而引起．

（2）红沙湾台站水平地电场和垂直地电场观测数据干扰都比较少，表现出非常稳定的年变趋势，水平地电场和垂直地电场具有相同的周期性，但是相位有所不同，从两年的结果来看，垂直地电场的相位超前2～3个月；成都台地面观测数据扰乱较多，经过一定的处理后，其水平地电场能表现出一定的趋势，但年变规律不是特别明显．

（3）去掉卫星运行切割磁力线所造成的附加电场后所得的电离层电场与地面记录的地电场数据数量级相当（0～0．005 Hz频段范围内），均集中在10－1～10－2mV／m 左右，两者具有可比性；而且，无论是空间电场与地电场重合年份还是非重合年份，去掉附加电场后夜侧Ey（沿卫星轨道平面的法线方向）、Ez（沿着卫星运行速度的切线方向）向的电离层电场数据可看出明显的年中呈现低值凹陷、两侧值升高突起的凹型年变趋势，呈现出较为稳定的年变周期，这与地电场的年变趋势一致．电离层电场和地电场在数量级和年变趋势上都呈现出明显的一致性．日侧空间电场数据则未发现与地电场数据一致的年变趋势．

（4）根据不同场源，地电场可划分为大地电场和自然电场两大部分，其中大地电场是由地球外部的各种场源在地球表面感应产生的分布于整个地表或较大地域的变化电场；自然电场是地下介质由于各种物理、化学作用在地表形成的较为稳定的电场［2］．根据之前的数据积累以及本文的研究结果可知，红沙湾水平和垂直地电场日变化和年变化规律性强，具有很强的大地电场成分，因此与空间电离层电流体系的变化关系密切，本文所发现的空基－地基电场观测结果有较好的一致性，是两者之间关联的证据之一．成都台可能存在的干扰使其大地电场成分被淹没．由两个台站的数据情况知：空基地基观测数据对比分析方面的研究与地面台站数据的选择关系密切，应尽可能选择类似于红沙湾等观测环境较好的地面数据才更客观．

本文针对空基和地基观测数据之间背景变化特征的相关性进行了探索性的分析和总结，这不仅有利于综合两种观测数据进行异常信息的提取，而且对我国将来综合利用卫星和地面电磁监测数据共同用于地震监测研究也具有重要的科学意义．

致 谢作者衷心感谢DEMETER 卫星首席科学家M．Parrot 教授对本文给予的指导；感谢法国DEMETER 数据中心为本文提供的1级观测数据；感谢中国地震局预测研究所同行给予的帮助；感谢审稿专家和编辑部的意见和建议．

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