基于GPS电离层层析技术的地震电离层异常研究

刘 莹 章文毅 戴吾蛟 陈必焰

1 中国科学院遥感与数字地球研究所，北京市邓庄南路9号，100094

2 中国科学院大学，北京市玉泉路甲19号，100049

3 中南大学测绘与国土信息工程系，长沙市麓山南路932号，410083

在地震前兆异常信息的研究中，孕震期内岩石圈－大气层－电离层之间的耦合机制及震前电离层异常现象［1－7］是热点问题。传统的电离层异常监测主要依靠分布在全球的200多个电离层探测仪，但这种监测手段的空间分辨率太低，且易被短波干扰，导致数据缺失。基于GPS地基监测网的电离层探测方法可以反演GPS测站上空电离层TEC或VTEC 的变化，被广泛应用在电离层物理特性的研究中。而基于GPS双频无几何距离组合的传统方法仅能重构出L波段在传播路径上的总TEC 变化，而忽略TEC 随高度的变化。部分学者对电离层层析进行研究。闻德保［8］依据GPS电离层层析模型反演了中国区域三维电离层变化模型。杨剑［9］等提出利用GPS电离层层析模型研究汶川地震前4d的电离层异常。本文利用GPS电离层层析技术反演不同地震电离层中电子密度三维分布的异常变化，以克服常规地基GPS监测电离层方法的局限性，给出电离层电子密度随高程变化的情形，得到异常变化及其规律。

1 电离层重构与异常检验方法

利用GPS双频载波平滑测距码求出的TEC值理论上可达0.01TECu［4］，因此选择此方法解算TEC值。采用基于像素基的电离层层析方法，地面站至卫星连线的TEC为［4］：

y为TEC观测值，A为截距，x为电子密度值，e为观测误差。

为解决电离层电子密度反演中数据缺失问题，引入单层电离层模型，并采用IRI2007模型提供的重建区域电子密度作为初始值，利用乘法代数迭代算法（MART）得到各格网的电子密度值：

式中，xk＋1是像素矢量第k＋1步迭代值，aT是A的第i行转置（即第i条GPS射线）。

图1为利用电离层层析技术探测的2012－02－01～11新疆地区电离层电子密度数据中位数和平均值示意图。研究表明，如果数据资料中异常值个数不超过总个数的一半，中位数和平均数在判断电子密度异常中的评判作用相当，差别在于是否受到异常值影响。

考虑到电离层电子密度变化具有时间效应，而且进行检验的数据不应受到震中及震后等因素的影响，因此设定滑动窗口的时长为10d。另外，还要剔除太阳和地磁活动的影响。这种方法称为滑动平均法。

图1 2012－02－01～11新疆地区电离层电子密度数据异常探测Fig.1 Ionospheric electron density anomaly detection in Xinjiang during 1th to 11th February，2012

2 震例分析

据台湾气象局测定，2012－02－26 10：35屏东县发生6.1级地震，深度约20km。利用电离层层析算法计算电离层电子密度并进行异常探测。

由图2可以看出，在排除地磁与太阳磁暴影响后，震中区域附近高度345、445、495km 处，电子密度在17、23日UT6：00、UT8：00、UT10：00异常增大，22日在UT10：00异常减小。

图2 2012－02－12～26电子密度时间序列图Fig.2 Electron density time series during 12th to 26th February，2012

如图3（e），在排除地磁与太阳风暴影响后，经探测发现，台湾地区上空地震前4dUT0：00，震前3d UT2：00～6：00、UT12：00、UT16：00、UT20：00～22：00，震前2dUT0：00－12：00、22：00有TEC异常，初步认为该异常与地震有关。

图3展示了不同震级、不同区域、不同时间地震发生时间与探测到的异常时间的关系。可以看出，电离层出现明显异常主要集中在地震前几天或前几个小时，尤其是地震前1～2d。

限于篇幅，只给出几个案例。探测台湾2012－02－22UT0：00 左右的电子密度变化发现，电离层电子最大减小量为－278 724el／m3，且异常区域集中于12°～24°N、121°～130°E。在此时间段内，电离层密度变化区域覆盖震中区域（22.8°N，120.8°E），在南北方向上能很好地吻合，在东西方向上往东偏移。为了显示电离层在高度面上的变化，分别截取到地心距离为6 721、6 821和7 121km（地面高度分别为350、450、750 km）的电离层电子密度变化图，如图4。可以看出，电离层异常区域在高度层面上表现基本一致，且电子密度为负值，即电子密度减小。

探测台湾2012－02－23UT6：00左右的电子密度变化发现，电子密度最大增加量为775 881el／m3，最大减小量为－484 390el／m3，变化区域集中于110°～130°E、12°～18°N，相对于震中区域往南偏移。图5分别给出2012－02－23UT6：00经度面为121°、纬度面为23°、高度面为350km 的电子密度变化情况。

在其他震例中也出现电离层电子密度异常区域集中于震中附近的现象。如新疆地区2、3月份震中范围为39°～47°N、74°～89°E。探测到2012－02－20UT20：00电离层密度异常范围集中在30°～40°N、80°～90°E，02－28UT4：00电离层密度异常范 围 集 中 在30°～32°N、70°～80°E，03－05 UT4：00电离层密度异常范围集中在30°～38°N、70°～90°E，03－06UT18：00电离层密度异常范围集中在31°～37°N、80°～90°E，03－08 UT0：00电离层密度异常范围集中在30°～32°N、70°～80°E。结合图6～10 发现，电离层电子密度异常区域的驼峰向震中区域的东南方向偏移。这证实了Pulinets的理论：在低纬度区域，由于其特殊的电动力学性质，地震电离层异常将在一定的经度范围内整体改变赤道异常的分布情况，其电离层异常的驼峰有向磁赤道漂移的趋势［10－11］。

图3 地震时间与电离层异常时间关系图Fig.3 The relationship between seismic time and ionospheric anomalies time

图4 2012－02－22UT0：00左右高度面上的电子密度变化情况／（104el·cm－3）Fig.4 Electron density change at UT0：00 on February 22，2012

图5 2012－02－23UT6：00左右电子密度变化情况／（104el·cm－3）Fig.5 Electron density change at UT6：00 on February 23，2012

图6 2012－02－20UT20：00电子密度异常情况／（104el·cm－3）Fig.6 Electron density anomaly at UT20：00on February 20，2012

3 统计分析

为了统计不同震级地震前的电离层电子密度异常变化规律，针对日本2011－03地震、苏门答腊岛2012－04地震、中国台湾2012－02地震和中国新疆2008－03、2012－02／03／06／08地震进行探究，得出如下结论：

1）在低纬度区域，由于其特殊的电动力学性质，地震电离层异常在一定的经度范围内整体改变赤道异常的分布情况。

2）在地震前几天或前几个小时出现电离层明显异常，尤其是在地震前1～2d震中附近，初步认为该异常与地震有关。

3）电离层电子密度出现异常的变化区域一般涵盖震中区域，且离震中越近，电离层异常变化越大。

4）对地震前电离层出现正、负异常的概率进行初步统计，如图11，未发现正、负异常比例与地震之间的关系。

图7 2012－02－28UT4：00电子密度异常情况／（105el·cm－3）Fig.7 Electron density anomaly at UT4：00on February 28，2012

图8 2012－03－05UT4：00电子密度异常情况／（105el·cm－3）Fig.8 Electron density anomaly at UT4：00on March 5，2012

图9 2012－03－06UT18：00电子密度异常情况／（105el·cm－3）Fig.9 Electron density anomaly at UT4：00on March 6，2012

图10 2012－03－08UT0：00电子密度异常情况／（105el·cm－3）Fig.10 Electron density anomaly at UT0：00on March 8，2012

图11 地震正负异常数目统计Fig.11 Earthquake positive and negative anomalies statistics

4 结 语

利用GPS数据进行地震电离层异常研究，取得初步成果。但本文仅对7个震例进行了分析，因此需要积累全球范围内更多的震例进行震前电离层异常分析。在实际运用中，还可附加水平方向平滑约束和垂直约束来提高成像质量。在分析电离层异常时，只考虑了太阳和地磁活动影响，其他诸如电离层自身扰动、大气波动等造成的电离层异常效应尚无法完全排除，需要进一步研究。

［1］Leonard R S，Barnes R A.Observation of Ionospheric Disturbances Following the Alaska Earthquake［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70（5）：1 250－1 253

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［9］杨剑.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.2011，31（1）：9－14（Yang Jian.Detect Ionospheric Anomalies Based on Ionospheric Tomography Technology before the Wenchuan Earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，31（1）：9－14）

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［11］Pulinets S A，Legen’ka A D，Gaivoronskaya T V，et al.Main Phenomenological Features of Ionospheric Precursors of Strong Earthquakes［J］.Journal of Atmospheric and Solar－Terrestrial Physics，2003，65（16）：1 337－1 347