基于COSMIC掩星数据的电离层分布特征及地震响应研究

马新欣

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

上的100个台站，比较了其地脉动和地震信号的H/V谱比，得到了谱峰越明显，二者一致性越好的结论。在此基础上，根据地脉动和地震信号H/V谱比曲线的一致性和谱峰明显程度将台站分为4类，并提出了针对这4类情况测定场地卓越频率的方法，最后给出了这些台站的卓越频率。

关键词地震台阵；场地效应；华北台阵；背景噪声；频率波数谱；喜马拉雅台阵；H/V谱比；卓越频率 电离层；COSMIC；峰值密度；电子密度；分布特征；地震-电离层扰动

（作者电子信箱，耿冠世：g＿gshi@126.com）

基于COSMIC掩星数据的电离层分布特征及地震响应研究

马新欣

（中国地震局地球物理研究所，北京100081）

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）无线电掩星技术具有全球覆盖、垂直分辨率高等优点，为电离层的研究提供了十分丰富的资料。本论文的研究主要基于COSMIC （Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate）掩星电离层数据，详细介绍了电离层的基本理论；阐述利用掩星技术探测电离层的基本原理；针对COSMIC掩星数据分布特点，建立了数据分析和研究方法；目前的研究对电离层物理量不同区域分布差异的分析较少，对不同太阳活动条件下电离层电子密度垂直分布的研究相对不足，本文对此开展了电离层分布特征的研究工作；并分析了典型震例在地震活动期间多个物理量的异常扰动变化。主要研究成果如下：

1　掩星数据分析与研究方法

利用COSMIC掩星电离层F2层峰值密度（NmF2）、临界频率（foF2）、峰值高度（hmF2）、电子密度（Ne）等数据，针对掩星数据在时间尺度上分布不均匀的特点，使用傅里叶逼近拟合方法获取在时间尺度上连续的数据。在空间分布上，我们分别基于B样条函数和球谐函数计算模型值，获得全球空间分辨率较高的电离层数据。再以IRI（International Reference Ionosphere）模型计算的结果作为参考，检验方法的有效性。结果表明，使用的方法是有效的。利用B样条函数计算的结果展开收敛速度更快，计算时间短，可以反映小区域的变化；利用球谐函数计算的结果平均残差小于B样条函数，分布更清晰平滑，可以反映全球的变化规律。因此，本论文使用球谐函数计算结果作为后续研究的基础数据。

2　电离层分布特征研究

（1）空间电离层峰值密度和临界频率存在明显的年周期变化，白天（LT12～15）峰值密度

和临界频率在磁纬低纬和中纬地区基本以半年周期变化为主，其幅度最大值在3、4月和9、10月（两分点）附近；夜间（LT00～03）南半球的部分地区和北半球磁纬中纬60°～120°E地区以年周期变化为主，其幅度最大值在至点6月（北半球夏季）或12月（南半球夏季）附近；年异常和半年异常现象是中低纬地区白天NmF2和foF2分布的常规变化特征；随着太阳辐射能量的增强，赤道异常空间范围扩宽。

（2）空间电离层峰值高度夜间（LT00～03）不存在明显的规律变化，变化范围基本分布在200～400km高度。白天（LT12～15）峰值高度磁纬±10°范围不存在明显的年周期变化，变化范围基本分布在300～400km高度；南北半球磁纬10°～20°范围，部分区域呈现相对明显的年周期变化，南北半球磁纬20°～30°和磁纬中纬度大部分范围以年周期变化为主，变化范围基本分布在200～400km高度。随着太阳辐射能量的增强，峰值高度的变化幅度增大，尤其是在赤道和低纬度地区。

（3）在250～500km高度，电离层电子密度夜间存在威德尔海异常现象，最大值在300 ～400km高度；随着太阳辐射能量的增强，300～500km高度威德尔海异常区域空间范围扩宽，250～350km高度赤道异常范围扩展到中纬地区；电子密度白天（LT12～15）存在明显的季节变化，夜间（LT00～03）季节变化不明显。

3　典型震例分析

（1）提出地震异常扰动的分析方法，研究我国三例强震地震活动期间多个物理量的变化特征。研究发现，汶川地震发生后，部分区域峰值密度相对变化幅度增大，分布在1～1.5之间，TEC相关系数下降到0.6，功率谱密度变化明显；于田地震发生后，部分区域峰值密度相对变化幅度增大，分布在0.8～1.2之间，震前地磁垂直分量增强，但时间上与空间异常分布不同步，需要进一步的研究；玉树地震发生后，震中邻近区域峰值密度相对变化幅度增大，分布在0.6～0.8之间，多个台站地磁垂直分量差值小幅下降到0nT以下；3个震例在地震活动期间，电离层都存在扰动现象，其中汶川和玉树地震发生后，地磁垂直分量同时出现扰动变化；仅从计算的震例结果来看，震级越大，峰值密度相对变化幅度越大。

（2）针对汶川震例，基于SAMI2模型模拟计算结果和观测结果对比分析，验证附加电场可以引起电离层的扰动变化，提出异常电场机制对地震电离层响应的解释可能更为合理。

中图分类号：P412；

文献标识码：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.03.011

（作者电子信箱，马新欣：maxinxin0923@163.com）