利用GPS TEC探测2015年尼泊尔地震激发的电离层扰动

李　哲　唐　龙　张小红

1　武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路129号，430079 2　广东工业大学土木与交通工程学院，广州市外环西路100号，510006



利用GPS TEC探测2015年尼泊尔地震激发的电离层扰动

李哲1唐龙2张小红1

1武汉大学测绘学院，武汉市珞喻路129号，430079 2广东工业大学土木与交通工程学院，广州市外环西路100号，510006

利用尼泊尔周边区域6个IGS GPS跟踪站数据，对2015-04-25尼泊尔地震激发的电离层扰动进行分析。结果表明，地震发生后，尼泊尔上空电离层总电子含量(total electron content，TEC)存在不同频率的电离层扰动，扰动中心频率约为3 mHz和4 mHz。前者发生在震中附近1 000 km左右的范围，后者范围达2 000 km，推断其分别为地震破裂产生的声重波信号以及瑞利波向上传播到电离层所激发的异常扰动信号。联合两个频率扰动信号，根据观测的扰动位置以及经验扰动速度反演震中位置，结果与实际情况符合较好。

GPS；电离层扰动；总电子含量；震中位置

震后电离层中主要存在两种同震电离层扰动：一种为地震破裂产生的较低频的声波(或声重波)信号，以声速进行传播[1-3]；另外一种为表面波即瑞利波引发的较高频声波信号，以瑞利波的速度进行传播[4-6]。不少学者利用全球不同类型的密集GPS网观测数据对震后电离层扰动的传播特征进行分析，但对GPS测站较少区域的地震实例研究不多。本文利用分布在2015年尼泊尔MW8.1地震震中周围的几个IGS跟踪站观测该地震引发的电离层扰动，并根据扰动特征推算震中位置。

1　数据处理

无几何关系的双频载波相位组合观测值与电离层总电子含量(total electron content, TEC)的关系式为：

(1)

式中，sT为电离层TEC(单位为TECu),f1、f2为载波频率,L1、L2为载波相位观测值,const为未知的常量偏差，包括载波相位模糊度以及硬件延迟,ε为测站噪声。

为了提取电离层扰动序列，需要去除电离层TEC的背景趋势项。采用Savitzky-Golay滑动滤波进行处理[7]：

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可以提取各历元的扰动项，得到最终的扰动序列，利用该扰动序列可以判断电离层中是否存在扰动。

2　观测与分析

距离2015-04-25尼泊尔地震震中相对较近的IGS跟踪站有6个(CHUM、CUSV、HYDE、IISC、LHAZ、POL2)，其中LHAZ站距离震中最近。

图1为2015-04-25根据测站与震中之间的距离由近到远绘制的各测站GPS观测值扰动序列。可以看出，在地震发生后(红色实线为地震发生时刻)，距离震中较近的测站LHAZ、HYDE和CUSV的GPS序列中出现了明显扰动(图中红框部分)。

图2(a)、图2(c)、图2(e)分别给出了测站LHAZ、HYDE和CUSV在UT06:00～07:00观测的扰动序列，图2(b)、图2(d)、图2(f)为相应测站的卫星运动轨迹图。图中红色五角星为震中位置，蓝色菱形为测站位置，颜色条为UT05:00～08:00卫星的运动轨迹，将序列中扰动出现的初始观测时间作为特征点。由图2(a)可以看出，在测站LHAZ观测卫星PRN23、PRN9以及PRN16所得扰动序列中，UT06:22、UT06:28和UT06:28分别出现扰动，扰动位于震中以北，与震中之间的距离分别为574.6 km、639.1 km、663.6 km。从时间上看，测站LHAZ先于测站HYDE和CUSV观测到扰动，测站HYDE对卫星PRN16、PRN23和PRN27的观测序列中，分别在UT06:29、UT06:29和UT06:30探测到扰动，扰动位于震中以南，与震中相距1 165.4 km、1 185.4 km和1 472.2 km；测站CUSV对卫星PRN23、PRN16和PRN26观测序列分别在UT06:31、UT06:34、UT06:34于震中的东方向探测到扰动，与震中之间的距离分别为1 866.1 km、2 136.5 km和2 153.0 km。

图1　2015-04-25尼泊尔地震震中附近各测站UT05:00～08:00扰动序列Fig.1　Disturbances series of each station in the vicinity of Nepal in Apr 25,2015

图2　测站LHAZ、HYDE及CUSV 扰动序列及卫星轨迹分布Fig.2　Disturbances series and satellite traces of station LHAZ, HYDE and CUSV

图2的观测结果表明，测站LHAZ在UT06:22(震后10 min左右)最先探测到电离层扰动，扰动出现在震中以北570 km处。随后，测站HYDE和CUSV分别在震中以南和以东1 000 km以外区域探测到了电离层扰动，最远可达2 000 km以上。

为进一步探讨观测到的电离层扰动特性，选择测站LHAZ、HYDE和CUSV观测卫星PRN16的扰动序列的频率进行分析，结果见图3。从图3可以得出，测站LHAZ的中心频率为3.2 mHz，测站HYDE对应的中心频率有两个，分别为3.9 mHz和3.2 mHz，测站CUSV对应的中心频率为3.9 mHz。根据频率分析可认为，存在两种不同类型的扰动信号。由图3中心频率对应的时间可得，3.2 mHz扰动对应的卫星PRN16电离层穿刺点和震中的距离分别为650 km和1 100 km，分别在震中以北方向和以南方向；3.9 mHz扰动对应的电离层穿刺点分别在震中以南1 180 km和震中以东2 130 km处。由于地震破裂产生的较低频声波(或声重波)信号传播距离有限(一般在1 000 km以内)，而瑞利波引发的较高频声波信号传播距离可达2 000 km以上[8]，因此，判断频率为3.2 mHz的扰动信号可能为地震破裂声波引起，而3.9 mHz扰动信号可能为瑞利波信号。

图3　测站LHAZ、HYDE和CUSV扰动序列及其时频图Fig.3　Disturbances series and time-frequency graph of station LHAZ, HYDE and CUSV

为了对观测结果进行验证，根据观测的电离层扰动位置以及经验传播速度反推震中位置。图4给出了测站LHAZ、HYDE和CUSV观测的电离层扰动位置分布，图中红色五角星为实际震中位置，蓝色圆点为测站位置，彩色弧线为各测站观测的卫星轨迹，“×”为出现扰动的位置。

图4　测站LHAZ、HYDE和CUSV观测的电离层扰动位置分布Fig.4　Distribution of disturbances observed by station LHAZ, HYDE and CUSV

地震破裂产生的声波以震中为圆心沿各个方向传播[5]，可近似认为声波从地面传播到电离层的轨迹为直线(图5中绿色虚线)，则地震破裂声波传播公式为：

(r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi)))2+

(4)

图5　扰动传播示意图Fig.5　Diagram of disturbances propagation

瑞利波引发的电离层扰动传播速度与瑞利波相同，但其激发的声波从地表传播到电离层高度(基本上沿垂直方向[6])需要一定的时长(如图5中蓝色虚线所示)：

r0arccos(sinx0sinxi+cosx0cosxicos(y0-yi))=

(5)

式中，vR为瑞利波的传播速度。

为剔除可能的周期性电离层扰动，对比这3个测站04-24～26观测到的部分卫星的扰动序列(图6)。通过对比3 d的几组GPS时间序列可以看出，在04-25 UT06:00～07:00的扰动序列中有明显的电离层扰动，而地震前后2 d扰动不明显。这进一步证明，04-25 UT06:00～07:00电离层中出现的扰动并非为电离层自身周期性日变化，而是由地震引起的。

图6　测站LHAZ、HYDE及CUSV扰动序列Fig.6　Disturbances series of station LHAZ, HYDE and CUSV

3　结　语

本文利用尼泊尔地震震中周边6个IGS跟踪站GPS观测数据，对2015-04-25尼泊尔地震引发的电离层扰动进行初步分析。结果表明，地震发生后，尼泊尔上空电离层存在地震破裂产生的声重波信号以及瑞利波信号。前者频率约为3 mHz，倾斜向上传播至电离层高度，出现在距震中约1 000 km以内；瑞利波信号频率约为4 mHz，激发垂直向上传播的声波到达电离层高度后，再以瑞利波速度沿水平方向传播，传播距离较远，在距震中2 000 km处仍可观测到信号。

本文根据观测的电离层扰动位置以及经验的传播速度反推的震中位置，与实际震中位置符合较好，证明了观测结果的可靠性。同时，通过对比地震前后2 d的GPS时间序列，排除了电离层自身周期性变化的影响。本文计算结果表明，利用少量的GPS观测站也可以探测地震引发的电离层扰动信号，这对于测站较少的地区进行地震电离层研究具有重要意义。

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disturbances with different frequencies (3 mHz and 4 mHz) above the Nepal area after the earthquake. We deduce that the disturbances with a frequency of 3 mHz within 1 000 km are generated by AGW(acoustic gravity wave) produced by vertical motions of the earth’s surface, and the disturbances with a frequency of 4 mHz, which can reach over 2 000 km, are caused by the Raleigh wave’s upward propagation. Furthermore, we invert the epicenter in the light of the observed disturbance location and empirical disturbance velocities, combining the two kinds of disturbance signals to validate our results. The inverted epicenter accords well with the real position.

Foundation support:Special Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China, No. 20130141110001;Basic Research Fund of Geomatics of Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy, Ministry of Education,No.15-01-07.

About the first author:LI Zhe, postgraduate,majors in ionosphere disturbances and GNSS application in geosciences,E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn.

Ionospheric Disturbances Triggered by 2015 Nepal Earthquake Detected by GPS TEC

LIZhe1TANGLong2ZHANGXiaohong1

1School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, 129 Luoyu Road,Wuhan 430079,China 2School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology,100 West-Waihuan Road,Guangzhou 510006,China

This paper analyses the ionospheric disturbances triggered by the 25 April 2015 Nepal earthquake, using data from 6 IGS GPS stations in the Nepal area. The results show that there are ionospheric

GPS; ionospheric disturbances; TEC; epicenter

TANG Long,lecture, majors in GNSS positioning and ionosphere monitoring,E-mail:ltang@whu.edu.cn.

2015-09-17

唐龙，讲师，主要研究方向为GNSS定位及电离层监测,E-mail:ltang@whu.edu.cn。

10.14075/j.jgg.2016.09.002

1671-5942(2016)09-0757-04

P228

A

项目来源：高等学校博士学科点专项科研基金(20130141110001)；地球空间环境与大地测量教育部重点实验室测绘基础研究基金(15-01-07)。第一作者简介：李哲，硕士生，主要研究方向为电离层扰动及GNSS地学应用，E-mail:zhli_sgg@whu.edu.cn。