基于GPS数据的汶川、九寨沟地震震前电离层异常分析

刘 江，陈 聪，何福秀

(四川省地震局，四川 成都 610041)

大地震临震前电离层异常扰动及地震—电离层耦合机制一直是地震前兆研究的热点问题。目前，世界上地震科学家已经通过电磁学途径、化学途径以及声学途径论证了电离层扰动与地震孕育过程的关系(Sorokina et al, 2005; Pulinets et al, 2011)。其中，电磁学途径主要是监测电磁场变化、电子温度、电子密度以及电子浓度总含量(TEC)和这些参量在震前以及地震期间存在的异常变化。电离层垂直电子浓度总含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)是电离层特性中的一个重要参量，其高精度测量对研究地震—电离层耦合机制具有十分重要的意义。而GPS是监测VTEC实时变化的主要手段之一(林剑等，2009；张学明等，2014)，通过GPS数据解算得到的VTEC数据可以有效用于临震电离层异常扰动的监测和研究。近年来，关于GPS监测震前电离层变化的研究层出不穷，如，马一方等(2015)利用CODE全球电离层格网数据分析了2013年4月20日芦山7.0级地震发生前后震中附近电离层赤道异常变化，研究表明：赤道异常峰值在震前5天内明显减小，且峰值位置向赤道方向移动；王泽民等(2016)利用震中附近IGS跟踪站GPS数据和CODE全球电离层格网数据分析2015年4月25日尼泊尔8.1级地震前后电离层VTEC异常变化，研究表明：尼泊尔地震前，排除太阳和地磁活动及地球物理现象短时扰动的影响，电离层VTEC值在4月23日表现出显著的正异常。尽管相关结果均表明大地震很可能引发电离层异常扰动，且这种异常最显著地出现在震前一周(姚璐等，2014)，但太阳辐射、地磁活动等空间天气因素也会引起电离层异常扰动，因此，如何有效提取与地震相关的电离层前兆信息，实现震前电离层异常短临预报值得深入探索和研究。

本文以发生在四川区域的2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨沟MS7.0地震为研究对象，利用四川及周边区域GPS数据，通过球谐函数解算、电离层异常提取，系统分析地震发生前四川及周边区域电离层异常时空变化，研究震前电离层异常短临特性，为川滇区域临震电离层异常监测提供可靠的震例依据。

1 数据源

本文数据来源为四川及周边区域GPS数据。利用四川及周边区域20多个基准站相同时间段的GPS数据，选择球谐函数作为电离层VTEC拟合模型，获取四川及周边区域VTEC格网数据(分辨率1°×1°)，分析地震发生前震中区域、四川及周边区域上空电离层的异常分布。针对2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨沟MS7.0地震分别选取2008年4月16日至5月30日共计45天数据和2017年7月17日至8月30日共计45天数据进行数据解算和异常分析。

2 异常提取方法

2.1 电离层格网数据解算

电离层VTEC模型利用GPS双频接收机两个频率载波相位观测值及其加载的伪距码观测值，通过载波相位平滑伪距观测量形成电离层残差组合(Dach et al., 2015)：

(1)

式中：P4为载波相位平滑伪距，c为光速，f1、f2为卫星载波频率，Δbs为卫星系统硬件延迟，Δbr为接收机硬件延迟，TEC为倾斜路径总电子含量。采用球谐函数对电离层VTEC进行建模，其数学表达式(Dach et al., 2015)：

(2)

TEC=VTEC·F(Z)

(3)

(4)

式中：F(Z)是电离层投影函数，单层模型高度H取350 km，α为0.978，R为6387 km，Z为卫星天顶距。

将式(2)、(3)、(4)代入式(1)，形成最终解算方程(Dach et al., 2015)：

(5)

式中：anm，bnm，Δbs，Δbr为待估计未知量，采用每2h多项式模型与单日固定值的接收机硬件延迟和卫星硬件延迟共同建立法方程，利用最小二乘法求解，解算出每2h的模型参数和单日硬件延迟后，便可解算中国区域电离层格网数据(王泽民等，2016)。选择球谐函数作为电离层VTEC拟合模型，算法成熟，因此VTEC解算结果具有较高可信度。

2.2 VTEC异常检验方法

本文选用滑动四分位距法提取VTEC异常信息，选取前15天相同时刻的观测值求取相应的四分位距(IQR)及中位数(M)，建立上下边界值M±1.5×IQR，当该时刻的观测值超出上或下边界时，该观测值视为异常。其中，高于上边界为正异常，低于下边界为负异常。滑动四分位距法一般设定M±1.5×IQR作为观测值异常的判断阈值，约为标准差的2倍，检测置信度为95%。

为了从二维空间分布了解汶川、九寨沟地震前后四川及周边区域电离层VTEC异常分布，本文分析了VTEC异常的ΔTEC空间分布，其计算方法如下：

(6)

其中，ΔTEC为VTEC扰动异常，L1和L2分别为VTEC背景上下边界阈值，K为待分析时刻VTEC值。

3 震例分析

基于上述理论方法，本文选取汶川MS8.0地震和九寨沟MS7.0地震为分析对象，通过地震发生前空间活动指数变化，四川及周边区域VTEC异常(ΔTEC)分布，震中临近格网点VTEC及ΔTEC变化进行分析验证。

3.1 汶川地震

针对汶川地震选取2008年5月1～30日空间活动性指数数据，分析此次地震过程中空间天气活动对电离层的影响。从图1可以看出，反映太阳活动影响的指数F10.7在整个时段内变化幅度较小，稳定在60～80 sfu之间，表明该时段太阳辐射影响相对较小。根据地磁活动指数KP和Dst指数变化可知，2008年5月地磁活动总体平稳，其中5月2日KP指数超过阈值，5月21日Dst指数接近-30 nT,地磁扰动较大，其余时间段KP和Dst指数变化较小，地磁活动较为平静。

图1 2008年5月1日至5月30日F10.7、KP、Dst指数变化

图2为2008年5月9日UT10:00(北京时间18:00)四川及周边区域ΔTEC分布，其中五角星为汶川地震震中。可以看出，5月9日UT10:00震中区域附近出现明显的电离层异常扰动，地震—电离层异常耦合的局部性、集中性和显著性特征显著，参考5月9日空间活动性指数数据，可以排除太阳活动、磁暴对电离层异常扰动的影响，表明地震前3天，震中区域附近出现明显的电离层异常扰动，其短临特征明显。

图2 2008年5月9日UT10:00四川及周边区域ΔTEC分布

对比分析2008年5月震中临近格网点(31°N，103.5°E)VTEC及ΔTEC变化(见图3)，可以看出5月9日、5月21日ΔTEC变化比较明显。查看空间活动性指数，5月21日地磁扰动较大，ΔTEC变化受空间天气影响。然而5月9日，ΔTEC最大值约为5.8 TECu，当天地磁活动较为平静，太阳辐射通量无异常，同时在汶川地震发生前后，该异常区域并未发生其它重大地震事件，结合2008年5月9日四川及周边区域ΔTEC分布情况，认为该电离层异常扰动与汶川地震有相关性。

图3 2008年5月震中临近格网点(31°N,103.5°E)VTEC及ΔTEC变化

图4 2017年8月1～30日F10.7、KP、Dst指数变化

3.2 九寨沟地震

选取2017年8月1日至8月30日空间活动性指数数据，分析九寨沟地震过程中空间天气活动对电离层的影响。从图4可以看出，F10.7指数在该时段内稳定在70～90 sfu之间，表明该时段太阳辐射影响较小。根据地磁活动指数KP和Dst指数变化，2017年8月地磁活动比较活跃，其中8月4日至8月6日、8月17日至8月24日KP指数超过阈值，出现磁暴现象，说明该时段地磁扰动较大。其余时间段，KP和Dst指数变化较小，地磁活动较为平静。

图5为2017年8月8日UT07:00(北京时间15:00)四川及周边区域ΔTEC分布，其中五角星为九寨沟地震震中。可以看出，8月8日UT07:00震中区域附近出现明显的电离层异常扰动，参考8月8日空间活动性指数数据，可以排除太阳活动、磁暴对电离层异常扰动的影响，表明地震前5～7小时，震中区域附近出现明显的电离层异常扰动，其短临特征明显。

对比分析2017年8月震中临近格网点(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC变化(如图6)，可以看出8月4日、8月8日、8月22日和8月23日ΔTEC变化比较明显。查看空间活动性指数数据，8月4日、8月22日和8月23日地磁扰动较大，ΔTEC变化受空间天气影响。然而8月8日ΔTEC最大值约为5.2 TECu，当天地磁活动较为平静，太阳辐射通量无异常，同时在九寨沟地震发生前后，该异常区域并未发生其它重大地震事件，结合2017年8月8日四川及周边区域ΔTEC分布情况，认为该电离层异常扰动与九寨沟地震具有相关性。

图5 2017年8月8日UT07:00四川及周边区域ΔTEC分布

图6 2017年8月震中临近格网点(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC变化

4 结论

通过对2008年汶川MS8.0地震、2017年九寨沟MS7.0地震前后四川及周边区域ΔTEC分布及震中临近格网点VTEC时序变化分析，可得出如下结论：(1)2008年汶川地震发生前三天(5月9日)，2017年九寨沟地震发生前5～7小时，四川及周边区域上空均出现明显的电离层异常扰动，地震—电离层异常耦合的局部性、集中性和显著性特征明显。考虑VTEC异常时空变化与两次地震事件的关联性，排除太阳活动、磁暴等空间天气活动对电离层异常扰动的影响，本文认为震前电离层异常扰动与两次地震事件均有相关性。(2)利用区域GPS观测数据，获取四川及周边区域电离层VTEC异常分布，可有效区分震前电离层异常扰动，通过联合其它电离层前兆异常信息(如电子温度、电场强度、高度分布等特征参量)，深入研究震前电离层异常短临特性，有望为短临地震预测预报工作提供高时效性的科学依据。