电离层斜测数据集

娄文宇 杜晓辉 刘 静 张学民

（中国北京 100036 中国地震局地震预测研究所）

0 引言

2008 年汶川MS8.0 地震后（张学民等，2009），在中国地震局和国家国防科技工业局共同支持下，中国地震局地震预测研究所与中国电子科技集团第22 研究所，在华北地震重点监视区，共同实施建设覆盖华北主要地震构造带的华北地震电离层监测试验网（Wang et al，2013；Liu et al，2016）。利用电离层对地基发射信号的反射特性，在国家电波环境观测网原有5 个稀疏垂测发射站（北京、新乡、长春、青岛和苏州）基础上，在华北地区新建20 个斜测接收站，构成近100 条发射—接收链路（张学民等，2016）。在每一条链路的中点，每半小时生成1 个数据点，形成我国首个高分辨率电离层测高观测网络，空间分辨率可达100 km，达到以经济的手段取得电离层加密监测的效果。基于此网络，由接收台站获取电离层斜测数据，汇聚到北京数据中心数据库。通过人工判读，生成可应用的电离层斜测观测数据。此数据集通过数据共享网站提供数据共享服务，为地震系统内部各省地震局和研究所进行地震监测预测研究以及系统外部科研机构和院校电离层观测研究提供了基础数据。

1 数据采集和处理过程

华北地震电离层监测试验网由5 个垂测发射站（北京、新乡、长春、青岛和苏州）和20个斜测接收站（大同、太原、石家庄、承德、陡河、文安、邯郸、天津、蒙城、滨州、聊城、菏泽、济宁、榆林、泾阳、沈阳、锦州、大连、呼和浩特和赤峰）组成，站点分布见图1。

图1 华北地震电离层监测试验网站点分布Fig.1 The distribution map of China Seismo-ionosphericGround-based Monitoring Network in North China

1.1 数据基础

电离层斜测数据是以中国地震电离层监测试验网的观测数据为基础。由电离层垂测发射站发射高频扫频电磁波（频率在2 MHz—30 MHz），经电离层反射，小于某一频率的信号被电离层台站的斜测仪接收，从而获取F2层临界频率。通过数据预处理和分析，可获得华北区域电离层F2层临界频率时序变化曲线和最大电子密度空间分布图。电离层斜测数据集元数据简介见表1。

表1 电离层斜测数据集元数据简表Table 1 Metadata summary of the oblique ionospheric sounding data set

1.2 数据处理过程

电离层斜测数据处理过程如下：①数据收集：台站的观测数据通过地震系统行业内网实时汇聚到北京数据中心，并存储到Oracle 数据库；②人工判读：应用数据人工判读软件，调取Oracle 数据库中数据，进行人工判读，再次入库；③数据时序分析：以时间为横坐标，F2层临界频率为纵坐标，对电离层斜测数据进行时间序列的分析；④最大电子密度空间分布图生成：忽略碰撞和地磁场的影响，应用A-H 公式（熊年禄等，1999），解算出最大电子密度，绘制其空间分布图；⑤元数据编写：编写并提交元数据，最终形成电离层斜测数据集。

电离层斜测数据集工作流程见图2。

图2 电离层斜测数据集工作流程Fig.2 The workflow of the oblique ionospheric sounding data set

2 数据内容描述

电离层斜测数据主要包括F2层临界频率数据和最大电子密度空间分布图，它们的具体内容描述如下。

（1）F2层临界频率数据：数据格式：文本文件；数据命名：发射站-接收站+起始年月日_结束年月日.CSV；数据单位：MHz。

（2）最大电子密度空间分布图：数据格式：JPEG；数据命名：年月日时分.JPEG；数据单位：1012/cm3。

3 数据共享及应用前景

电离层斜测数据汇聚到数据库后，由自动判读软件完成数据初步处理。受电离层数据特性和季节等因素的影响，电离层斜测数据会产生突跳现象，后期将通过人工判读进行数据校正。为保证数据质量，需专人完成数据判读工作。

（1）电离层斜测数据共享服务。电离层斜测数据经由中国地震电离层监测试验网网站（http://www.sign.ac.cn）提供数据共享服务。用户可以浏览网页，选定数据链路和起止日期，查询F2层临界频率的时序曲线变化图，并可提交数据下载申请，获取权限后即可下载F2层临界频率数据。

（2）数据应用前景。电离层斜测数据集中的观测数据是电离层F2层的临界频率，可用于反演电离层的最大电子密度，进而反映地球上空电离层的变化，对于研究太阳活动对地球的影响以及地磁暴发生后电离层的响应均具有重要意义。因此，电离层斜测数据集不仅可应用于地震前兆观测研究，也能够应用于空间物理等相关研究领域，目前已为地震系统各省地震局和研究所的地震监测预测研究，以及系统外科研机构和院校电离层的观测研究提供了基础数据，并为科研项目开展及文献著录提供了数据支撑，今后将会有更加广泛的应用前景。

4 结论

电离层斜测数据集依托华北地震电离层监测试验网建立，是以电离层测高观测数据为主要内容的数据集。

华北地震电离层监测试验网是中国第一个高密度电离层测高观测网络，空间分辨率可达100 km。该网络是在2008 年汶川MS8.0 地震后，在国防科技工业电波环境观测站网原有稀疏发射站网基础上，基于地震重点监测区带分布和区域数据覆盖能力的双重需要而建设的，形成了集数据观测、采集、汇聚、处理、质量保证、数据共享服务等的完备工作流程体系。基于此网络建成的电离层斜测数据集，提供F2层临界频率数据和最大电子密度空间分布图，在满足国家地震系统内部各省地震局和研究所进行地震监测预测研究工作要求的基础上，为系统外科研机构和院校电离层观测研究提供基础数据，具有一定社会价值。

电离层斜测数据集具有信息量大、空间分辨率高、数据库功能齐全、时效性强等特点。但数据区域目前仅覆盖华北地区，对于开展全国区域上空电离层的研究，存在一定局限性。而且，数据自动判读软件的数据判读准确率有待提高，以减少人工判读的工作量，提高工作的自动化程度。随着此项工作的推进，电离层斜测数据集将更加完善。

“电离层斜测数据集”是在中国地震局领导下，中国地震局地震预测研究所牵头，与中国电子科技集团第22 研究所合作，在天津市、河北省、山东省、山西省、陕西省、辽宁省、内蒙古自治区、安徽省等地震局及下属20 个地震台站协作下，共同建设的成果，在此对以上单位及相关工作人员表示衷心的感谢。