电离层TEC异常分析——以2022年1月15日汤加火山爆发前为例

高姗,李永正

(山东省国土测绘院，山东 济南 250000)

0 引言

2022年 1月 15日，南太平洋岛国汤加首都努库阿洛法以北约 65 km 的汤加海底火山发生剧烈喷发并引发海啸，太平洋沿岸澳大利亚、日本、美国、智利等国家纷纷发布了海啸预警，这是汤加火山自公元1100 年以来发生的最剧烈的一次喷发[1]。火山喷发过程中产生了大量火山灰、气体与水蒸气，对当地生态环境造成了严重的影响[2-3]。海底火山占全球火山的70%以上，火山喷发通常是地壳运动导致地球内部能量在地表释放的一种结果[4]。利用大地测量手段对火山活动进行研究，分析火山活动引起的环境异常响应，对研究火山和地震等地质活动的响应机制和火山爆发的预警及防控具有重要的意义。

火山喷发的时候地壳会释放大量的能量，这些能量不仅仅会导致地壳发生位移，而且还会影响电离层总电子含量(Total electron content, TEC)和高层大气[5]。近年来，得益于GPS技术的发展，GPS观测电离层的手段不断改进，观测精度也不断提高[6-7]。火山喷发通常会伴有强烈的地震，早在1965年，地震与电离层的异常关系就被发现。赵彬彬等[8]对2022年1月8日青海门源6.9级震前电离层异常进行分析，结果发现在震前11天出现了电子密度的高度异常现象。后来经过科研工作者的大量研究表明，地震活动确实可以引起电离层的异常扰动现象，并对其机制进行了深入剖析[9-11]。地震前后电离层存在明显的异常扰动[12-15]且具有共轭结构，并呈现向磁赤道漂移的趋势[16-18]。Li等[19]通过对环太平洋地震带的Mw 6+地震进行研究表明，TEC异常与震级、震源深度和地理位置具有很强的相关性。

针对此次汤加火山的剧烈喷发，本文基于GPS电离层数据利用滑动四分位距法对火山爆发前后电离层异常进行探测，并对异常现象进行深入分析。

1 数据和方法

1.1 数据

由于汤加火山位于南太平洋岛国汤加王国境内，附近仅有TONG一个GPS测站，距离火山爆发中心约70km的距离。因此我们选择了此测站进行研究。

电离层数据来自于欧洲定轨中心(Centre for Orbit Determination in Europe, CODE)提供的全球电离层格网资料(ftp: //ftp.unibe.ch/aiub)，数据时段为2021年12月18日到2022年1月16日。CODE通过对全球的IGS站和GPS站观测的电离层数据进行处理，最后生成全球电离层格网数据，电离层格网数据的时间分辨率为2h，格网大小为5°× 2.5°。

为排除太阳活动对电离层的异常扰动，本文对中科院空间中心提供的2021年12月18日到2022年1月16日期间的太阳射电通量F10.7、太阳黑子数SSN (http:/ /www.sepc.ac.cn)进行分析。

1.2 滑动四分位距法

文中对汤加火山爆发前27天的TEC数据进行分析，分别记为Y={y1,y2,…,yn}，互动四分位距法的实施步骤如下：

(1)将TEC数据从小到大排序。

(5)计算四分位距:IQR=Q3-Q1

(6)本文使用1.5倍作为阈值判断异常值，因此，上下边界为

up=Q1-1.5IQR

low=Q3+1.5IQR

(7)异常值的判断准则为：

以每个历元前27天同时刻的TEC数据为背景值，1.5倍IQR为限差探测TEC异常。

2 实验结果及分析

2.1 汤加火山爆发前电离层异常分析

火山爆发的时候地壳会释放大量的能量，能量的释放会影响电离层和高层大气[5]。因此研究火山爆发前电离层异常规律对于进一步研究火山活动的预报和防控有着重要意义[11,20]。

2.1.1 汤加火山爆发前TEC异常扰动探测

从CODE提供的电离层资料中获得距离汤加火山爆发点最近的GPS TEC值，然后利用双线性内插得到火山爆发处的TEC值。利用滑动四分位距法，以27天同一时刻的观测值为背景值，1.5 倍四分位距为限差，对汤加火山爆发中心位置前27天的电离层异常进行探测。探测结果如图1所示。

(a)—TEC, TEC上限和TEC下限的变化； (b)—TEC异常值时间分布图1 汤加火山爆发中心附近电离层异常探测结果(0代表火山爆发当天)

由图1可以看出，火山爆发前第26天的TEC含量较高，超过60TECU，从前第24天开始TEC含量逐渐降低，在前第11天到前第8天TEC含量达到最低，在30TECU以下，后来又开始逐渐升高，在火山爆发当天，TECU超过55TECU。

从火山爆发当天到前27天的大部分时间，火山爆发中心的TEC含量在正常范围内，但是仍然探测出一些异常的时刻，火山爆发前第22～27天，TEC出现大尺度的正异常现象，某些时刻的异常超过10TECU。在火山爆发前第11天、前第12天均出现了较轻微的负异常现象，异常均小于5TECU。

为了排除部分由太阳活动和地磁活动引起的TEC异常，我们又分析了地震前27天的太阳射电通量F10.7、太阳黑子数SSN以及地磁数据kp。同样利用滑动四分位距法进行异常探测，探测结果如图2所示。

图2 太阳活动和地磁活动异常探测结果

由图2可知，在地震前近一个月的时间内太阳活动总体上比较稳定，但仍然出现了部分异常时段。如图2a所示，在地震前的第26天和前第27天F10.7出现了明显的异常现象，异常值分别达6SFU和1SFU，如图2b所示，在火山爆发前的第25天、第26天和第27天，SSN指数也伴随明显异常现象，异常值均超过7。由图2c可知，在火山爆发前25～27天，地磁活动也出现明显的异常，同时，在火山爆发前的前9天以及前10天，地磁活动也出现了轻微的异常现象。结合图2的TEC异常结果可知，火山爆发前25～27天的TEC异常可能是由太阳活动和地磁活动引起的。

2.1.2 全球TEC异常扰动分布

根据火山爆发中心出TEC异常扰动探测的结果，火山爆发前22天到前27天的TEC异常扰动尤为明显，因此我们对火山爆发前第24天的全球TEC异常分布进行研究。

图3给出了火山爆发前第24天全球TEC异常的分布，从图中可以看出，在火山发生前第24天的0时，全球出现了大范围的TEC异常扰动，其中在纬度25°～65°，经度60°W～180°范围最为明显，TEC异常最大超过15TECU，与之对应的南半球也出现了大范围的TEC异常现象。在火山爆发中心的南侧也出现小范围的TEC异常扰动。在爆发中心的东部和西部出现了带状TEC正异常。随着时间的推移，全球TEC异常逐渐东移，且异常的强度逐渐减弱，范围也逐渐缩小。到24时，全球TEC异常大部分分布在火山爆发点的东北侧、北侧和西北侧，强度大约为5TECU。

(a)—(l)分别是UTC 0:00-24:00, 时间间隔为2h；五星位置为火山爆发中心位置图3 汤加火山爆发前第24天全球TEC异常分布

3 结论

本文基于GPS技术利用滑动四分位距法成功的观测到了汤加火山爆发前、爆发时及爆发后的电离层的异常现象，得出如下结论：基于GPS电离层数据、太阳射电通量F10.7和太阳黑子数SSN并利用滑动四分位距法探测了汤加火山爆发前27天的电离层异常，探测结果显示：火山爆发前第22到前第27天，TEC出现大尺度的正异常现象，某些时刻的异常超过10TECU。在火山爆发前12天和前第11天出现了较轻微的负异常现象，异常均小于5TECU，其中火山爆发前第25～27天的TEC异常可能是由于太阳活动和地磁活动引起的。