陳必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 劉 瑩

(中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，長沙 410083)

利用電離層層析技術(shù)探測日本9.0級地震前電離層異常*

陳必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 劉 瑩

(中南大學(xué)測繪與國土信息工程系，長沙 410083)

利用電離層層析技術(shù)對日本Ms9.0地震前21天震中區(qū)域附近上空電離層進行了三維重構(gòu)，并通過2倍標(biāo)準(zhǔn)差方法對反演出的各時刻電離層各格網(wǎng)點電子密度值進行了異常探測。在排除太陽和地磁活動影響后分析得出：2月28日UT14：00—16：00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常減小、3月2日UT08：00—14：00、3日UT00：00—06：00和4日UT12：00—20：00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常增大極有可能與日本地震有關(guān)。

日本Ms9.0地震;電離層;層析技術(shù);電離層異常;電子密度值

1 引言

地震電離層異常探測已成為當(dāng)前地震學(xué)和地球物理學(xué)的熱點研究問題之一，已有研究結(jié)果表明，大震之前極有可能存在電離層異常變化［1-7］。但這些研究主要考察的是電離層f0F2或TEC值的變化。然而，這兩個物理量都不能描述電離層電子密度三維空間的分布情況，因此無法給出電子密度的三維空間的變化趨勢。而基于GPS的電離層層析技術(shù)可以有效克服這一缺點，實現(xiàn)三維甚至四維電離層結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。楊劍等［8］率先將電離層層析成像技術(shù)用于汶川地震前電離層異常探測中，其研究表明電離層層析成像技術(shù)在地震預(yù)測研究領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，本文利用電離層層析技術(shù)重建了日本大地震前震中上空附近電離層電子密度的三維分布，并將2倍標(biāo)準(zhǔn)差方法應(yīng)用到本文的基于電離層層析技術(shù)的電離層異常探測中。

2 基于GPS的電離層層析方法

GPS地面站至衛(wèi)星連線上的TEC值計算公式為［9］：

式中n為射線穿過像素個數(shù)，e為觀測誤差，ai為GPS射線在對應(yīng)像素內(nèi)的截距，xi為對應(yīng)像素中心的電子密度值。將式(1)寫成矩陣形式為：

式中，y為GPS信號傳播路徑上電離層斜向TEC觀測值所構(gòu)成的列向量，A為GPS射線在對應(yīng)像素內(nèi)的截距構(gòu)成的向量，e為觀測誤差向量，x即為每個像素中心的電子密度值構(gòu)成的向量。理論上即可根據(jù)式(2)直接求得x。但在實際層析問題中，電離層電子密度反演所需數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重，直接求解是不可能的。一般采用迭代算法來反演電子密度值，本文采用的是乘法代數(shù)迭代算法(MART)。

MART算法是以某個電離層經(jīng)驗?zāi)Ｐ?本文使用IRI2007模型)作為待重建區(qū)域電子密度分布的初始值，通過迭代逐步修正初始值，直到修正的值滿足最小范數(shù)條件為止［10］。MART算法的迭代公式為：

3 日本9.0級地震震前電離層異常分析

為了利用電離層層析技術(shù)重建日本9.0級地震前震中上空附近區(qū)域的電離層三維分布，探測震前電離層異常擾動信息，采用的是IGS站提供的震中附近地面站的GPS觀測數(shù)據(jù)，涉及到的GPS觀測站有AIRA、DAEJ、KGNI、KHAJ、KSMV、MIZU、MTKA、SMST、SUWN、TSKB、USUD、YSSK。反演區(qū)域以震中為中心，即132°～152°E，30°～46°N，高度為75～900 km?？紤]到電離層電子密度經(jīng)度方向上的變化比緯度方向上的變化要小。因此，劃分的格網(wǎng)間隔在經(jīng)度和緯度方向上分別取為2°和1°，高度方向上的間隔取為25 km。震中附近地區(qū)上空分為10×16 ×33共5 280個格網(wǎng)點?？紤]電離層在較短時間內(nèi)電子密度變化很小，為了獲得足夠多的層析數(shù)據(jù)，以1小時的數(shù)據(jù)為一組進行層析反演。對GPS觀測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，消除粗差修復(fù)周跳后，通過GPS雙頻碼與相位觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合解算可得出高精度的TEC值。本文以兩小時為間隔對震前21天(2011-02-18—2011-03-10)震中附近上空電離層進行了層析反演，得到了252組電離層三維電子密度分布數(shù)據(jù)。

采用2倍標(biāo)準(zhǔn)差［5］探測震前震中附近區(qū)域上空是否出現(xiàn)了電離層異常，即以每個格網(wǎng)點某個時刻連續(xù)10天的電子密度值作為背景值，再以這段數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差σ作為標(biāo)準(zhǔn)來判斷第11天相應(yīng)格網(wǎng)點和相應(yīng)時刻的電子密度值是否異常。計算中消除了太陽和地磁活動對電離層的影響。

探測結(jié)果顯示，3月7日和8日的太陽黑子數(shù)比較高，顯示太陽活動較強(圖1(a));從圖1(b)可以發(fā)現(xiàn)，3月1日UT09：00—24：00，2日UT00：00—06：00，UT15：00—18：00，3日UT06：00—09：00，10日UT06：00—15：00 Kp指數(shù)較大，因此這些時刻出現(xiàn)的異常現(xiàn)象可能是受到了地磁活動的影響。綜上所述，我們可得出2月28日UT14：00—16：00，3月2日UT08：00—14：00，3日UT00：00—06：00，4日UT12：00—20：00出現(xiàn)的電離層異常擾動現(xiàn)象很可能與日本9.0級地震有關(guān)。圖3為頻率較高的震中上空350、400、450 km高度處格網(wǎng)點電子密度值震前21天的時間序列。從圖2可見，其異常變化與上述結(jié)果相符。

圖1 2011-02-28—03-10日期間太陽黑子數(shù)和地磁Kp指數(shù)的變化Fig.1 Variation of sunspot number and geomagnetic Kp index from February 28 to March 10，2011

為了進一步分析電離層異?，F(xiàn)象，畫出了沿震中經(jīng)度、緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖，顯示的電子密度值是經(jīng)2倍標(biāo)準(zhǔn)差異常探測方法計算后得出的異常超限值。限于篇幅，僅給出了其中幾個異常時刻的剖面圖。圖3為2月28日UT16：00時出現(xiàn)的電離層異常剖面。值得注意的是電離層電子密度單位是負的，這意味著該時刻電離層電子密度值超出下限，即電離層電子密度值出現(xiàn)了異常減小。圖中深藍色部分表示電離層電子密度值處于正常水平，其余部分顏色越深表明異常減小值越大。結(jié)合圖3(a)、(b)、(c)(圖中方框區(qū)域表示震中位置，下同)可以發(fā)現(xiàn)電離層異常區(qū)域正好位于震中上空周圍，基本上離震中越近電子密度值異常減小越大，最大值達到了-4 000。圖4、5為3月2日UT12：00和4日UT14：00時刻出現(xiàn)的電離層異常剖面。與圖4不同是這兩個時刻電離層電子密度值都出現(xiàn)了異常增大(圖中深藍色部分表示電離層電子密度值處于正常水平，其余部分顏色越深表明異常增大值越大)。從圖4、5也可以看出，電離層異常區(qū)域正好位于震中上空周圍，也是離震中越近電子密度值異常增大越大，最大值達30 000。綜合多個時刻電離層異?，F(xiàn)象，可以得出電離層異常有共同之處，即電離層異?，F(xiàn)象范圍不是很大，而且基本上都處在震中區(qū)上空附近，離震中區(qū)越近電離層異常變化越大。另外，我們也可發(fā)現(xiàn)電離層異常現(xiàn)象基本上都集中在300～500 km的高度范圍之內(nèi)，即處在電離層F2層范圍之內(nèi)，這也表明電離層F2層受地震影響最大。

圖2 震前21天震中上空350、400、450 km高度處格網(wǎng)點電子密度時間序列圖Fig.2 Electron density time series of grid network point at altitude 350，400，450 km over the epicenter in the 21days before earthquake

4 結(jié)論

圖3 2月28日UT16：00沿震中經(jīng)緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig.3 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at February 28 UT16：00

圖4 3月2日UT12：00沿震中經(jīng)緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig 4 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 2 UT12：00

通過利用電離層層析技術(shù)對日本Ms9.0地震震前震中區(qū)域附近上空電離層進行了三維重構(gòu)，并通過2倍標(biāo)準(zhǔn)差方法對反演出的各時刻電子密度值進行了異常探測。在排除太陽和地磁活動影響后分析得出2月28日UT14：00—16：00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常減小，3月2日UT08：00—14：00，3日UT00：00—06：00和4日UT12：00—20：00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常增大，極有可能與日本9.0級地震有關(guān)。文中在分析電離層異?，F(xiàn)象時只考慮了太陽和地磁活動影響，實際中目前還沒有方法能夠完全排除其它，諸如電離層自身擾動、大氣波動等原因造成的電離層異常效應(yīng)。此外，文中所進行的實驗及得出的結(jié)論只是針對日本9.0級地震研究得出的結(jié)果，因此要判斷本文結(jié)論是否具有普遍性還需做更多工作。

圖5 3月4日UT14：00沿震中經(jīng)緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig 5 Ionospheric anomaly profile along the latitude，longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 4 UT14：00

1 趙必強，等.震前電離層擾動研究進展及汶川地震前電離層變化［J］.科技導(dǎo)報，2008，26(11)：30-34.(Zhao Biqiang，et al.Recent advances on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior to Whenchuan earthquake［J］.Review of Science and Technology， 2008，26(11)：30-34)

2 Zhu Fuying and Wu Yun.Anomalous variations in ionospheric TEC prior to the 2011 Japan Ms9.0 earthquake［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(3)：8-11.Doi：10.3724/ SP.J1246.2011.00008.

3 Zhu Fuying，Wu Yun and Fu Ningbo.Application of Kalman filter in detecting pre-earthquake ionospheric TEC anomaly［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(2)：43-47.Doi：10.3724/SP.J.1246.2011.00043.

4 Liu J Y，et al.Seismo-ionosphere signatures prior to Taiwan earthquake［J］.Geophysical Research Letters，2000，27：3 113-3 116.

5 林劍，吳云，祝芙英.震前電離層TEC異常擾動的研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版)，2009，34(8)：975-978.(Lin Jian，Wu Yun and Zhu Fuying.Ionosphere TEC anomalous disturbance of pre-seismic［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(8)：975-978)

6 卓裕榮.電離層地震前兆之研究［D］.國立中央大學(xué)，2002.(Zhuo Yurong.Study of ionospheric earthquake precursors［D］.National Central University，2002)

7 張強，等.震前電離層TEC異常分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，(3)：91-96.(Zhang Qiang，et al.On ionospheric TEC anomaly before earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2007，(3)：91-96)

8 楊劍，吳云，周義炎.基于電離層層析成像技術(shù)探測汶川地震前電離層異常［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2011，(1)：9-14.(Yang Jian，Wu Yun and Zhou Yiyan.Probe into seismo-ionospheric anomaly of Wenchuan earthquake based on computerized ionospheric tomography［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2011，(1)：9-14)

9 聞得保.基于GPS的電離層層析算法及其應(yīng)用研究［D］.中國科學(xué)院，2007.(Wen Debao.Investigation of GPS-based ionospheric tomographic algorithms and their applications［D］.Doctoral Thesis of Chinese Academy of Sciences， 2007)

10 肖宏波，史小紅，王曉穎.電離層層析成像的一種改進算法［J］。西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，28(2)：115-118.(Xiao Hongbo，Shi Xiaohong and Wang Xiaoying.Improved algorithm for computerized ionospheric tomography［J］.Journal of Xi’an Technological University，2008，28(2)：115-118)

IONOSPHERIC ANOMALY DETECTION BEFORE JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE BY USE OF IONOSPHERIC TOMOGRAPHY TECHNOLOGY

Chen Biyan，Dai Wujiao，Cai Changsheng，Kuang Cuilin and Liu Ying
(Department of Geomatics Engineering，Central South University，Changsha 410083)

By use of the technology of ionospheric tomography，three-dimension ionospheric electronic density in a time length of 21 days prior to Japan March 11，2011 earthquake were reconstructed over the epicenter area，and the electron density anomaly detection was conducted at all ionosphere grid network points for a specific time period.After excluding the effect of solar and geomagnetic activity，the computational results indicate that the abnormal ionospheric electron density decreased at the Universal Time(UT)of 14：00-16：00 on February 28 and increased at 08：00-14：00 on March 2，00：00-06：00 on March 3，and 12：00-20：00 on March 4.The occurrence of these anomalies is likely a precursor of the Japan Ms9.0 earthquake.

Japan Ms9.0 earthquake;ionosphere;tomography;ionospheric anomalies;electron density

1671-5942(2011)06-0011-04

2011-08-29

國家自然科學(xué)基金(41004011);中南大學(xué)前沿研究計劃(2009QZZD002)

陳必焰，男，1988年生，碩士研究生，主要研究方向為電離層建模與預(yù)報.E-mail：573903117@qq.com

P207

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