顏 蕊，王蘭煒，張世中，胡 哲，張興國(guó)，劉大鵬，朱 旭，張 宇

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

1 引 言

我國(guó)目前已建成了大規(guī)模、規(guī)范化的地面地震電磁監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和豐富的震例資料，在地面數(shù)據(jù)處理和地震異常信息提取研究方面具有較為深厚的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)［1－7］．近年來利用衛(wèi)星技術(shù)觀測(cè)地震前的電磁異常變化得到了地震學(xué)界的廣泛關(guān)注，并被認(rèn)為是研究地震電磁前兆的有效途徑之一［8－14］，尤其 是 法 國(guó)DEMETER 衛(wèi)星 的發(fā)射和應(yīng)用，為空間地震前兆觀測(cè)研究積累了很好的經(jīng)驗(yàn)［15－29］．我國(guó)經(jīng)過多年的研究，也計(jì)劃于“十二五”期間發(fā)射用于地震監(jiān)測(cè)研究的地震電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星［30］，因此研究空基和地基電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)各自的特點(diǎn)和規(guī)律、探索兩者之間的相關(guān)性，對(duì)我國(guó)將來綜合利用衛(wèi)星和地面電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)研究具有重要的科學(xué)意義．但是，地基觀測(cè)和空基觀測(cè)有很大不同：地基觀測(cè)主要是固定地點(diǎn)的連續(xù)觀測(cè)，空基是一種能夠在全球范圍特定位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的流動(dòng)觀測(cè)，其相鄰兩次測(cè)量的時(shí)間間隔取決于軌道參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)于一顆衛(wèi)星來說，一般比地基觀測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)；兩類數(shù)據(jù)的觀測(cè)頻段和對(duì)象也較難統(tǒng)一，所以兩者之間的相關(guān)性以及對(duì)特殊事件反映的同步性等方面的研究較困難，此類研究目前只有很少基于地震、火山噴發(fā)等特殊事件異?，F(xiàn)象的探索［31－33］．電磁場(chǎng)背景特征的研究對(duì)電磁異常信息的提取有很大的幫助，尤其是無任何明顯干擾的平靜期空基和地基電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間是否具有相關(guān)性和同步性，是綜合利用空基和地基電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震異常監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，但該方面研究卻少見報(bào)道．因此，本文對(duì)空基和地基的電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)各自的背景特征進(jìn)行了研究，并綜合分析兩類數(shù)據(jù)特征之間是否存在一致性，期望建立空基與地基電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，為空基和地基電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合地震前兆異常的判斷提供更多依據(jù)．

2 數(shù)據(jù)來源及選取

本研究中，空基數(shù)據(jù)來源于法國(guó)DEMETER 衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，法國(guó)DEMETER 衛(wèi)星于2004 年6月發(fā)射，為準(zhǔn)太陽同步極軌衛(wèi)星，軌道傾角為98．23°，飛行高度為710km（2005年12月中旬改為660km），其主要科學(xué)任務(wù)之一是研究電離層擾動(dòng)與地震活動(dòng)之間的關(guān)系［34］，衛(wèi)星上搭載了多種電離層參數(shù)的觀測(cè)儀器，包括：電場(chǎng)探測(cè)儀（ICE），觀測(cè)從直流（DC）到3．5MHz的電場(chǎng)；感應(yīng)式磁力儀（IMSC），觀測(cè)幾赫茲到20kHz的變化磁場(chǎng)；等離子體分析儀（IAP），探測(cè)H＋、He＋、O＋三種離子濃度及離子溫度；Langmuir探針（ISL），觀測(cè)電子濃度、離子濃度及電子溫度；高能粒子探測(cè)儀（IDP），探測(cè)0．8～2．5 MeV范圍內(nèi)的電子通量［27］．根據(jù)DEMETER 衛(wèi)星電磁類載荷和地面電磁監(jiān)測(cè)類儀器的數(shù)據(jù)類型、觀測(cè)頻段、采樣率、時(shí)空分辨率等參數(shù)特點(diǎn)，選取了兩類數(shù)據(jù)有探測(cè)交集的ULF 電場(chǎng)進(jìn)行研究．DEMETER衛(wèi)星ULF電場(chǎng)頻段范圍為：0～15 Hz；提供三個(gè)探測(cè)分量，三個(gè)分量（Ex、Ey和Ez）的方向與衛(wèi)星坐標(biāo)系下Xs、Ys和Zs三個(gè)方向一一對(duì)應(yīng)（如圖1）：Ex指向地球方向、Ey沿衛(wèi)星軌道平面的法線方向、Ez沿著衛(wèi)星運(yùn)行速度的切線方向；采樣頻率為39．0625／s，數(shù)據(jù)單位是mV／m［35－36］．

圖1 DEMETER衛(wèi)星電場(chǎng)儀傳感器配置圖［36］Fig．1 ICE sensor configuration on the DEMETER satellite［36］

地基數(shù)據(jù)主要來源于地面地電臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括了水平地電場(chǎng)和垂直地電場(chǎng)兩種觀測(cè)資料．目前，地震地電場(chǎng)觀測(cè)多為定點(diǎn)大地電場(chǎng)測(cè)量，在全國(guó)已有百余個(gè)觀測(cè)臺(tái)站［7，37］；國(guó)內(nèi)2009年開始垂直地電場(chǎng)觀測(cè)，只在甘肅天祝地區(qū)的紅沙灣、黃羊川和松山三個(gè)臺(tái)站布設(shè)了垂直地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)［38］．為了全面比較空間和地面電場(chǎng)，本文首先從具備垂直地電場(chǎng)觀測(cè)的三個(gè)臺(tái)站中選取了對(duì)磁暴、地震事件反映最明顯紅沙灣地震臺(tái)（37．011°N，103．053°E）的觀測(cè)數(shù)據(jù)．紅沙灣地震臺(tái)既有水平地電場(chǎng)觀測(cè)又有垂直地電場(chǎng)觀測(cè)：水平地電場(chǎng)觀測(cè)的測(cè)量頻段為DC～0．005 Hz，采樣周期為60s，分為南北、東西、北西三個(gè)方向的長(zhǎng)、短極距的測(cè)量通道，觀測(cè)輸出數(shù)據(jù)單位為mV／km［7］；垂直地電場(chǎng)觀測(cè)頻段范圍也為DC～0．005Hz，垂向極距62m，采樣周期為1s，產(chǎn)出數(shù)據(jù)分為秒數(shù)據(jù)和分鐘數(shù)據(jù)，分鐘數(shù)據(jù)是秒數(shù)據(jù)的算數(shù)平均結(jié)果；記錄數(shù)據(jù)為井下和地表電極的電位差，單位為mV［38］，此數(shù)據(jù)除以極距，再乘以1000就可以換算成為以mV／km 為單位的電場(chǎng)強(qiáng)度輸出數(shù)據(jù)．此外還選擇了發(fā)生過特大地震的汶川地區(qū)作為第二個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，主要采用距離其最近的成都臺(tái)（30．91°N，103．73°E；距離汶川地震震中35km）觀測(cè)數(shù)據(jù)．成都臺(tái)只有水平地電場(chǎng)觀測(cè)：測(cè)量頻段同樣在DC～0．005 Hz，采樣周期為60s，觀測(cè)輸出數(shù)據(jù)單位為mV／km，分為南北、東西、北東三個(gè)方向的長(zhǎng)短極距測(cè)量通道．

根據(jù)DEMETER 衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行狀況以及2005年底的軌道高度調(diào)整，空基資料選取了較為穩(wěn)定的2006—2009年間的數(shù)據(jù)．地基資料則根據(jù)地電場(chǎng)開始觀測(cè)的時(shí)間、數(shù)據(jù)受干擾的情況以及數(shù)據(jù)完整程度等進(jìn)行選?。t沙灣地震臺(tái)整體受場(chǎng)地干擾較少，水平地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)從2007年底開始觀測(cè)，2008年下半年至2009年初儀器出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此選取了2009—2011年的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析；垂直地電場(chǎng)從2009年6月開始觀測(cè)，一直比較穩(wěn)定，所以選取了2009年6 月—2011年的數(shù)據(jù)．成都臺(tái)數(shù)據(jù)場(chǎng)地干擾嚴(yán)重，周邊有農(nóng)用電、地鐵等因素的干擾，重點(diǎn)選取了2010—2011年干擾較少時(shí)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析．此外，科研工作者在利用空基數(shù)據(jù)做地震前兆異常研究時(shí)，多選擇夜間探測(cè)數(shù)據(jù)以減少日間太陽等因素 的 影 響［19－21，26－27］，但 對(duì) 于 背 景 特 征 研 究 來說，應(yīng)考慮更全面的情況，因此均獲取了日側(cè)（升軌）和夜側(cè)（降軌）經(jīng)過兩個(gè)地震臺(tái)上空的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

3 研究思路和方法

考慮到地基觀測(cè)是對(duì)某一固定地點(diǎn)長(zhǎng)期連續(xù)的時(shí)間序列觀測(cè)，而空基觀測(cè)是時(shí)間、空間時(shí)刻變化、能覆蓋全球的觀測(cè)，因此基于兩類觀測(cè)數(shù)據(jù)的共性，可分別對(duì)空基和地基觀測(cè)資料進(jìn)行處理，研究、總結(jié)各自的特征規(guī)律，然后比較分析這種特征規(guī)律是否具有相似性．具體處理方法為：

首先，選出一條經(jīng)過地面觀測(cè)站點(diǎn)上空的軌道，并以此為基準(zhǔn)追蹤2006—2009年的重訪軌道，如圖2所示．根據(jù)DEMETER 衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)資料積累發(fā)現(xiàn)：衛(wèi)星在2006、2007及2008年的上半年為16天的重訪周期、2008年下半年轉(zhuǎn)換為13天的重訪周期．Kp指數(shù)是單個(gè)地磁臺(tái)用來描述每日每3小時(shí)內(nèi)的地磁擾動(dòng)強(qiáng)度的指數(shù)，分為0～9 共10個(gè)等級(jí)［39］，基于前人經(jīng)驗(yàn)［22］，研究中剔除了Kp≥5的可能受地磁環(huán)境影響的軌道．因此統(tǒng)計(jì)知：2006年經(jīng)過紅沙灣地區(qū)夜側(cè)軌道條數(shù)應(yīng)為23條，實(shí)際能夠下載到的軌道為19條，去除Kp≥5的2軌，2006年紅沙灣地區(qū)夜側(cè)實(shí)際可應(yīng)用17條軌道．根據(jù)同樣的原則，2007年可用的夜側(cè)重訪軌道有22軌、2008年和2009年可用為23軌．具體統(tǒng)計(jì)的軌道條數(shù)見表1．

圖2 紅沙灣地震臺(tái)（37．011°N，103．053°E）2006－07－01—2006－12－31夜側(cè)（降軌）重訪軌道示意圖（重訪隔16天、235軌）Fig．2 The schematic of revisit track during 2006－07－01and 2006－12－31 in Hongshawan station（Revisited every 16days，235－track）

表1 紅沙灣、成都地區(qū)夜側(cè)和日側(cè)每年可用軌道條數(shù)Table 1 The available orbit number each year in Hongshawan station and Chengdu station

其次，設(shè)計(jì)低通濾波，從衛(wèi)星ULF（0～15 Hz）電場(chǎng)中提取出0～0．005 Hz頻段范圍，使得空基電場(chǎng)觀測(cè)與地基電場(chǎng)觀測(cè)的對(duì)象盡可能一致；然后計(jì)算出每軌距離臺(tái)站位置最近的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一組（256個(gè)采樣點(diǎn)）觀測(cè)數(shù)據(jù)，按日期連接成時(shí)間序列．在此過程中，由Kp指數(shù)較大及數(shù)據(jù)無法獲取等原因造成的數(shù)據(jù)缺失，其對(duì)應(yīng)位置用空格代替，以盡可能真實(shí)地反映時(shí)間序列趨勢(shì)的實(shí)際情況，如圖3、圖4．

但在應(yīng)用DEMETER 衛(wèi)星ULF頻段觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)往往會(huì)忽略掉一點(diǎn)：電場(chǎng)探測(cè)儀（ICE）是通過四個(gè)球形電極之間的電位差換算出衛(wèi)星坐標(biāo)系下的三分量電場(chǎng)，因此四個(gè)探頭是帶電體，在衛(wèi)星運(yùn)行過程中，探頭會(huì)切割磁力線，從而在觀測(cè)數(shù)據(jù)中疊加一個(gè)較強(qiáng)的近直流電場(chǎng)E1［35，40］，E1＝V×B，衛(wèi)星速度V一定，B是地磁基本場(chǎng)，因此E1是一個(gè)隨基本場(chǎng)緩慢變化的近直流電場(chǎng)信號(hào)．本文研究的衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中0～0．005Hz頻段范圍包含有這個(gè)附加電場(chǎng)，應(yīng)先予以去除：

（1）從衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)——軌道文件中提取衛(wèi)星速度V三分量（單位為m／s）和基本磁場(chǎng)B三分量信息（單位為nT），均為地理坐標(biāo)系［36］，計(jì)算V×B產(chǎn)生的附加電場(chǎng)，量級(jí)為101～102，單位為mV／m．

（2）從姿態(tài)文件中提取衛(wèi)星坐標(biāo)向地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的系數(shù)矩陣（Rsatgeog，3×3矩陣）［36］，將其逆變換至地理坐標(biāo)系向衛(wèi)星坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，然后將計(jì)算的附加電場(chǎng)由地理坐標(biāo)系三分量換算至衛(wèi)星坐標(biāo)系三分量，換算后的數(shù)據(jù)單位不變，量級(jí)仍為101～102．

（3）ULF原始觀測(cè)數(shù)據(jù)為衛(wèi)星坐標(biāo)系下的三分量電場(chǎng)，量級(jí)集中在101～102mV／m，可直接減去計(jì)算的附加電場(chǎng)三分量，得到空間電場(chǎng)三分量．這里需要說明的是DEMETER 衛(wèi)星原始ULF 觀測(cè)數(shù)據(jù)，在每個(gè)空間分辨率點(diǎn)（約6．5s間隔）記錄256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、軌道文件中的衛(wèi)星速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度每30s記錄一個(gè)數(shù)、姿態(tài)文件記錄的轉(zhuǎn)換矩陣每250ms記錄一個(gè)矩陣數(shù)組［36］，這些數(shù)據(jù)的時(shí)、空分辨率不同，為了有效去除附加電場(chǎng)，需要對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)降低分辨率，對(duì)計(jì)算的附加電場(chǎng)數(shù)據(jù)插值來提高一定的分辨率，然后分別尋找最接近的時(shí)、空點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得到減去附加電場(chǎng)后的空間電場(chǎng)結(jié)果，量級(jí)為101～102mV／m．

（4）對(duì)去掉附加電場(chǎng)的數(shù)據(jù)濾波出0～0．005Hz頻段范圍，然后找出處理后的每軌數(shù)據(jù)中距離臺(tái)站位置最近的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，按日期生成時(shí)間序列．由于處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)明顯減少，在生成時(shí)間序列時(shí)，為了盡可能反映每年的真實(shí)趨勢(shì)，根據(jù)不同月份應(yīng)有的最多軌道條數(shù)，將所有因磁暴、數(shù)據(jù)無法下載及日期間隔不均勻等原因的缺失數(shù)據(jù)均用空格補(bǔ)足，補(bǔ)齊后紅沙灣夜側(cè)每年最多應(yīng)有29 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、紅沙灣日側(cè)為29個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、成都夜側(cè)為28個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、日側(cè)為31個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如圖5、圖6所示．軌道的空間電場(chǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，提取出0～0．005Hz近直流頻率范圍后生成的時(shí)間序列曲線，圖3A 為夜側(cè)（降軌）數(shù)據(jù)，圖3B 為日側(cè)（升軌）數(shù)據(jù)．在繪制中把重訪軌道的結(jié)果按日期排列，橫坐標(biāo)標(biāo)注的為重訪軌道日期；縱向排列的三個(gè)圖表示衛(wèi)星ULF電場(chǎng)的三個(gè)觀測(cè)方向Ex（Ex指向地心方向）、Ey（沿衛(wèi)星軌道平面的法線方向）、Ez（沿著衛(wèi)星運(yùn)行速度的切線方向），單位是mV／m．圖4A、4B是對(duì)應(yīng)成都臺(tái)的夜側(cè)和日側(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)．

由圖3、4 可 以 看 出：DEMETER 衛(wèi) 星ULF 電場(chǎng)0～0．005Hz頻段范圍的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化在101～102mV／m 量級(jí)；Ex、Ey、Ez三個(gè)觀測(cè)方向有其各自的趨勢(shì)并且比較穩(wěn)定，但均無明顯的年變趨勢(shì)，只有Ez方向總體呈現(xiàn)出一種更長(zhǎng)的周期特性；三個(gè)觀測(cè)方向夜側(cè)和日側(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)十分接近，但日側(cè)比夜側(cè)整體值偏低，且擾動(dòng)較多；Ex和Ez方向整體趨勢(shì)相反．

4．1．2 去掉附加電場(chǎng)后的空間電場(chǎng)數(shù)據(jù)

圖5為將經(jīng)過紅沙灣地震臺(tái)上空連續(xù)四年重訪軌道的空間電場(chǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)去掉V×B造成的附加電場(chǎng)后，再提取0～0．005Hz頻率范圍，生成的時(shí)間序列曲線．圖5A 為夜側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，圖5B 為日側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，縱向排列的三個(gè)圖表示電場(chǎng)的三個(gè)觀測(cè)方向，橫坐標(biāo)為時(shí)間序列的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日期與圖3A、3B 一致，縱坐標(biāo)為空間電場(chǎng)，單位mV／m；垂直藍(lán)虛線為年份的劃分，紫實(shí)線為數(shù)據(jù)的趨勢(shì)線．圖6A、6B對(duì)應(yīng)成都臺(tái)的夜側(cè)和日側(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)日期與圖4A、4B一致．圖5、6中時(shí)間序列點(diǎn)數(shù)不一致的原因與補(bǔ)足所有缺失數(shù)據(jù)后各自最多的數(shù)據(jù)點(diǎn)有關(guān)，這在第3節(jié)方法中已有說明．

由圖5、6可以看出，去掉附加電場(chǎng)后的電場(chǎng)與衛(wèi)星原始觀測(cè)記錄的電場(chǎng)有較為明顯的差別：

（1）去掉附加電場(chǎng)后的電離層電場(chǎng)值非常小，集中在10－1～10－3mV／m 量級(jí)，為原始觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)值的千分之一至萬分之一，可以看出：由于V×B主要產(chǎn)生近直流的附加電場(chǎng)，因此在近直流頻段范圍（0～0．005 Hz），ULF 原始觀測(cè)數(shù)據(jù)觀測(cè)到的主要是附加電場(chǎng)的結(jié)果，因此去掉附加電場(chǎng)后，近直流部分觀測(cè)到的空間電場(chǎng)值非常?。?/p>

（2）去除附加電場(chǎng)后，日側(cè)電場(chǎng)和夜側(cè)電場(chǎng)趨勢(shì)不再一致，夜側(cè)電場(chǎng)Ex和Ey分量均具有比較清晰的季節(jié)性變化趨勢(shì)（如圖5、6 中的紫色趨勢(shì)線所示），呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的年變周期，但日側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)此規(guī)律；

（3）兩個(gè)站點(diǎn)所對(duì)應(yīng)空間電場(chǎng)反映的年變趨勢(shì)是一致的；

（4）去除附加電場(chǎng)后的觀測(cè)值可能更多的反映的是真實(shí)的電離層電場(chǎng)的年變趨勢(shì)，即與圖5A 所示的結(jié)果（紅沙灣地區(qū)）相一致；

（5）原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中近直流頻段部分可能更多反映的是附加電場(chǎng)的特性，即與基本場(chǎng)的緩慢變化趨勢(shì)相一致的特性，因此同一觀測(cè)臺(tái)站夜側(cè)和日側(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)十分接近，Ez向則表現(xiàn)出更長(zhǎng)的周期特性等，如圖3、4的Ez方向的變化趨勢(shì)．

4．2 地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

地電場(chǎng)結(jié)果是將臺(tái)站每天地電場(chǎng)觀測(cè)資料的日均值組成一個(gè)時(shí)間序列，如圖7、圖8所示，分別對(duì)應(yīng)紅沙灣地區(qū)的水平地電場(chǎng)三年和垂直地電場(chǎng)兩年半的日均值曲線．縱向三個(gè)圖分別是提取夜側(cè)20∶00—24∶00時(shí)段、日側(cè)11∶00—15∶00時(shí)段和全天0∶00—24∶00時(shí)段的日均值數(shù)據(jù)，日側(cè)和夜側(cè)時(shí)段與衛(wèi)星經(jīng)過臺(tái)站上空重訪數(shù)據(jù)的時(shí)段一致．橫坐標(biāo)單位是年份，縱坐標(biāo)單位統(tǒng)一換算成與空間電場(chǎng)觀測(cè)值一致的mV／m．本文挑選出與空基電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)年變規(guī)律最接近的南北長(zhǎng)測(cè)向數(shù)據(jù)（NSL）．由圖7、8可以看出：除去紅沙灣水平地電場(chǎng)在2009年初因儀器原因造成的數(shù)據(jù)擾亂外（見圖7橢圓標(biāo)注處），紅沙灣的觀測(cè)數(shù)據(jù)無論是水平地電場(chǎng)還是垂直地電場(chǎng)均呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的年變規(guī)律，數(shù)值大小集中在10－1～10－2mV／m 量級(jí)，并且不同時(shí)段曲線都具有相同的穩(wěn)定的年趨勢(shì)，數(shù)據(jù)大小也一致；水平地電場(chǎng)和垂直地電場(chǎng)的年趨勢(shì)不同：水平地電場(chǎng)年中值低，一年的兩側(cè)值較高，呈凹陷型；垂直地電場(chǎng)則是前半年值較低，后半年值較高．因此水平和垂直地電場(chǎng)的年周期一致，但是相位不同步．

圖9為成都臺(tái)連續(xù)兩年的水平地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)日均值時(shí)間序列曲線，橫軸坐標(biāo)為年份的劃分，縱軸單位為mV／m．由于成都臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)受干擾較多，根據(jù)臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)情況，去除掉明顯干擾后，可以看出：成都臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)與紅沙灣臺(tái)一致，也是集中在10－1～10－2mV／m 量級(jí)；但由于干擾的影響，2010年和2011年的年變趨勢(shì)不是特別明顯和一致，排除掉一些明顯的擾動(dòng)（如圖9橢圓標(biāo)注處），整體略微能看出年中低兩側(cè)高的年變趨勢(shì)．

4．3 對(duì)比分析討論

衛(wèi)星記錄的電離層ULF 電場(chǎng)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)近直流部分多為101～102mV／m 量級(jí)，地基電場(chǎng)觀測(cè)在數(shù)值量級(jí)上具有一定的可比性；同時(shí)，無論是兩類觀測(cè)數(shù)據(jù)的重合年份還是非重合年份，地面觀測(cè)的水平地電場(chǎng)與去掉附加電場(chǎng)后電離層電場(chǎng)夜側(cè)Ey和Ez方向均呈現(xiàn)出一致的年變趨勢(shì)．這種年變趨勢(shì)（如圖5、6中的紫色趨勢(shì)曲線所示）與余濤、萬衛(wèi)星等研究的關(guān)于電離層電場(chǎng)周年變化特征理論“太陽活動(dòng)低年、地磁活動(dòng)平靜情況下，中低緯地區(qū)南、北半球（去耦合）電離層電場(chǎng)具有明顯的周年變化特征［41－43］”一致：因?yàn)楦鶕?jù)NOAA 空間天氣預(yù)測(cè)中心（NOAA Space Weather Prediction Center）提供的太陽活動(dòng)周期表可以看出2006—2009年恰逢太陽活動(dòng)低年（如圖10）、研究中選擇的數(shù)據(jù)均是Kp＜5時(shí)地磁活動(dòng)平靜期的數(shù)據(jù)，因此可知本文研究的電離層電場(chǎng)是在太陽活動(dòng)低年、地磁活動(dòng)平靜情況下的周年變化，與理論分析的條件和結(jié)果均一致．但Ex方向沒有表現(xiàn)出明顯的類似的年變趨勢(shì)．

去掉附加電場(chǎng)后日側(cè)電離層電場(chǎng)的Ex、Ey、Ez三個(gè)觀測(cè)方向均無明顯的年變規(guī)律，因此未發(fā)現(xiàn)其與地電場(chǎng)相近的年變趨勢(shì)．原因可能是：由于日側(cè)和夜側(cè)太陽活動(dòng)強(qiáng)弱不同，日側(cè)活動(dòng)性強(qiáng)，對(duì)電離層電場(chǎng)的影響較大，所以日側(cè)呈現(xiàn)的狀態(tài)更亂；而夜側(cè)太陽活動(dòng)弱，對(duì)電離層電場(chǎng)的影響較小，且磁環(huán)境相對(duì)比較干凈，所以夜側(cè)的趨勢(shì)更能反映出電離層電場(chǎng)的變化趨勢(shì)，也即是與水平地電場(chǎng)相關(guān)性和同步性較好的表現(xiàn)．

但是由于數(shù)據(jù)本身的限制，研究中還存在一些問題，有待進(jìn)一步的探索和研究：

（1）由于衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)在同一地點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間不連續(xù)性，每16天或者13天才能在近似的同一地點(diǎn)獲取一軌觀測(cè)數(shù)據(jù)，因此，空間電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的年序列有缺數(shù)，對(duì)分析和探討衛(wèi)星數(shù)據(jù)的年變化會(huì)造成一定的限制．

（2）本文主要基于中低緯度兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析和研究，是否所有地區(qū)都存在此規(guī)律，是否與經(jīng)緯度有一定的關(guān)系等都還需要更多的統(tǒng)計(jì)研究來進(jìn)一步探索．

（3）衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)及去掉附加電場(chǎng)后的數(shù)據(jù)三個(gè)觀測(cè)方向所表現(xiàn)的趨勢(shì)均不同，這與衛(wèi)星飛行時(shí)切割磁力線的路徑、磁力線方向以及空間地面電場(chǎng)間的傳播途徑有關(guān)，由于傳播途徑的復(fù)雜性，本文未能對(duì)三個(gè)方向區(qū)別做出解釋，希望在后續(xù)研究中能夠完成．

（4）地基觀測(cè)數(shù)據(jù)有時(shí)受場(chǎng)地的干擾較大，若不能很好地分析和剔除這些干擾，則可能無法客觀反映出地電場(chǎng)的實(shí)際特征規(guī)律．

5 結(jié) 論

本文通過分析空基DEMETER 衛(wèi)星記錄的空間電離層電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和地基紅沙灣、成都地震臺(tái)記錄的地面地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，提取了兩類觀測(cè)數(shù)據(jù)共有的近直流0～0．005 Hz頻段范圍，并對(duì)衛(wèi)星原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了附加電場(chǎng)的去除．通過對(duì)紅沙灣和成都臺(tái)站上空電離層電場(chǎng)和地面地電場(chǎng)日側(cè)和夜側(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析研究發(fā)現(xiàn)：

（1）DEMETER 衛(wèi)星 記錄的ULF 電場(chǎng)原始 近直流部分（0～0．005 Hz）觀測(cè)數(shù)據(jù)特征，主要表現(xiàn)的是衛(wèi)星運(yùn)行切割磁力線所產(chǎn)生近直流附加電場(chǎng)的特征，其值的數(shù)量級(jí)相對(duì)空間電場(chǎng)近直流部分較大，其變化也主要是由不同空間位置磁場(chǎng)B的不同而引起．

（2）紅沙灣臺(tái)站水平地電場(chǎng)和垂直地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)干擾都比較少，表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的年變趨勢(shì)，水平地電場(chǎng)和垂直地電場(chǎng)具有相同的周期性，但是相位有所不同，從兩年的結(jié)果來看，垂直地電場(chǎng)的相位超前2～3個(gè)月；成都臺(tái)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)擾亂較多，經(jīng)過一定的處理后，其水平地電場(chǎng)能表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)，但年變規(guī)律不是特別明顯．

（3）去掉衛(wèi)星運(yùn)行切割磁力線所造成的附加電場(chǎng)后所得的電離層電場(chǎng)與地面記錄的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)數(shù)量級(jí)相當(dāng)（0～0．005 Hz頻段范圍內(nèi)），均集中在10－1～10－2mV／m 左右，兩者具有可比性；而且，無論是空間電場(chǎng)與地電場(chǎng)重合年份還是非重合年份，去掉附加電場(chǎng)后夜側(cè)Ey（沿衛(wèi)星軌道平面的法線方向）、Ez（沿著衛(wèi)星運(yùn)行速度的切線方向）向的電離層電場(chǎng)數(shù)據(jù)可看出明顯的年中呈現(xiàn)低值凹陷、兩側(cè)值升高突起的凹型年變趨勢(shì)，呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的年變周期，這與地電場(chǎng)的年變趨勢(shì)一致．電離層電場(chǎng)和地電場(chǎng)在數(shù)量級(jí)和年變趨勢(shì)上都呈現(xiàn)出明顯的一致性．日側(cè)空間電場(chǎng)數(shù)據(jù)則未發(fā)現(xiàn)與地電場(chǎng)數(shù)據(jù)一致的年變趨勢(shì)．

（4）根據(jù)不同場(chǎng)源，地電場(chǎng)可劃分為大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)兩大部分，其中大地電場(chǎng)是由地球外部的各種場(chǎng)源在地球表面感應(yīng)產(chǎn)生的分布于整個(gè)地表或較大地域的變化電場(chǎng)；自然電場(chǎng)是地下介質(zhì)由于各種物理、化學(xué)作用在地表形成的較為穩(wěn)定的電場(chǎng)［2］．根據(jù)之前的數(shù)據(jù)積累以及本文的研究結(jié)果可知，紅沙灣水平和垂直地電場(chǎng)日變化和年變化規(guī)律性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的大地電場(chǎng)成分，因此與空間電離層電流體系的變化關(guān)系密切，本文所發(fā)現(xiàn)的空基－地基電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果有較好的一致性，是兩者之間關(guān)聯(lián)的證據(jù)之一．成都臺(tái)可能存在的干擾使其大地電場(chǎng)成分被淹沒．由兩個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)情況知：空基地基觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析方面的研究與地面臺(tái)站數(shù)據(jù)的選擇關(guān)系密切，應(yīng)盡可能選擇類似于紅沙灣等觀測(cè)環(huán)境較好的地面數(shù)據(jù)才更客觀．

本文針對(duì)空基和地基觀測(cè)數(shù)據(jù)之間背景變化特征的相關(guān)性進(jìn)行了探索性的分析和總結(jié)，這不僅有利于綜合兩種觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常信息的提取，而且對(duì)我國(guó)將來綜合利用衛(wèi)星和地面電磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共同用于地震監(jiān)測(cè)研究也具有重要的科學(xué)意義．

致 謝作者衷心感謝DEMETER 衛(wèi)星首席科學(xué)家M．Parrot 教授對(duì)本文給予的指導(dǎo)；感謝法國(guó)DEMETER 數(shù)據(jù)中心為本文提供的1級(jí)觀測(cè)數(shù)據(jù)；感謝中國(guó)地震局預(yù)測(cè)研究所同行給予的幫助；感謝審稿專家和編輯部的意見和建議．

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