祝芙英 吳 云 周義炎 林 劍

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

震前電離層 TEC異常擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析＊

祝芙英1,2)吳 云1,2)周義炎1,2)林 劍1,2,3)

(1)中國地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

利用 IGS提供的電離層 TEC資料,采用滑動(dòng)平均方法,對(duì) 2007年以來全球Ms7.0以上地震進(jìn)行震前電離層 TEC異常擾動(dòng)研究。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：94%的地震的孕震區(qū)上空出現(xiàn)了明顯的電離層 TEC異常擾動(dòng),擾動(dòng)有正有負(fù),而且負(fù)的異常擾動(dòng)多發(fā)生在震前一周內(nèi),正擾動(dòng)與時(shí)間沒有明顯的函數(shù)關(guān)系。

地震;總電子含量(TEC);異常擾動(dòng);統(tǒng)計(jì)分析;IGS

1 引言

GPS監(jiān)測(cè)電離層與一些常規(guī)觀測(cè)手段相比,具有低成本、高精度、近實(shí)時(shí)、全天候等特點(diǎn),在電離層擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)和研究方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。國內(nèi)外的眾多學(xué)者利用 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)震前電離層TEC異常進(jìn)行了大量的研究[1-17]。研究表明：地震前電離層 TEC變化不僅確實(shí)存在,而且在震級(jí)大于5級(jí)的地震發(fā)生前的幾天到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)會(huì)發(fā)生電離層擾動(dòng)。為了更好地探討電離層 TEC異常與地震的關(guān)系,本文借助于 IGS(Internet GPS Service)提供的 2小時(shí)時(shí)間分辨率的全球電子總含量(TEC,Total Electron Content)數(shù)據(jù),對(duì) 2007年以來全球 Ms7.0以上地震進(jìn)行震前電離層 TEC異常擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)和分析。

2 數(shù)據(jù)來源與異常檢測(cè)方法

利用 GPS的雙頻觀測(cè)量可以獲得高精度的電離層 TEC值。美國噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室 (JPL),歐洲定軌中心(CODE),加拿大能源、礦山與資源中心 ( EMR),歐洲空間局(ESA)及西班牙卡塔盧尼亞理工大學(xué)(UPC)等機(jī)構(gòu)分別完成了全球電離層地圖GI M(Global I onospheric Map)算法,并事后提供基于國際 GPS服務(wù)中心(IGS)的全球 GPS觀測(cè)站數(shù)據(jù)的 GI M產(chǎn)品。由于震中附近 GPS觀測(cè)資料的缺乏,在震例統(tǒng)計(jì)分析時(shí),我們直接采用 IGS網(wǎng)站提供的最終電離層 TEC數(shù)據(jù),該結(jié)果利用全球近千個(gè)臺(tái)站的 GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),每 2小時(shí)反演生成一張全球電離層 TEC地圖,其沿緯度和經(jīng)度方向上的分辨率為2.5°×5°,該結(jié)果是經(jīng)過一定的數(shù)據(jù)插值和平滑處理,過濾了小的時(shí)空尺度的電離層擾動(dòng)。

為更好地了解震前電離層 TEC的異常擾動(dòng)規(guī)律,選取Ms7.0以上地震作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象 (地震參數(shù)來自于中國地震臺(tái)網(wǎng)中心)。自 2007年 1月 1日以來共發(fā)生Ms7.0以上地震約 60次,考慮到在同一天內(nèi)在同一個(gè)位置發(fā)生的地震不止一次,選取時(shí)只取震級(jí)最大的一次,因此本文統(tǒng)計(jì)的地震為 50次(圖 1)。

震前電離層 TEC異常的檢測(cè)方法主要有平均數(shù)法、四分位距法以及中位數(shù)法等等,本文的電離層TEC異常檢測(cè)時(shí)參照文獻(xiàn)[11],即先對(duì)某格網(wǎng)點(diǎn)上的電離層 TEC時(shí)間序列進(jìn)行擬合扣除其明顯的周期項(xiàng)后再對(duì)擬合后的剩余殘差進(jìn)行滑動(dòng)均值異常檢測(cè),處理過程中,電離層 TEC的初始均值和初始均方差來自于震前第 30天至第 20天連續(xù) 10天的樣本數(shù)據(jù)。設(shè) X為二維電離層 TEC分布圖中任一格網(wǎng)點(diǎn)的 TEC值時(shí)間序列,時(shí)窗長度N取 10天,計(jì)算其均值和均方差,并將 TEC觀測(cè)值的誤差限設(shè)定為2σ,此時(shí)有 95%的置信度落在下邊界 (-2σ)和上邊界 (+2σ)之間,若被檢測(cè)格網(wǎng)點(diǎn)的 TEC值低于下邊界(-2σ)或者超出上邊界 (+2σ)將被視為異常。

3 結(jié)果分析

中國地震臺(tái)網(wǎng)中心根據(jù)國家測(cè)震臺(tái)網(wǎng) 48個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù),提供了 2007-01-01—2009-10-01日全球Ms≥7.0地震的基本參數(shù),按照上述異常檢測(cè)方法,對(duì)每次地震進(jìn)行震前電離層 TEC異常檢測(cè),考慮到地震電離層 TEC的時(shí)間分布特征,在異常檢測(cè)時(shí)選取的參考時(shí)刻為地方時(shí) LT 14：00。為了排除磁暴及地磁活動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾,參考國際地磁數(shù)據(jù)中心提供的 Kp指數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)核。Kp指數(shù)是專門用來描述地磁活動(dòng)強(qiáng)度的物理量,每 3小時(shí)更新一次,具體處理時(shí)用來檢查被考查日期的 Kp指數(shù),只要一天之中有一個(gè)時(shí)刻的 Kp值超過 4,則這天出現(xiàn)的 TEC異常擾動(dòng)忽略不計(jì)。表 1給出了每次地震的發(fā)震日期、發(fā)震時(shí)刻、震中位置、深度、震級(jí)和震前電離層 TEC的異常情況。

圖 1 GPS觀測(cè)站與 2007—2009Ms≥7.0全球地震震中分布圖Fig.1 Location of the GPS receivers and the epicenters of the 50Ms≥7.0 earthquakes all over the world during 2007-2009

表 1 2007—2009年 10月Ms≥7.0地震前電離層 TEC異常Tab.1 Statistics of ionospheric TEC anomalies before theMs≥7.0 earthquakes from 2007 to 2009

從表 1可以看出,在統(tǒng)計(jì)的 50個(gè)震例中有 47次地震在震前的 10天內(nèi)出現(xiàn)了異常擾動(dòng),擾動(dòng)有正有負(fù)。為了統(tǒng)計(jì)震前電離層 TEC的異常特征,我們統(tǒng)計(jì)了每次地震的電離層 TEC異常的正、負(fù)比例(圖 2(a)和圖 2(b)分別給出的是震前 10天內(nèi),正、負(fù)異常擾動(dòng)的震例所占的比例。圖 2中橫坐標(biāo) 0表示發(fā)震當(dāng)天,-1,-2、-3表示震前第一、二、三天)。由圖 2(a)可以看出,在臨震前的 10天內(nèi),孕震區(qū)上空電離層 TEC正異常擾動(dòng)在震前的第 5天出現(xiàn)的比例最大(17次地震前出現(xiàn)了明顯的正異常擾動(dòng)),占 34%,臨震前一天及發(fā)震當(dāng)天所占的比例也較大,其余的時(shí)間分布特征不明顯,即與時(shí)間沒有明顯的函數(shù)關(guān)系。從圖 2(b)則可以看出在震前出現(xiàn)的負(fù)異常擾動(dòng)多發(fā)生在震前的幾天內(nèi),統(tǒng)計(jì)結(jié)果為 86.2%的異常擾動(dòng)距震發(fā)時(shí)刻不到一周,這與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論相吻合。

圖2 震前電離層 TEC正、負(fù)異常的統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of anomalous increase and decrease in GPS TEC appeared everyday before earthquake

為了更加詳細(xì)地了解 TEC異常分布的時(shí)間特征,我們統(tǒng)計(jì)了震前一星期內(nèi)每天各個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)異常擾動(dòng)的次數(shù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖 3所示,圖中橫坐標(biāo)表示每天各歷元所對(duì)應(yīng)的當(dāng)?shù)貢r(shí),縱坐標(biāo)表示所占的百分?jǐn)?shù),圖 3(a)表示震前一周內(nèi)各個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)正異常擾動(dòng)所占的百分比,圖 3(b)代表震前一周內(nèi)各時(shí)刻出現(xiàn)的負(fù)異常擾動(dòng)所占的百分比。由圖 3可以看出,震前正異常擾動(dòng)主要發(fā)生在 04：00LT和 12：00—18：00;負(fù)異常擾動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)刻與考察的當(dāng)?shù)貢r(shí)沒有明顯的函數(shù)關(guān)系,這與文獻(xiàn)[15]的結(jié)論類似。

圖 3 震前一周內(nèi)每天各個(gè)時(shí)刻異常擾動(dòng)統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of anomalous increase and decrease appeared every hour in GPS TEC over-background during the week before earthquake

4 結(jié)果與討論

對(duì) 2007年以來全球Ms7.0以上地震震前電離層 TEC異常擾動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：排除地磁活動(dòng)引起的干擾后,在震前的 10天內(nèi),94%的地震孕震區(qū)的上空的電離層 TEC出現(xiàn)了明顯的異常擾動(dòng),擾動(dòng)形式有正有負(fù);震前電離層 TEC的負(fù)異常擾動(dòng)多發(fā)生在震前一個(gè)禮拜內(nèi),而正的異常擾動(dòng)沒有明顯的時(shí)間規(guī)律;從 TEC異常擾動(dòng)出現(xiàn)的具體時(shí)刻來看,地震電離層 TEC的正異常擾動(dòng)多發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r(shí) 12：00-18：00之間,負(fù)異常擾動(dòng)與時(shí)間則沒有明顯的函數(shù)關(guān)系。

致謝 感謝中國地震臺(tái)網(wǎng)中心和 IGS中心提供相關(guān)數(shù)據(jù)!

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STATISTICAL ANALYSIS OF PRE-EARTHQUAKE IONOSPHERIC TEC D ISTURBANCE

Zhu Fuying1,2),Wu Yun1,2),Zhou Yiyan1,2)and Lin Jian1,2,3)

(1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071 3)Rearch Center of Satellite N avigation and Position Technology of W uhan University,W uhan 430079)

It has been proved by a number of researches that the ionospheric anomalous disturbance do appear a few days or hours before earthquake.On the basis of Total Electron Content(TEC)obtained from Internet GPS Service(IGS),by use of themethod ofmoving average,the 50Ms≥7.0 earthquakes allover theworld since January 1,2007 were examined.The statistical results show that,excluding the other possible factors,there were significant ionospheric disturbances including ionospheric anomalous increase and anomalous decrease before the 94%of all the earthquake onset,and the apparent anomalous decrease occurredwithin 7 days before the earthquake but the anomalous increase is not the function of the time.

earthquake;Total Electron Content(TEC);anomalous disturbance;statistical analysis;Internet GPS Service(IGS)

1671-5942(2010)05-0019-04

2010-01-11

國家 863課題(2007AA12Z169);中國地震局地震研究所所長基金(IS200926039)

祝芙英,男,1980年生,碩士,從事飛行器定軌及應(yīng)用方面的研究.E-mail：zhufy00@yahoo.com.cn

P228.4

A