楊可可,劉立龍,2,陳 軍

(1.桂林理工大學(xué) a.廣西空間信息與測繪重點實驗室;b.測繪地理信息學(xué)院,廣西 桂林 541006;2.欽州學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院,廣西 欽州 535000)

0 引 言

全球每年都會發(fā)生一些破壞性強的地震,地震給人類生命財產(chǎn)帶來巨大的損失。地震產(chǎn)生的機理相當(dāng)復(fù)雜,世界各國對地震的預(yù)報也一直處于探索階段。國內(nèi)外許多學(xué)者致力于研究地震前地質(zhì)構(gòu)造變化以及與地震有關(guān)的其他震前異常現(xiàn)象,其中地震與大氣層中電離層的關(guān)系成為當(dāng)前研究的熱點[1-6]。1964年美國阿拉斯加大地震時,Leonard等[2]發(fā)現(xiàn)地震期間電離層有異常擾動現(xiàn)象,此后各國學(xué)者開始研究電離層的變化與地震的關(guān)系。Antsilevich[3]分析了1966年Tashkent地震時電離層總電子含量,發(fā)現(xiàn)地震期間電子含量有明顯增加的現(xiàn)象;Weaver等[4]發(fā)現(xiàn)了在1969年Kurile島地震期間電離層也出現(xiàn)了異常擾動。震例研究表明: 大于5級的地震發(fā)生前幾天, 震中附近上空電離層都會出現(xiàn)異?，F(xiàn)象,電離層F2層的臨界頻率f0F2、總電子含量等參量存在異常的擾動[7-13]。

早期由于GPS技術(shù)有限,對震前電離層異常分析主要使用電離層測高儀、斜測儀等,但這些方法只能獲取站點上空電離層信息,不能對電離層長時間、大范圍觀測。隨著科技的發(fā)展, GNSS作為一種新技術(shù), 以其高精度、 高分辨率、全天候、 全自動的特性, 能夠準(zhǔn)確獲得信號傳播路徑上的電離層總電子含量(total electric content,TEC), 為研究電離層活動與地震關(guān)系提供了一條新路徑。馬一方等[7]利用GIM提供的格網(wǎng)點數(shù)據(jù)分析了蘆山地震期間電離層的異常變化特征,研究發(fā)現(xiàn),震前在震中附近上空東向和北向梯度VTEC均出現(xiàn)了負(fù)異常,而該異常僅發(fā)生在蘆山地震期間。姚宜斌等[8]利用震中附近GNSS觀測數(shù)據(jù)，采用滑動窗口法發(fā)現(xiàn)2011年3月日本地震前電離層有擾動現(xiàn)象,并深入分析了震中附近電離層電子密度的空間分布,確認(rèn)了此次電離層異?？赡苁恰霸杏钡卣鹨鸬?。張小紅等[9]利用時間序列法分析了2012年1月10日蘇門答臘島MS7.2級地震,采用IGS中心提供的震中附近4個格網(wǎng)點TEC數(shù)據(jù)得到震前13天電離層TEC時間序列,并詳細(xì)比較分析了時間序列法、傳統(tǒng)滑動時窗法和四分位法在預(yù)測電離層TEC參考背景值和精度,為準(zhǔn)確預(yù)報地震時段電離層TEC提供了參考。

基于滑動四分位法具有能較為準(zhǔn)確地獲得預(yù)測參考背景值,并可以比較精確地計算出背景參考值上下限的特點[7],本文利用IGS數(shù)據(jù)分析中心提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),利用雙線性插值法[10]和滑動四分位法對日本九州島地震上空電離層變化特性進行分析,探討地震對電離層變化情況的影響。

1 數(shù)據(jù)及異常檢測方法

1.1 數(shù)據(jù)

2016年4月14日UTC 12:26:37, 日本九州島(32.75°N, 130.80°E)發(fā)生了6.2級地震,接著在UTC 15:03:47又發(fā)生了6.0級地震,震源深度都是20 km; 2016年4月15日UTC 16:25:09,在同一地點發(fā)生了7.3級地震,震源深度10 km。分析電離層異常時,采用的電離層數(shù)據(jù)來源于IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是通過全球分布的IGS基準(zhǔn)站觀測資料計算得到[11-13],時間分辨率為2 h,空間分辨率為5°×2.5°,IGS電離層產(chǎn)品精度較高，能達(dá)到2～4 TECu[10]。該數(shù)據(jù)不僅在電離層反演氣候?qū)W得到廣泛的應(yīng)用,同樣用于分析地震與電離層的關(guān)系等領(lǐng)域[14-19]。根據(jù)文獻(xiàn)[12]提出的孕震區(qū)半徑公式R=100.43M(M代表震級,R代表孕震區(qū)半徑(km)),日本九州島地震孕震區(qū)半徑約為1 377 km。因此,GIM的空間分辨率可以滿足此次地震電離層異常擾動分析的需求。本文利用地震周圍格網(wǎng)點TEC值進行雙線性內(nèi)插得到震中的TEC,具體方法見文獻(xiàn)[11], 使用該方法內(nèi)插出2013年5月16日世界時當(dāng)天(33°N, 120°E)處的VTEC變化曲線圖。經(jīng)統(tǒng)計,RMS最大值為1.75 TECu,最小值為0.21 TECu。本文利用上述方法對VTEC值進行內(nèi)插,得到時間分辨率為30 min的數(shù)據(jù),詳細(xì)分析地震前后17天震中(32.75°N, 130.80°E)處附近上空電離層VTEC變化。

1.2 滑動四分位距法

以往主要是以月均值、月中值或地震期間10天的滑動均值作為背景參考值用于電離層TEC的異常研究,這種方法不能剔除數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù),使得計算的背景參考值存在較大偏差,導(dǎo)致探測結(jié)果不準(zhǔn)確。因此本文采用滑動四分位距法來檢驗VTEC異常信息[14-15]。四分位距(inter quartile rang,IQR)是一種穩(wěn)健統(tǒng)計技術(shù)中用于表示數(shù)據(jù)離散度的一個量,常用來檢查數(shù)據(jù)的異常情況[16]。所謂的四分位數(shù)就是將數(shù)列分為4部分,一個數(shù)列有3個四分位數(shù),即設(shè)下四分位數(shù)、中位數(shù)和上四分位數(shù)。以16天的數(shù)據(jù)資料為例將其從小到大排列為x1,x2, …,x16，則

四分位距:IQR=Q1-Q3。

其中：Q1表示在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占總數(shù)的25%；Q2表示在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占50%；Q3表示在該數(shù)值以下的數(shù)據(jù)占總數(shù)的75%。

在統(tǒng)計學(xué)上IQR=1.34σ,即四分位距的期望值是標(biāo)準(zhǔn)差的1.34倍,本文采用Q2=±1.5IQR作為TEC是否異常的判定界限,即

探測閾值約為標(biāo)準(zhǔn)差的2倍,該異常檢驗的置信度為95%,考慮到TEC變化具有季節(jié)效應(yīng),選擇窗口時間長度不宜過長。取l為滑動時窗長,采用上式計算探測上下限,如果l+1 天某時刻超出上下限,即可認(rèn)為l+1天該時刻電離層TEC值出現(xiàn)異常。要探測l+2天的TEC值,若探測到l+1天TEC出現(xiàn)異常,滑動時窗將不再移動,再采用上式進行判;如果探測到l+1天TEC沒出現(xiàn)異常,則時窗向前移動一天。依次,直至將所有時間序列全部探測完為止。

2 分析與討論

2016年4月14和15日,日本九州島地區(qū)連續(xù)發(fā)生了3次比較大的地震。為了研究地震期間電離層的擾動變化,利用上述的異常檢測方法,使用2016-03-21—04-21期間IGS公布球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù),選擇16天作為時間窗口計算了震前震后共17天的每日上下限,統(tǒng)計每日TEC最大正異常和負(fù)異常,ΔVTEC=0表示沒有異常,如圖1所示。從圖1a可以看出4月6、13、14和16日出現(xiàn)了正異常。4月6日的正異常出現(xiàn)極大值,約5 TECu,也出現(xiàn)了不足1 TECu的負(fù)異常;4月7—9日3天都出現(xiàn)了1 TECu左右的正異常,9日出現(xiàn)了負(fù)異常;4月12—14日和16日出現(xiàn)了較大的正異常,15和16日出現(xiàn)了負(fù)異常;4月17日負(fù)異常出現(xiàn)極小值約-2 TECu,此后電離層異?，F(xiàn)象基本消失。顯然,2016年4月日本九州島地震前后期間電離層TEC都出現(xiàn)了異常。圖1b統(tǒng)計了相應(yīng)時間段內(nèi)最大的異常值ΔVTEC,紅色豎線表示地震發(fā)生時刻。

由文獻(xiàn)[16]可知,電離層異常的發(fā)生與很多因素有關(guān),如太陽活動的變化、地磁活動異常、天氣變化等。因此,分析地震前后電離層變化要綜合考慮這段時間內(nèi)空間環(huán)境的變化。選取了震前震后共17天的太陽輻射通量F10.7指數(shù)、地磁活動Dst指數(shù)、Ap指數(shù)和Kp指數(shù)進行分析(圖2)。各指數(shù)評判標(biāo)準(zhǔn)詳見文獻(xiàn) [13]。

可以看出,4月7日和8日Kp指數(shù)達(dá)到了5,發(fā)生了中小地磁暴,同時Dst指數(shù)從最大值18 nT驟降到-60 nT左右,可知這兩天的地磁活動較為劇烈?？梢哉J(rèn)為這兩天的TEC異常是由地磁活動引起的,與地震的關(guān)聯(lián)性較小。4月5—11日期間F10.7有明顯上升趨勢,9—11日這3天均大于100說明太陽輻射較強烈,9日的異常值在1 TECu左右可能由于該日的太陽輻射強烈引起的,4月12—14日這3天的Kp指數(shù)也超過了4,13和14日這兩天地磁指數(shù)都小于-50 nT,地磁活動條件較為活躍,Ap指數(shù)在這幾天也比較大,極有可能發(fā)生了中小磁暴。此外，這3天的F10.7均大于100,太陽輻射也比較強烈,綜合考慮太陽和地磁場的活動狀況,也可以排除這3天電離層異常是由地震引起的。4月16日地震當(dāng)天F10.7指數(shù)超過了100，太陽輻射較強,Kp指數(shù)均未超過4,Dst指數(shù)也較低沒有很大的波動,可排除地磁活動對電離層的影響,所以4月16日電離層的異常很可能是受到太陽活動的影響。4月17日出現(xiàn)了-2 TECu異常,該日的Ap指數(shù)較大,Dst指數(shù)驟降到-55 nT,地磁活動比較頻繁,所以17日的負(fù)異常是由地磁活動引起的,與地震的關(guān)聯(lián)性也不大。

圖1 4月5—21日震中上空VTEC和ΔVTEC時間序列Fig.1 VTEC and ΔVTEC time series from April 5 to 21 in epicenter

圖2 4月5—21日地震前后的地磁和太陽活動情況Fig.2 Geomagnetic and solar activity conditions during earthquake period from April 5 to 21

4月6日的電離層正異常值最大(5 TECu),Kp指數(shù)都小于4,Ap指數(shù)為7,Dst指數(shù)均大于-20 nT且變化較為平穩(wěn),F10.7小于100,地磁和太陽活動較為平靜。因此，4月6日的電離層異?？梢耘懦怯商枴⒌卮呕顒右鸬?綜合考慮可認(rèn)為4月6日的電離層異常與本次地震密切相關(guān)。

為進一步分析4月6日全球其他區(qū)域是否也出現(xiàn)VTEC異常,本文使用了IGS服務(wù)中心網(wǎng)站提供的2 h分辨率全球電離層地圖GIM數(shù)據(jù)。將前16天不受太陽、地磁活動影響的VTEC中值作為背景參考值,同樣采用四分位距法確定該天的上下限,得到VTEC。利用上述數(shù)據(jù)和方法對4月5和6日全球電離層VTEC進行了分析,圖3給出了4月5日UT20:00—4月06日UT6:00、時間分辨率為2 h的全球VTEC分布圖(紅色五角星表示震中位置)。

從圖3能夠清晰地觀察到全球異常的變化。電離層大約從5日UT20:00開始出現(xiàn)異常,異常區(qū)域并不在震中位置,而在赤道偏0°南半球,同時震中東南方向也開始出現(xiàn)異常,此后異常逐漸增大;22:00,南半球異常開始向西飄移,震中東方向的異常區(qū)域開始變大;6日UT00:00,異常區(qū)域繼續(xù)向西移動,異常值顯著增強,異常峰值位于震中偏東方向(28°N,170°W),最大值約為8.2 TECu,而南半球共軛區(qū)域異常在逐漸減UT小;UT02:00異常區(qū)域到達(dá)地震中心附近, 峰值仍在震中偏東方向, 而南半球異?；鞠? UT04:00異常峰值到達(dá)震中上空, 達(dá)到最大為8.6 TECu; UT06:00, 震中附近異常開始減弱; 到UT08:00,全球異?；鞠?。

4月6日全球電離層異常的位置大概在震中東南偏赤道方向和南半球共軛區(qū)域,并且持續(xù)的時間較長,而在全球其他區(qū)域沒有出現(xiàn)明顯的異?，F(xiàn)象。結(jié)合圖2可以看出該天的太陽輻射比較弱,地磁活動也比較平靜,綜合考慮可認(rèn)為4月6日地震上空出現(xiàn)的電離層異?，F(xiàn)象與孕育地震有關(guān)。

3 結(jié)束語

本文利用IGS中心提供的2016-03-21—04-21震4個電離層格網(wǎng)點數(shù)據(jù)內(nèi)插出日本九州島震中上空電離層VTEC,采用滑動四分位距法對地震進行震前電離層VTEC時間序列進行分析,在排除太陽和地磁活動影響的情況下,發(fā)現(xiàn)4月6日電離層VTEC存在明顯的正異常,且異常的時間較長。為進一步分析4月6日全球其他區(qū)域是否也出現(xiàn)VTEC異常,利用全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)重構(gòu)了4月5日UT20:00—4月6日UT06:00全球VTEC異常分布圖, 電離層異常區(qū)域由震中東南方向向西北方向偏移且先增大后逐漸消失, UT04:00異常峰值到達(dá)震中上空,南半球共軛區(qū)域也出現(xiàn)類似現(xiàn)象,而其他區(qū)域沒有出現(xiàn)異常。進一步說明了4月6日的電離層異常是由該次地震引起的。

對地震發(fā)生前數(shù)天電離層異常研究具有極高的科學(xué)價值,但是由于地震產(chǎn)生機理的復(fù)雜性、多變性,利用電離層擾動對地震進行預(yù)測仍存在明顯的局限,因此對震前電離層異常的探測方法和有效性還值得進一步深入研究。