震前电离层 TEC异常扰动统计分析＊

祝芙英 吴 云 周义炎 林 剑

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071 3)武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

震前电离层 TEC异常扰动统计分析＊

祝芙英1,2)吴 云1,2)周义炎1,2)林 剑1,2,3)

(1)中国地震局地震研究所,武汉 430071 2)地壳运动与地球观测实验室,武汉 430071 3)武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

利用 IGS提供的电离层 TEC资料,采用滑动平均方法,对 2007年以来全球Ms7.0以上地震进行震前电离层 TEC异常扰动研究。统计结果显示：94%的地震的孕震区上空出现了明显的电离层 TEC异常扰动,扰动有正有负,而且负的异常扰动多发生在震前一周内,正扰动与时间没有明显的函数关系。

地震;总电子含量(TEC);异常扰动;统计分析;IGS

1 引言

GPS监测电离层与一些常规观测手段相比,具有低成本、高精度、近实时、全天候等特点,在电离层扰动的监测和研究方面表现出极大的优越性。国内外的众多学者利用 GPS观测数据对震前电离层TEC异常进行了大量的研究[1-17]。研究表明：地震前电离层 TEC变化不仅确实存在,而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时内会发生电离层扰动。为了更好地探讨电离层 TEC异常与地震的关系,本文借助于 IGS(Internet GPS Service)提供的 2小时时间分辨率的全球电子总含量(TEC,Total Electron Content)数据,对 2007年以来全球 Ms7.0以上地震进行震前电离层 TEC异常扰动的统计和分析。

2 数据来源与异常检测方法

利用 GPS的双频观测量可以获得高精度的电离层 TEC值。美国喷气动力实验室 (JPL),欧洲定轨中心(CODE),加拿大能源、矿山与资源中心 ( EMR),欧洲空间局(ESA)及西班牙卡塔卢尼亚理工大学(UPC)等机构分别完成了全球电离层地图GI M(Global I onospheric Map)算法,并事后提供基于国际 GPS服务中心(IGS)的全球 GPS观测站数据的 GI M产品。由于震中附近 GPS观测资料的缺乏,在震例统计分析时,我们直接采用 IGS网站提供的最终电离层 TEC数据,该结果利用全球近千个台站的 GPS观测数据,每 2小时反演生成一张全球电离层 TEC地图,其沿纬度和经度方向上的分辨率为2.5°×5°,该结果是经过一定的数据插值和平滑处理,过滤了小的时空尺度的电离层扰动。

为更好地了解震前电离层 TEC的异常扰动规律,选取Ms7.0以上地震作为统计对象 (地震参数来自于中国地震台网中心)。自 2007年 1月 1日以来共发生Ms7.0以上地震约 60次,考虑到在同一天内在同一个位置发生的地震不止一次,选取时只取震级最大的一次,因此本文统计的地震为 50次(图 1)。

震前电离层 TEC异常的检测方法主要有平均数法、四分位距法以及中位数法等等,本文的电离层TEC异常检测时参照文献[11],即先对某格网点上的电离层 TEC时间序列进行拟合扣除其明显的周期项后再对拟合后的剩余残差进行滑动均值异常检测,处理过程中,电离层 TEC的初始均值和初始均方差来自于震前第 30天至第 20天连续 10天的样本数据。设 X为二维电离层 TEC分布图中任一格网点的 TEC值时间序列,时窗长度N取 10天,计算其均值和均方差,并将 TEC观测值的误差限设定为2σ,此时有 95%的置信度落在下边界 (-2σ)和上边界 (+2σ)之间,若被检测格网点的 TEC值低于下边界(-2σ)或者超出上边界 (+2σ)将被视为异常。

3 结果分析

中国地震台网中心根据国家测震台网 48个台站的数据,提供了 2007-01-01—2009-10-01日全球Ms≥7.0地震的基本参数,按照上述异常检测方法,对每次地震进行震前电离层 TEC异常检测,考虑到地震电离层 TEC的时间分布特征,在异常检测时选取的参考时刻为地方时 LT 14：00。为了排除磁暴及地磁活动对检测结果的干扰,参考国际地磁数据中心提供的 Kp指数进行校准验核。Kp指数是专门用来描述地磁活动强度的物理量,每 3小时更新一次,具体处理时用来检查被考查日期的 Kp指数,只要一天之中有一个时刻的 Kp值超过 4,则这天出现的 TEC异常扰动忽略不计。表 1给出了每次地震的发震日期、发震时刻、震中位置、深度、震级和震前电离层 TEC的异常情况。

图 1 GPS观测站与 2007—2009Ms≥7.0全球地震震中分布图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地震前电离层 TEC异常Tab.1 Statistics of ionospheric TEC anomalies before theMs≥7.0 earthquakes from 2007 to 2009

从表 1可以看出,在统计的 50个震例中有 47次地震在震前的 10天内出现了异常扰动,扰动有正有负。为了统计震前电离层 TEC的异常特征,我们统计了每次地震的电离层 TEC异常的正、负比例(图 2(a)和图 2(b)分别给出的是震前 10天内,正、负异常扰动的震例所占的比例。图 2中横坐标 0表示发震当天,-1,-2、-3表示震前第一、二、三天)。由图 2(a)可以看出,在临震前的 10天内,孕震区上空电离层 TEC正异常扰动在震前的第 5天出现的比例最大(17次地震前出现了明显的正异常扰动),占 34%,临震前一天及发震当天所占的比例也较大,其余的时间分布特征不明显,即与时间没有明显的函数关系。从图 2(b)则可以看出在震前出现的负异常扰动多发生在震前的几天内,统计结果为 86.2%的异常扰动距震发时刻不到一周,这与文献[13]的结论相吻合。

图2 震前电离层 TEC正、负异常的统计Fig.2 Statistics of anomalous increase and decrease in GPS TEC appeared everyday before earthquake

为了更加详细地了解 TEC异常分布的时间特征,我们统计了震前一星期内每天各个时刻出现异常扰动的次数,统计结果如图 3所示,图中横坐标表示每天各历元所对应的当地时,纵坐标表示所占的百分数,图 3(a)表示震前一周内各个时刻出现正异常扰动所占的百分比,图 3(b)代表震前一周内各时刻出现的负异常扰动所占的百分比。由图 3可以看出,震前正异常扰动主要发生在 04：00LT和 12：00—18：00;负异常扰动出现的时刻与考察的当地时没有明显的函数关系,这与文献[15]的结论类似。

图 3 震前一周内每天各个时刻异常扰动统计Fig.3 Statistics of anomalous increase and decrease appeared every hour in GPS TEC over-background during the week before earthquake

4 结果与讨论

对 2007年以来全球Ms7.0以上地震震前电离层 TEC异常扰动的统计结果表明：排除地磁活动引起的干扰后,在震前的 10天内,94%的地震孕震区的上空的电离层 TEC出现了明显的异常扰动,扰动形式有正有负;震前电离层 TEC的负异常扰动多发生在震前一个礼拜内,而正的异常扰动没有明显的时间规律;从 TEC异常扰动出现的具体时刻来看,地震电离层 TEC的正异常扰动多发生在当地时 12：00-18：00之间,负异常扰动与时间则没有明显的函数关系。

致谢 感谢中国地震台网中心和 IGS中心提供相关数据!

1 杜品仁,蒋和荣,郭兼善.电离层异常能否作为地震前兆的研究 [J].地震,1998,18(2)：119-126.(Du Pinren, Jiang Herong and Guo Jianshan.Research on possibility of iononspheric anomalies as an earthquake precursors[J]. Earthquake,1998,18(2)：119-126)

2 祝芙英,等.汶川 Ms8.0地震前电离层 TEC异常分析[J].大地测量与地球动力学,2008,(6)：16-21.(Zhu Fuying,et al.Study on ionospheric TEC anomaly prior to WenchuanMs8.0 earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(6)：16-21)

3 Liu J Y,et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements[J].Annales Geophysicae,2004,22：1 585-1 593.

4 丁鉴海,索玉成,余素荣.地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系 [J].空间科学学报,2005,25(6)：536-542.(DingJianhai,Suo Yucheng and Yu Surong.Phenomena of geomagnetic and ionospheric anomalies and their relation to earthquakes[J].Chin.J.Space Sci.,2005,25(6)：536-542)

5 张强.地基 GPS监测电离层 TEC及其与地震活动关系的研究[D].中国地震局地震研究所,2004.(Zhang Qiang. The ionospheric TEC detected by ground-based GPS and the relationship to the earthquake[D].Institute of Seis mology, CEA.2004)

6 卓裕荣.电离层地震前兆之研究[D].台湾中央大学太空科学研究所,2002.(Chuo Y J.A study of seis mo-ionospheric precursor[D].NCU Institute of Space Science, 2002)

7 吴云,等.利用地基 GPS探测震前电离层 TEC异常[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：36-40.(Wu Yun,et al.Preseismic ionospheric TEC anomaly detected by groundbased GPS[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2005, (2)：36-40)

8 杨剑,吴云,周义炎.利用 GPS无线电掩星数据研究震前电离层异常[J].大地测量与地球动力学,2008,(1)：16 -22.(Yang Jian,Wu Yun and Zhou Yiyan.Research on seismo-ionospheric anomalies using GPS radio occultation data[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(2)：16-22)

9 赵必强,等.震前电离层扰动研究进展及汶川地震前电离层变化 [J].科技导报,2008,26(11)：30-33.(Zhao Biqiang,et al.Recent advances on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior to Wenchuan earthquake[J].Science and Technology Review, 2008,26(11)：30-33)

10 熊晶,等.汶川地震前电离层 NmF2异常扰动[J].大地测量与地球动力学,2008,(6)：22-26.(Xiong Jing,et al.Anomalous disturbance of ionospheric NmF2 before Wenchuan earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(6)：22-26)

11 祝芙英,等.震前电离层 TEC异常探测方法研究[J].大地测量与地球动力学,2009,(3)：50-54.(Zhu Fuying, et al.Study on method of detecting ionospheric TEC anomaly before earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(3)：50-54)

12 林剑,等.基于地基 GPS资料探测汶川地震电离层 TEC的异常[J].地球物理学报,2009,52(1)：297-300.(Lin Jian,et al.Wenchuan earthquake ionospheric TEC anomly detected by GPS[J].Chinese J,Geophys,2009,52(1)：297-300)

13 杨马陵,等.两次强震前华南地区电离层 TEC异常特征研究[J]大地测量与地球动力学,2009,(6)：13-17,21. (YangMaling,et al.Study on abnormal characteristics of ionosphere TEC above South-China responding to two strong earthquakes[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2009,(6)：13-17,21)

14 Liu J Y,et al.Ionospheric foF2 and TEC anomalous days associated withM≥5.0 earthquake in Taiwan during 1997 -1999[J].Terr.Atmo.Oceanic Sci.,2004b,(15)：371 -383.

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16 Pulinets SA,et al.Main phenomenological features of ionospheric precursors of strong earthquakes[J].Journal ofAtmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2003,65：1 337-1 347.

17 Sorokina V M,Chmyrevb V M and Yaschenko A K.Theoretical model of DC electric field formation in the ionosphere stimulated by seis mic activity[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2005,67：1 259-1 268.

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

国家 863课题(2007AA12Z169);中国地震局地震研究所所长基金(IS200926039)

祝芙英,男,1980年生,硕士,从事飞行器定轨及应用方面的研究.E-mail：zhufy00@yahoo.com.cn

P228.4

A