基于CODE GIM的震前电离层TEC异常分析*

刘 军 柴洪洲 刘长建 陈 轲 常宜峰

(解放军信息工程大学测绘学院，郑州 450052)

基于CODE GIM的震前电离层TEC异常分析*

刘 军 柴洪洲 刘长建 陈 轲 常宜峰

(解放军信息工程大学测绘学院，郑州 450052)

利用CODE GIM数据分析了2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日青海玉树地震震前电离层TEC变化。以震前10天TEC中位数为基准，1.5倍标准差为误差限值，并考虑相应时期的太阳和地磁活动水平(Dst指数和Kp指数)，对震前电离层异常的分布进行了分析。结果表明，两次地震震前几天内都有TEC异常出现。

电离层;TEC;地震;异常;预报

1 引言

由于地震产生机理的复杂性，地震预测一直是全世界面临的科学难题，现有的手段主要是通过对地震前兆的分析来预测可能发生的地震［1-4］。随着卫星技术的发展，利用卫星观测数据提取相应的地震前兆信息，进而为短临地震的预测提供参考，受到了广泛的关注。

震例研究表明：一般在震级大于5级的地震发生前几天到几小时内，都会出现明显的电离层扰动［4-7］。涉及的电离层参数主要有f0F2(电离层F2层临界频率)、f0Es(电离层偶发Es层临界频率)、TEC(总电子含量)、电子密度等。文献［7］对2005年9月26日秘鲁Ms7.5地震震前赤道地区电离层扰动进行分析，发现震前几天的傍晚和夜间TEC均出现了异常，震中附近呈现双驼峰的不规则结构，CHAMP数据的结果也证实了该结论。文献［8］对台湾屏东两次Ms7.0地震进行分析，结果表明震前5天震中附近的电离层高度和电子密度都有明显的下降。文献［9-14］利用GPS、IGS、DEMETER卫星数据分析了汶川Ms8.0地震前电离层参数的变化特征，发现震前后几天多个电离层参量均出现异常现象，在南半球磁共轭区也出现异常，且有向磁赤道飘移的趋势。

本文利用CODE GIM数据分析了2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日青海玉树地震震前电离层TEC的变化情况，考虑太阳和地磁活动水平，进而提取相应的震前电离层TEC异常信息。

2 汶川震例分析

利用CODE提供的2008年4月22日—5月22日的GIM数据，对每个点上的TEC进行异常检验。以前10天对应时刻TEC的中位数为中值，1.5倍标准差为浮动上下限，具体计算时，初始值由4月12—21日的数据计算得到。

为了考察震中(103.4°E，31.0°N)上空附近区域的电离层TEC的变化情况，挑选距离震中最近的格网点及该点东西南北方向的4个点作为异常探测点，分别为D1(105.0°E，30.0°N)、D2(105.0°E，25.0°N)、D3(105.0°E，35.0°N)、D4(110.0°E，30.0°N)、D5(95.0°E，30.0°N)。对每个点上的TEC进行异常检测，同时给出相应的表征环电流强度的Dst指数和表征平均地磁活动强度的Kp指数。

Dst指数表示全球环电流强度，目前普遍认为当Dst指数低于-50nT时，表示磁暴可能发生。其中，当Dst指数在-100 nT以下时，有可能发生大磁暴［1］。由图1知地震期间Dst指数处于较低的水平，因此基本可以排除地震期间中级以上磁暴发生的可能。Kp指数表征每3小时平均地磁活动的强度，每天的 Kp指数和大于30表示地磁活动强烈［1］。从图2中可以发现，Kp指数大部分都位于4以下，地磁活动水平较为平稳。因此磁暴和地磁活动对电离层的影响基本可以忽略。

图3给出了震中附近几个检验点的TEC变化情况。可以看出，D1震前第3天和第9天均出现了明显的正异常，震前第13天出现了较大幅度的负异常，相比而言，震前第3天的负异常相对较小。D2震前第3天可以观测到正异常，但幅度很小，震前第13天的负异常较为明显。D3只有震前第9天有明显的正异常。D4与D1情况基本相同。D5震前第13天的负异常较为明显，震前第9天的TEC与上限基本位于同一水平。考虑到Kp指数和Dst指数在震前20天内基本上位于较低水平，对几个检验点TEC变化情况的综合分析可以得出如下结论，震前第3天和震前第9天出现了明显的正异常，震前第13天出现了负异常，且异常持续时间都较长，可以认为是震前电离层扰动的前兆。

图1 汶川地震期间的Dst指数Fig.1 Dst index during the Wenchuan earthquake

图2 汶川地震期间的Kp指数Fig.2 Kp index during the Wenchuan earthquake

图3 检验点的TEC变化情况Fig.3 Changes of TEC at the testing points in the Wenchuan earthquake

为了进一步了解异常分布情况，分别对CODE发布的GIM数据逐点进行TEC异常检验，图4给出了5月9日0800UT—1200UT全球电离层TEC异常的分布。可以看出，0800UT时震中东南方区域出现了正异常，最大值达到了4.5TECU，距震中以南20°和以西40°的地方出现了负异常，其中震中以南的负异常最大为-6TECU，正、负异常区域的大小基本一致。与0800UT时刻相比，1000UT时负异常区域向西飘移且范围逐渐扩大，但异常程度有所降低，正异常主要分布在包括震中及震中以南的区域，大小和范围都明显增加，同时，在南半球磁共轭区域也出现了正异常，但大小和范围比北半球的略小。1200UT时，正负异常继续向西飘移，但正异常值的减小比较明显，范围也有一定程度的缩小。

图4 5月9日0800UT—1200UT全球电离层TEC异常分布情况(单位：TECU)Fig.4 Distribution of global ionospheric TEC anomalies from 0800UT to 1200UT on May 9th(unit：TECU)

3 青海玉树地震

2010年4月14日青海玉树发生Ms7.1地震，我们采用3月24日—4月23日的CODE GIM数据，利用跟汶川地震相同的数据分析方法，对玉树震前电离层TEC变化情况进行分析。选取的5个检验点分别为Y1(95.0°E，32.5°N)、Y2(95.0°E，27.5°N)、Y3(95.0°E，37.5°N)、Y4(100.0°E，32.5°N)、Y5(90.0°E，32.5°N)。

图5为玉树地震期间Dst指数分布情况，容易发现震前第7天Dst指数较大，最大达到了-70 nT，相当于中等磁暴的水平，震前第1天也达到了-50 nT。图6为对应的Kp指数分布，可以看出，震前第1、7、8天Kp指数较高，地磁活动比较强烈。

图5 玉树地震期间的Dst指数Fig.5 Dst index during the Yushu earthquake

图6 玉树地震期间的Kp指数Fig.6 Kp index during the Yushu earthquake

图7 检验点的TEC变化情况Fig.7 Changes of TEC at the testing points in the Yushu earthquake

图7中，Y1震前第12、19天出现了正异常，第1天TEC值达到了上限;Y2震前第12、19天出现了正异常;Y3出现异常的天数较多，除了第1、19天出现正异常外，还有第8、17、18天也探测到了正异常，第15天的TEC值达到了下限;Y4震前第1、12、19天出现了正异常;Y5与Y2情况相同。综上，可以认为震前第1、12、19出现了TEC异常，考虑到Dst和Kp指数的分布，由于第1天的太阳和地磁活动比较剧烈，不能肯定该天的TEC异常是否跟地震活动有关，且第19天的异常距发震时刻较远，也不能确定是由地震引起的，因此，可以认为第13天的异常为震前异常。这与文献［15］的结论基本一致。

图8给出了4月1日全球电离层TEC异常的分布。可以看出，0200UT时刻正负异常区域较多，且分布没有明显的规律，震中东南方出现正异常，在南半球磁共轭区域也观测到了正异常，但异常的幅度并不大，在4TECU左右。0600UT时刻正异常漂移到了震中附近，南半球对应的正异常分成了两部分，异常的幅度都有较大的增长，尤其是震中附近，达到了8TECU，且在南北半球的正异常之间还有负异常的出现，位于赤道偏北，由于距震中较远，不确定该负异常是否与地震有关。1000UT时刻异常区域继续向西漂移，南北半球各有一个正异常，但不同的是南半球的正异常在变大，而北半球的正异常无论在范围还是大小上都在逐渐缩小。

图8 4月1日0200UT—1000UT全球电离层TEC异常分布(单位：TECU)Fig.8 Distribution of global ionospheric TEC anomalies from 0200UT to1000UT on April 1th(unit：TECU)

4 讨论

利用CODE GIM数据分析了汶川和玉树两次地震前电离层TEC变化情况，以震前10天对应时刻的TEC中位数为基准，1.5倍标准差为限差，对两次地震震前的TEC进行异常检验，都发现了明显的异常，汶川地震正负异常均有出现，玉树地震只探测到了正异常。

尽管两次地震的研究表明可以尝试利用震前电离层扰动对短临地震进行预测，但是由于地震机理的复杂性及震前电离层扰动原因的不明确，利用电离层扰动对地震进行预测有明显的局限性。同时，如何选择异常的限值关系着异常信息的准确提取，且仍然未能解决确定震中位置的问题。因此，对于异常的探测方法和有效性还值得研究，可行的方法是联合其他地震前兆信息，如地磁、地电阻率的变化等，综合分析以预测可能发生的地震。

1 蔡军涛，等.地震期间电离层扰动现象研究［J］.地球物理学进展，2007，22(3)：695-701.(Cai Juntao，et al.The study on ionospheric disturbances during earthquakes［J］.Progress in Geophys，2007，22(3)：695-701)

2 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)：30-34.(Zhao Biqiang，et al.Recent adveaces on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior to Wenchun Earthquake［J］.Science＆Technology Review，2008，26(11)：30-34)

3 蔡军涛，等.地震前兆：电离层层异常［J］.地球物理学进展，2007，22(3)：720-728.(Cai Juntao，et al.Earthquake precursor：the anomalies in the ionosphericregion［J］.Progress in Geophys，2007，22(3)：720-728)

4 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，(1)：16-22)

5 林剑，等.基于GPS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 ionosphere TEC anomaly detected by GPS［J］.Chinese J Geophys，2009，52(1)：297-300)

6 Zhang Xuemin，et al.Ionospheric perturbations associated with the M8.6 Sumatra earthquake on 28 March 2005［J］.Chinese J Geophys，2010，53(3)：567-575.

7 Zakharenkova I E，et al.Anomalous modification of the ionospheric total electron content prior to the 26 September 2005 Peru earthquake［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2008，70：1 919-1 928.

8 Hsiao C C，et al.Ionospheric electron density anomaly prior to the December 26，2006 M7.0 Pingtung earthquake doublet observed by FORMOSAT-3/COSMIC［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2009，34：474-478.

9 张学民，等.汶川8级地震前空间电离层VLF电场异常现象［J］.电波科学导报，2009，24(6)：1 024-1 032.(Zhang Xuemin，et al.Ionosphere VLF electric field anomalies before Wenchuan M8 earthquake［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24(6)：1 024-1 032)

10 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 Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(6)：16-21)

11 曾中超，等.利用DEMETER卫星数据分析汶川地震前的电离层异常［J］.地球物理学报，2009，52(1)：11-19.(Zeng Zhongchao，et al.The analysis of ionospheric variations before Wenchuan earthquake with DEMETER data［J］.Chinese J Geophys，2009，52(1)：11-19)

12 林剑，吴云，祝芙英.震前电离层TEC异常扰动的研究［J］.武汉大学学报(信息科学版)，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)

13 Zhou Yiyan，et al.Anomalous variations of ionospheric VTEC before Ms8.0 Wenchuan earthquake［J］.Chinese J Geophys，2010，53(3)：556-566.

14 Zhou Yiyan，et al.Ionospheric anomalies detected by ground-based GPS before the Mw7.9 Wenchuan earthquake of May 12，2008，China［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2009，71：959-966.

15 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.1246.2011.0043.

ANALYSIS BASED IN CODE GIM OF IONOSPHERIC TEC ANOMALY BEFORE EARTHQUAKE

Liu Jun，Chai Hongzhou，Liu Changjian，Chen Ke and Chang Yifeng
(Institute of Surveying and Mapping，Information Engineer University，Zhengzhou 450052)

Pre-seismic ionospheric TEC anomalies of Wenchuan earthquake on May 12th 2008 and Yushu earthquake on April 14th 2010 were studied by using CODE GIM(Center for Orbit Determination in Europe，Grid Ionospheric Model)data.By considering the sun and geomagnetism activity levels(Dst index and Kp index)，the ionospheric anomalies were analyzed with median of TEC 10 days earlier as basic values and 1.5 fold standard deviation as error limit.The results show that TEC anomalies before both the earthquakes can be detected.

ionospheric;Total Electron Content(TEC);earthquake;anomaly;prediction

1671-5942(2011)06-0039-05

2011-03-24

解放军信息工程大学测绘学院硕士学位论文创新与创优基金

刘军，男，1987年生，硕士研究生，主要研究方向为测量数据处理.E-mail：geogesy2010@163.com

P228.4

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