基于GNSS掩星反演技术的电离层异常变化研究——以东日本地震为例

大丰市地震台 庄 涛

基于GNSS掩星反演技术的电离层异常变化研究
——以东日本地震为例

大丰市地震台 庄 涛

电离层是随时空变化而变化的复杂系统，它的扰动对短波通讯、地空和星间信息链路以及空间平台的运行都有重要影响；当扰动剧烈时，甚至会使系统的部分功能丧失。地震电离层异常探测已成为当前地震学和地球物理学的热点研究问题之一，已有研究结果表明，大震之前极有可能存在电离层异常变化，f0F2或TEC值的变化是电离层变化指数的主要考察对象。传统的监测手段受自然条件影响较大，而GNSS无线电掩星电离层探测技术则不受天气限制，能全天候、大范围的监测电离层的状态，所获资料全球发布均匀，具有较高的电子垂直分辨率。

一、大地震来临前的电离层征兆

历史监测数据表明，在地震发生前，震区上方电离层都会发生异常，据资料分析统计，地震来临前的电离层征兆特性主要表现在以下几个方面。

1.地震来临的前几天，震区上方的E层电子活动突然增多；D层电离也增加；F层电离层受影响的区域范围取决于地震震级，高于里氏7级的地震，其影响的经纬度范围超过40°。

2.在低纬度地区，包括赤道，地震–电离层感应会影响该维度地区的整体结构，促使它们发生变化。最常见的现象是赤道双冠顶向赤道漂移，直至不见。

3.等离子体密度会受地震干扰，这是一个地震来临前的征兆。一般在5 d内可检测到等离子体密度的变化，该变化有正负之分。

4.地震来临时，电离层参数较正常值的偏移时间段较短，只有4 ～ 6 h，很少有地震会超出这个范围。

5.地震时的电离层总电子（TEC）含量变化和临界频率变化一样。

6.受影响最大的电离层区与震中在电离层上的垂直投影不重合，中高维度地区则会偏向赤道方向。

7.等离子体垂直分布在地震中的改变，会使电离层标高增加，这个变化主要与电子质量的改变及平行粒子流有关。

8.地震对于电离层的影响情况主要取决于地震的震级及受震范围，孕震区的电离层异常变化情况；在不同的经纬度也会有所不同。

无线电掩星电离层探测技术的出现解决了诸多难题，该技术能反演得到电离层密度剖面。GPS卫星的信号传到低轨卫星，有时会被地球挡住从而中断，有时则能正常接收，这种现象被称为掩星，这跟日常生活中的日升日落相似。掩星的路径首先是GPS卫星发出信号，该信号再被LEO卫星上的GPS接收机接收。信号所经过的路径中，掩星路径可能有多条，它们的偏移与LEO卫星和GPS卫星运动情况有关。

二、Abel积分反演推算

Abel积分算法简单，应用领域很广，天文学上常利用它来进行银河系径向质量分布求解。在研究电离层时，同样可以根据GPS卫星发射信号传播路径的弯曲角、倾斜路径上的总电子含量（STEC）来用Abel积分反演技术推算出电离层的电子垂直密度分布。进行GPS信号传播路径弯曲角求解时，先要根据附加相位延迟，计算出弯曲角；之后才能反演出电离层电子密度。但是实际情况下，这种弯曲角往往很小，在F层中最大也不会超过0.03°，这使得利用弯曲角反演电子密度的方法在精度方面不是很理想，所以，笔者更倾向于采用已知的STEC数据来反演电子密度，它将GPS信号传播路径的弯曲度忽略不计，假设路径为直线并利用延迟信号量来推算总电子含量，之后即可通过Abel算法反演出电子密度轮廓线，信号传播路径如图1所示。

计算STEC的公式如下：

式（1）中，T为传播路径上的总电子含量（STEC），N为电子密度，n为折射指数，S为附加相位延迟。

由于不计信号传播路径弯曲度，所以信号L1与L2的传播路径都相同，均是直线，利用附加相位延迟计算得到的STEC均相等。此法能消除卫星钟和卫星轨道双误差，不需要地面站再矫正，快捷实时。公式如下：

式（2）中，s1和s2分别为信号L1与L2的附加相位延迟，f1和f2分别为信号L1与L2的载波频率。

GPS信号从GPS卫星到LEO卫星传播路径上的总电子含量T（p）的求解公式如下：

式（3）中，lLEO为信号到LEO卫星的距离，lGPS为信号到GPS卫星的距离，Ne（r）为距离信号r处的电子密度，r为测点到信号的距离，p为碰撞中心距。

在局部球对称假设下，STEC的Abel积分可变换为

此法不计卫星轨道高度以上的电子，Abel积分反演推算后得到如下结果：

三、东日本地震电离层异常变化分析

1.数据获取。本文，笔者采用的掩星数据、空间物理交互数据资源、相对VTEC扰动数据主要来自美国大气研究大学联盟（COSM IC）数据分析与存储中心、日本学术振兴会的有关统计数据。这些数据源自对震区震中位置周围40°经纬度范围内，时间从2011年3月2日跨至2011年3月13日。查阅地磁Dst指数，太阳10.7 cm射电流量（F10.7）和太阳黑子的历史数据。通过对比发现3月2日到3月10日电磁活动较为平静，10日至12日地磁发生扰动，一度达到小磁暴水平。

2.电离层f0F2分析。笔者主要选取了5个检测点的数据，利用Abel算法进行反演分析，来观察f0F2的异常变化。所选5个检测点与震中的大圆距离均小于2 000 km，其中3个检测点位于环太平洋地震带上（有2个位于日本国内，1个位于其周围海上），另外2个位于地震带外。对5个检测点演算数据进行对比分析可知，日本国内的2个检测点在5日至11日内f0F2的最大值没有特别的波动，但异常扰动很明显，两点之间的演算数据相关性较强。其他的3个检测点的f0F2最大值均有很明显的变化，8日达到峰点。日本本土2个检测点的f0F2月中值在8月13号前2 h内均有短暂的总体增强和瞬时下降的现象，其中涨幅达20%，跌幅达100%，这个现象即是典型的电离层行波式扰动。将各检测点的hm F2数据和俄罗斯Khabarovsk重测站的观测数据进行对比分析后发现，2个本土站点的行波式扰动现象极有可能是地震期间的大气声重力波向上传播对电离层进行干扰而造成的，而其他时间内短暂的下降则可能与由地震引起的扩展F有关。由于这2个站点都位于同一地震带上，所以它们的扰动现象十分明显，而其他3个站点并未有明显的扰动现象。

四、结论

结果显示，所选取的5个检测点中，2个点的扰动现象非常明显，其余3个点的扰动现象较弱。因而，扰动现象的发生可能取决于检测点与震中点的地理位置，地震–电离层感应存在较强的区域相关性，感应机理为沿地震带耦合机理。