用BP神经网络技术探测汶川地震前电离层NmF2异常扰动*

熊 晶 吴 云 林 剑

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉430071

1 引言

地震电离层前兆研究表明，大地震发生前，孕震区上空电离层F2 层最大电子密度NmF2(F2 layer peak electron density)和电离层电子密度总含量TEC(Total Electron Content)会出现异常变化［1－10］。但在这些研究成果中，电离层异常判断的背景值是基于震前多天观测值的均值，而这种异常判断方法无法保证背景值不会受到地震活动的影响，所以其准确性值得商榷。本文将采用BP(Back Propagation)神经网络技术，利用2006—2010年UCAR 公布的NmF2 数据，建立局部地区电离层模型，解算电离层NmF2，提供“干净”的电离层NmF2 参考值，以避免异常判断方法的弊端。

掩星观测与电离层测高仪、卫星电离层顶部探测、地基TEC 观测等电离层探测手段相比，掩星观测能够提供准实时、高精度、全天候的全球电离层三维电子密度数据，而且，相关研究结果表明掩星探测数据反演的电子密度剖面与非相关散射雷达和电离层测高仪观测结果一致［11，12］。目前，美国、德国、阿根廷等多个国家均有掩星计划在研或运行，而中国台湾地区与美国合作的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere and Climate)是迄今为止最成功的掩星计划［13］，它由6 颗在800km 处运行的低轨小卫星组成观测星座，在轨期间能提供每天最多约3 000 个掩星探测剖面，虽然现在卫星已到使用寿命，但其在轨6年累计的观测数据能为电离层模型的建立提供丰富的电离层电子密度数据，而且正在研制的COSMIC-2 系统，预计其数据观测能力将十倍于COSMIC-1。

为了研究2008年5月12日汶川7.9级地震前孕震区电离层电子密度的变化情况，我们选取UCAR 公布的2006-08—2010-12月电离层F2 层最大电子密度NmF2，建立以震中为中心，经纬向跨度为80° ×80°(10°S ～70°N，60°E ～140°E)的区域电离层NmF2 模型，解算震前孕震区上空各掩星NmF2探测点的模型值，通过观测值与模型值的比较，研究汶川地震前电离层是否出现异常变化。

2 BP 神经网络构建

选取年积日DOY、当地时LT、经度LON、纬度LAT 和F10.7 太阳活动指数FLUX 为网络输入，掩星观测点NmF2 为网络输出，利用MATLAB 神经网络工具箱构建BP 网络模型，以2006-08—2010-12月考察范围内的数据集训练网络。另外，由于在磁暴发生时期，COSMIC 数据误差较大，为了使模型更加精确，我们剔除磁扰时段(kp≤3)的数据。而且，在日出日落时段，电离层电子密度变化剧烈，故也将此时段的数据剔除。目前的研究显示，汶川地震前的电离层异常主要出现在当地时的下午时段，同时，为了避免过多的数据导致MATLAB 运算内存溢出错误，故只选取考察区域当地时12:00LT—17:00LT的掩星探测数据来训练网络。

另外，为了确保区域电离层模型的准确性，我们采用均方根(RMS，Root mean Square Error)描述网络的整体误差。其中，Oi 为观测值，Mi 为模型值，N为符合筛选条件的掩星NmF2 观测点的总数。经过比较各种网络参数的组合，例如:隐层层数及神经元个数、激活函数、学习速率、期望误差等，得出最优的网络参数组合，根据

得到对应的最小网络误差为:RMS=1.1×105el/cm3。

3 数据对比与分析

针对汶川地震前出现的电离层异常，目前的研究成果均基于TEC 数据［6－9］，而电离层NmF2 与TEC 有明显的正相关性［14－16］，于是可以将汶川震前TEC 的异常变化情况与NmF2 的变化情况相比对。相关研究表明，汶川地震前第3天(5月9日)当地时下午17:00LT 震中附近2 495km 半径范围内，震中南部及东南部上空TEC 出现明显的增强现象，幅度增大约40% ～50%。图1(a)黑色虚线圈内为NmF2 明显增大的区域，半径约为2 000km，两条蓝色实线之间的NmF2 观测点将用来代表震中所在经度带内NmF2 在不同纬度的变化情况;图1(b)表示震中附近3 个NmF2 观测点对应掩星事件的电子密度剖面显示的2008年5月9日12:00LT—17:00LT考察区域内的电离层NmF2 观测值与由BP 神经网络模型解算相应的NmF2 模型值之间的偏离程度，表示为:(O-M)/M，其中，O 为NmF2 观测值，M 为对应NmF2 观测点的模型值。从图1(a)可以看出，震中南侧大约475km(95km/° ×5°=475km)处，电离层NmF2 出现明显增强的现象(图1(a)中的3 号NmF2 点)，幅度约为50%，而离3 号NmF2 点西南向约100km 的处的2 号NmF2 点幅度增大不到10%，震中东侧大约2 000km(115km/° × 20°=2 300km)的1 号NmF2 点也出现增大的现象，增强幅度约为20%，在考察区域其他地区的NmF2 没有出现明显的异常，变化的幅度基本低于10%。

地震前第2天(5月10日)当地时下午时段，TEC 的变化幅度没有超过异常阈值(图2，(a)表示汶川地震前第2天(2008年5月10日)12:00LT－17:00LT 考察范围内的电离层NmF2 观测值与对应点模型值的偏差程度，黑色虚线圈内为NmF2 明显增大的区域，半径约为2000km，两条蓝色实线之间的NmF2 观测点将用来代表震中所在经度带内NmF2 在不同纬度的变化情况;(b)表示震中附近4个NmF2 观测点对应掩星事件的密度剖面)。与基于TEC 的研究结果不同的是，图2(a)显示NmF2 出现显著增大的现象，幅度达到50%。

图3(a)为4月28—5月19日震中所在的区域(10°S ～70°N ，83°E ～123°E，即图1、2 中蓝色实线之间的区域)，各天下午时段12:00LT—17:00LT 内NmF2 观测值相对模型值的变化情况。图3(b)为对震中所在的经度带以5°划分纬度，用各纬度区域内NmF2 偏离程度的均值代表该区域NmF2 的变化情况。图3(c)表示上述时期Kp 指数的变化情况，经查询国家空间天气监测预警中心的空间天气报告(http://spaceweather.cma.gov.cn/bulletin/month/)，虽然4月底至5月初没有发生小磁暴，但4月28—5月5日Kp 指数均在3 左右，说明地磁环境较为活跃，从图3(b)可看出，此段时间各纬度区域的NmF2 均出现明显扰动，5月3—5日电离层出现明显的正扰动，这与TEC 的异常分析结果相一致。而后直到5月19日，Kp 指数均在2 以下，说明地磁环境极为平静，但6—8日NmF2 出现明显的负异常，幅度约30%，而9日出现明显正异常，幅度达到40%，TEC 的异常分析也有类似的现象。另外，10日也出现明显正异常，幅度达到50%，这与TEC 的分析结果不同。

4 结论

图1 显示汶川地震前第3天(5月9日)震中附近上空电离层下午时段出现NmF2 显著增强的现象，相关研究表明，当天下午的TEC 及foF2 也有明显增强的现象。震前第6 ～4天(5月6—8日)出现一系列NmF2 减小的现象，同时，TEC 也出现类似的情况。与TEC 分析结果的一致性，说明采用BP 神经网络建立区域电离层模型的分析方法是可靠的。而5月10日的TEC 没有出现异常增大的现象，我们认为这有可能是与TEC 异常分析的方法有关，其异常判断的阈值基于当前观测值若干天前的观测值均值，则阈值很可能已经包含了地震活动对电离层的影响，而我们采用模型值作为异常判断的阈值，可以避免上述方法的弊端。

目前，关于地震电离层耦合效应的物理机理还没有定论，有研究证明，地震前孕震区岩石的微破裂可以产生大量正电子穴，大量的正电子穴足以影响孕震区的电磁环境，其产生的上升电场可以造成NmF2 和TEC 的显著减小［17，18］。但是，尚没有相关理论能解释地震前NmF2 增强的现象，有可能是孕震区存在下降电场造成，这需要进一步的研究和论证。综上所述，在空间天气平静的情况下，我们认为5月6—8日NmF2 减弱和5月9—10日NmF2 增强的现象极有可能与地震孕育活动有关。

致谢感谢COSMIC 数据中心CDAAC 和美国国家地球物理数据中心提供相关研究数据。

图3 NmF2 观测值与模型偏差情况的统计与Kp 指数Fig.3 Statiestics of the deviations between NmF2 observations and model values and the Kp index

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