中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

闫相相 单新建 曹晋滨 汤 吉 刘 展 王振杰

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国石油大学(华东)，地球科学与技术学院，青岛 266580

3)北京航空航天大学，宇航学院，北京 100191

0 引言

近年来，地震空间电磁电离层扰动的研究成为热点，主要集中在大量的震例分析和地震电离层效应的耦合机理研究，取得了一定的成果。扰动参数主要分为低频电磁辐射(VLF/ELF/ULF)、等离子体(电子浓度、离子浓度、电子温度、离子温度等)和高能粒子(通量、能谱、计数率等)等几大类。而在此基础上关于地震电离层耦合机理的研究也有一定进展，概括起来主要为:孕震区应力变化、微破裂和流体扩散等作用，有可能通过电磁(Freund et al.，2004;Takeuchi et al.，2006)和化学(Pulinets，2009)等不同方式而导致孕震区上空产生扰动电场，并可通过大气层传播到电离层;传播到电离层高度的扰动电场对电离层主要产生2种作用，一种是E×B漂移作用(Kuo et al.，2011)，另一种是激发声重波(Acoustic Gravity Waves，AGW)而导致电离层变化(Hegai et al.，2006)。

GPS技术除应用于地震学的研究之外，还被广泛应用于电离层的观测与研究，因此为地震电离层扰动的研究提供了技术支持。在震前电离层扰动研究中，以对电离层TEC(Total Electron Content)的异常研究最为广泛。Calais等(1995)研究发现，在1994年1月17日Northridge地震之后10～30min内电离层TEC时间序列有异常扰动出现;Liu等(2001，2009，2010)分别利用GPS数据研究了几个典型震例，发现台湾集集地震前1、2和4天分别出现TEC减少的现象，并伴随赤道异常峰向赤道方向移动，汶川地震前3天TEC出现异常增强以及2004年苏门答腊9.3级地震前5天电离层TEC有异常减弱的现象。此外，2011年日本3.11大地震前同样有关于电离层TEC扰动的研究报道(Heki，2011;闫相相等，2013)。另一方面，Liu等(2004)统计分析了1999—2002年台湾地区M≥6.0地震期间TEC变化，发现震前1～5天TEC显著减少。Le等(2011)对2002—2010年全球736个6级以上地震进行统计分析时发现，震前几天TEC出现异常的概率明显增加，而且异常概率与震级和震源深度有关。

当然，围绕着地震电离层扰动的研究仍存在一些争议。尤其是电离层本身有着复杂的周日变化，如何确定不同形态的电离层扰动是否与地震有关。此外，有关地震前电离层TEC扰动的研究大多集中在震例研究和统计分析上，即研究时段都集中在地震前后10多天。而关于某一固定研究区域伴随着多次地震的电离层TEC长时间序列分析的研究目前仍鲜有报道。Astafyeva等(2011)曾利用GEONET(GPS Earth Observation Network)数据对2008年日本境内的5次6.8级以上地震期间电离层TEC异常扰动进行分析并指出，没有发现这5次地震前后有明显的与地震相关的电离层扰动现象。而中国西南地区为地震多发区，其上空的大气圈处于电离层赤道异常区(equatorial ionization anomaly，EIA)的北驼峰位置，这一区域的电子浓度较大，对电磁场的响应也相当灵敏。因此，有必要对中国西南地震多发区的电离层TEC扰动情况加以分析，进一步深化对地震电离层异常扰动的研究。

1 数据情况

1.1 地震数据

不同震级对应孕震区的范围不同，并存在经验公式R=100.43M(R是孕震区半径，M为震级)(Dobrovolsky et al.，1979)。2008年4—10月中国西南地区发生6次6.0级以上地震(图1，表 1)，地震参数来自 USGS(United States Geological Survey)(http:∥earthquake.usgs.gov/regional/neic/)。针对以上震例，其孕震区半径为380～2400km，因此选取85°～105°E，25°～45°N作为研究区域，能够比较好地涵盖其孕震区范围。

1.2 GPS数据

中国地壳运动观测网络(Crustal Movement Observation Network of China，CMONOC)是以GPS观测技术为主，结合精密重力和精密水准测量构成的大范围、高精度、高时空分辨率的地壳运动观测网络(http:∥www.igs.org.cn)。本文选取了14个GPS站点的观测数据(图1a)，用以解算中国西南地区电离层TEC分布情况。

国际全球导航卫星系统服务中心(International GNSS Service，IGS)提供全球范围内的电离层TEC地图数据(Global Ionosphere Maps，GIM)，用以监测全球范围的TEC变化(ftp:∥cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex)。其空间分辨率为 2.5°(纬度)×5°(经度)，时间分辨率为2h。该数据为研究全球大尺度电离层结构和变化提供了基础数据。本文中选取了该数据，用以分析TEC全球变化特征。

图1 2008年4—10月中国西南区域6次MW≥6.0地震(红色圆圈)和中国地壳运动观测网中14个GPS台站(黑色三角形)分布(a);“检验区”地理位置和GPS台站(黑色三角形)分布(b)Fig.1 Epicenter distribution(red circles)of the 6 earthquakes with magnitude above 6.0 during April to October 2008 as well as the 14 GPS receivers(black triangle)from CMONOC(a)，and the“check-region”with the GPS receivers from IGS(b).

表1 2008年4—10月中国西南区域6次MW≥6.0地震参数Table1 The information of the selected 6 earthquakes with magnitude above 6.0 during April to October 2008 in southwest of China

此外，还选取了美国加州大学圣地亚哥分校提供的GPS观测数据(图1b)(ftp:∥garner.uscd.edu/pub/rinex)，用以对比分析研究。

1.3 太阳和地磁活动指数

影响电离层扰动的因素很多，包括太阳活动、地磁活动和天气变化等。为了提取与地震有关的电离层扰动信息，需要尽可能排除其他空间方面的影响。本文中，Kp指数和Dst指数来自World Date Center for Geomagnetism;行星际磁场南向分量IMF Bz数据由Space Physics Interactive Data Resource提供;太阳EUV辐射通量数据则来自Solar and Heliospheric Observatory。

2 GPS获取高精度TEC及异常检验方法

2.1 GPS获取高精度TEC方法

电离层TEC的测量利用了GPS双频观测(f1=1.57542GHz，f2=1.2276GHz)的原理，即卫星信号穿过电离层时，2个频率的载波与信号会以不同的相速度和群速度传播，因此接收机接收到的GPS卫星观测数据将包含有电离层TEC的信息。

斜TEC(STEC)是电子密度沿各卫星信号传播路径上的积分，根据电离层折射公式可得(Klobuchar，1991):

式(1)和(2)中:STECL为差分伪距观测得到的传播路径上的积分总电子含量，即绝对TEC;STECP为差分载波相位观测得到的传播路径上的积分总电子含量，即相对TEC;P1、P2为GPS测量伪距;L1、L2为GPS载波相位;λ1、λ2为GPS载波波长;K为与等离子体频率和电子密度相关的常数，值为 80.62m3s－2。

比较以上2种测量精度可知，差分载波相位测量所得的STECP比差分伪距测量的STECL精度高很多，但STECP含有一个未知的初值参数，只能得到TEC的相对变化。为了获取高精度TEC，依据最小二乘原理，利用载波相位观测量平滑伪距观测量。公式如下(Klobuchar，1991):

式(3)中:STEC为计算得到的传播路径上的斜向TEC值;N为载波相位相连的数据弧段上的测量历元数。

以上得到了电离层电子密度沿卫星信号传播路径上的积分，即STEC(斜向TEC)。为了更方便地分析TEC变化以及区域TEC的分布和形态，通常采用电离层等效薄层模型，即将电离层的带电粒子看成集中在与地球同心的一薄层壳中，典型高度取值为350～450km。根据此模型，可以将卫星信号观测值转换为穿透点处(卫星信号传播路径与电离层等效薄层的交点)的物理量，即把斜向STEC转化成穿透点处的地球表面垂直线上的TEC(VTEC)(Banyail，1997):

式(4)中:θ为观测路径与电离层等效薄层模型交点处的仰角;re为地球平均半径，取值6371km;hion为电离层平均高度，取值350km。

2.2 TEC异常检验方法

采取滑动四分位法来提取TEC异常信息，即在分析某一天的数据时，取其前15天同一时刻的滑动中值(用M表示)作为背景值，并计算四分位距(IQR)。分别定义UB=M+1.5×IQR和LB=M－1.5×IQR为TEC异常事件的上下判定界限，即当某一个时刻的TEC值高于上限和低于下限时，认为有TEC异常事件发生，该异常检验的置信度为85%。此外，考虑到电离层TEC的逐日变化，以当日观测数据的1/3观测数量范围作为当天异常阈值，即当某日的观测数据中异常值数目超过日观测量的1/3时，这一天为异常天。

3 结果分析

3.1 太阳和地磁活动分析

图2显示了2008年4月25日至10月9日(DOY115～283)期间太阳和地磁活动指数变化情况。总的来看，在此期间太阳和地磁活动基本趋于平静，第248天出现一次中等磁暴(Dst＜－50nT)，第167、194、223和276天出现小磁暴(Dst＜－30nT)活动，没有大磁暴发生。根据Liu等(2010)关于电离层暴在赤道异常峰的形态统计分析可知，一个中等磁暴对TEC的影响可以持续1～4天。从行星际磁场南向分量IMF Bz变化(图2b)可以看出，分别在第168、194、222和248天出现了Bz转向事件(Bz接近－10nT)。地磁活动主要受控于行星际磁场S向分量，所以这几次事件与Dst指数和Kp指数变化有非常好的一致性，即Bz分量负值越大，Dst负值越大，Kp数值越大(图2c，d)。从太阳EUV辐射通量变化可知(图2a)，在第136～139天存在峰值，而这种变化可导致此后4～5天的电离层TEC日变化(Afraimovich et al.，2008);另外一次小幅度的EUV辐射增强则发生在120～123天。

图2 2008年4月25日至10月9日(DOY 115～283)太阳和地磁活动指数Fig.2 Variations of the solar EUV flux(a)，IMF Bz component(b)，index of geomagnetic activity Dst(c)and planetary index Kp(d)during the period from 25 April to 9 October(DOY 115～283).

根据14个台站的GPS观测数据分别解算其TEC时间序列分布，并求其平均，然后根据异常提取的滑动四分位法求解异常分布情况，结果如图3所示。从以上空间天气活动情况以及其对电离层影响的分析可以看出，电离层TEC的扰动变化和太阳及地磁活动有很好的对应关系，并可以判断:第120～124天的TEC扰动是受到第120～123天EUV辐射作用的影响;第140～144天(143天数据缺失)TEC的连续增强同样是受到第136～139天EUV辐射作用的影响;第167～170、194、196、223～224、248～251、276～280天TEC的正扰动则是明显受到行星际磁场南向分量增强和由此引发的磁暴活动的影响。并且，以上异常出现的时间基本上都相隔27～29天，与太阳27天自转周期一致。另一方面，Astafyeva等(2011)利用GEONET数据得到了日本境内的5次6.8级以上地震时间范围内电离层TEC异常扰动的结果，将该结果与图3的结果进行比较发现异常分布基本一致，更说明了以上TEC异常属于太阳和地磁活动的结果。

图3 2008年4月25日至10月9日(DOY115～283)研究区域内电离层TEC时间序列及异常分布Fig.3 Time series of TEC within the earthquake preparation area.

3.2 震例分析

除以上所述电离层扰动之外，结合6次地震发生的时间(图3中黑色粗线所示)可以看到:1)5月12日(DOY133)汶川MW7.9地震(事件#1)之前，在5月6—9日TEC出现了连续的负扰动，在5月9日08～10UT出现了正扰动;其中负扰动幅度为20%，正扰动幅度为15%～22%;2)8月5日(DOY218)MW6.0地震(事件#3)前，在7月30日04～05UT出现了TEC增强，幅度约15%;3)8月21日(DOY234)MW6.0地震(事件#4)前，8月18日14～17UT同样有TEC的增强;(4)8月30日(DOY243)MW6.0地震(事件#5)前后，8月26—27日世界时夜晚也出现了TEC增强的现象。虽然以上地震前的电离层TEC扰动发生的时间内太阳和地磁活动平静，但也不能盲目地判断以上异常与地震有关，因为电离层还可能受到热层、大气层、潮汐、重力和行星波等因素的影响，需要进一步判断以上异常发生的空间范围。

3.2.1 震例#1

图4 2008年5月6—8日(DOY127～129)06～08UT和5月9日(DOY130)08～10UT期间DTEC分布Fig.4 Global distribution of DTEC during 06 to 08UT from 6 to 8 May and 08 to 10UT on 9 May，2008，respectively.

利用IGS提供的全球范围内的电离层TEC地图数据，用实际观测值减去此前15天的滑动中值计算了以上几次地震前的TEC差值(即DTEC)的空间分布情况。图4显示了2008年5月6—8日06～08UT和5月9日08～10UT期间DTEC分布。可以看出，在震中附近90°～120°E和15°～30°N内，在5月6日、7日06～08UT，TEC出现异常减少，幅度为15～20TECU，5月8日和9日负扰动不再明显;而5月9日08～10UT期间TEC出现异常增强，幅度为10～15TECU。扰动范围基本在震中南部区域，呈椭圆形，受到北半球赤道异常区控制，整个异常区有向西漂移的趋势;换算成距离，纬向为1100～1670km，经向为1600～3700km，扰动的峰值距震中为700～900km。另外可以看出，异常区存在明显的关于磁力线共轭的现象，且北半球异常幅度大于南半球磁共轭地区。孕震区激发的低频电磁辐射传播至低轨卫星位置有2种可能路径(Pulinets et al.，2004)。一种是电磁波由地下扩散到大气－电离层波导，沿波导传播并向上扩散到达卫星位置。另一种是电波扩散到大气－电离层波导后，沿波导传播至接收点的“磁共轭点”，然后沿地磁场磁力线方向传播，经过高电离层和磁层到达卫星位置(潘威炎，2004)。因此，一方面导致了卫星观测到的异常区偏离震中一定范围，即在中纬地区会向赤道方向偏移;同时异常区还可能会沿磁力线在震中磁共轭区出现。

有关汶川地震前的电离层TEC异常变化研究，国内外已经有了非常多的报道(Zhao et al.，2008;Liu et al.，2009;Yu et al.，2009;林剑等，2009;Akhoondzadeh et al.，2010;Yan et al.，2013)，我们的计算结果也与之前的报道基本一致，在此不再赘述，尤其是5月9日的电离层TEC增强现象一度成为讨论的热点。

3.2.2 震例#3

图5显示了2008年7月30日02～06UT期间DTEC分布情况。可以看出在04UT时刻，在100°～125°E和15°～30°N范围内，电离层TEC呈现了明显的区域性正异常现象，增强幅度为10～14TECU，其他时刻则无明显变化。扰动范围呈椭圆形，受到北半球赤道异常区控制。换算成距离，纬向大约1600km，经向大约2000km。另一方面，根据上文提到的孕震区范围大小，MW6.0地震的孕震区半径约380km，而以上异常扰动区范围则远大于孕震区半径，其形成原因还需要进一步加以分析。

图5 2008年7月30日(DOY212)02～06UT期间DTEC分布Fig.5 Global distribution of DTEC during 02 to 06UT on 30 June，2008.

3.2.3 震例#4

图6为2008年8月18日14～18UT期间DTEC变化情况。可以看出在此期间TEC大范围增强，幅度约5TECU。结合图2中南向行星际磁场IMF Bz的变化可知，在231天10～11UT时段内，－10nT＜IMF Bz≤－5nT。Russell等(1974)研究中等强度磁暴(－100nT＜Dst≤－50nT)时指出，相应的南向IMF的强度和持续时间分别为Bz≤－5nT和Δt≥2h。因此该时段内IMF Bz的负值强度足以引发图6中3h后的TEC全球范围扰动，造成图3中所示的区域电离层TEC强度高于其前15天背景值。

3.2.4 震例#5

针对8月30日MW6.0地震前240和241天世界时夜间出现的TEC增强现象，同样分析了在此期间的全球DTEC分布情况，如图7所示。可以看出，在此期间TEC变化较为稳定，从图中没有发现明显的TEC区域性扰动。大量的震例和统计分析结果表明(Liu et al.，2004，2009)，震前电离层TEC扰动较为明显的时间一般集中在世界时04～10UT，而并非图3中出现小幅正扰动的18～22UT时段。所以此次地震前也没有观察到明显的TEC扰动现象。

3.3 “检验区”TEC异常变化分析

为了进一步验证研究时段中电离层TEC的异常变化是否与地震有关，选取了“检验区”来进一步加以分析。检验区的选取原则为:1)与图1a中研究区域处于相同的地磁纬度范围(10°～30°N);2)在研究时段内没有强震(MW≥5.0)发生;3)有较为密集的GPS台站。因此，所选取的检验区范围如图1b所示，其中包含18个GPS观测台站。

图6 2008年8月18日(DOY231)14～18UT期间DTEC分布Fig.6 Global distribution of DTEC during 14 to 18UT on 18 August，2008.

图7 2008年8月26日和27日(DOY239～240)18～22UT期间DTEC分布Fig.7 Global distribution of DTEC during 18 to 22UT on 26 and 27 August，2008，respectively.

采取与图3一样的异常提取方法，将研究时段“检验区”内GPS台站观测到的电离层TEC均值的时间序列和异常分布情况显示在图8中。可以看到，分别在第137～143、167～169、194～197、222～223、248和276～278天出现了较为明显的TEC正扰动，这与图3的结果非常一致。进一步说明了这些扰动是受到太阳和地磁活动的影响，具有全球性的特点。除此之外，从图8中还可以看到，在2008年8月21日MW6.0地震前231和232天在检验区同样观测到一定程度的TEC增强现象，进一步证实了图3中231天出现的正扰动并非受到地震因素的影响。

图8 2008年4月25日至10月9日(DOY115～283)期间“检验区”内电离层TEC时间序列及异常分布Fig.8 Time series of TEC within a“check-region”in the area(30°～50°E，15°～35°N).图中红色区域代表正扰动，蓝色区域代表负扰动，黑色粗线代表表1中6次地震的发震时刻

4 讨论与结论

利用中国地壳运动网络提供的GPS观测数据，获取了高精度电离层TEC分布，分析研究了中国西南区域2008年4—10月6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC的长时间变化;并在此基础上利用GIM数据分析了全球TEC的变化特征。结果发现，除汶川地震外，其他地震前没有发现明显的“地震电离层异常”现象。

在所选取的时间范围内太阳和地磁活动水平较低，为地震电离层扰动研究提供了较为理想的研究时段。由于电离层主要受太阳和地磁等空间天气的影响，将TEC扰动变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行比较后发现，该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性。比如，第140～144天(143天数据缺失)TEC的连续增强是受到第136～139天EUV辐射作用的影响，其扰动具有全球特征，而非5月25日(146天)MW6.1地震所致。此外，持续较长时间的南向行星际磁场扫过地球时，在磁层顶和地球磁场发生磁重联，相应的晨昏向电场会导致地磁暴的产生，进而影响电离层。Russell等(1974)研究中等强度磁暴(－100nT＜Dst≤－50nT)时指出，相应的南向IMF的强度和持续时间分别为Bz≤－5nT和Δt≥2h。因此，结合图2和图3，可以判定第167～170、194、196、223～224、248～251、276～280天的几次TEC正扰动发生在行星际磁场南向分量IMF Bz负值增强和由此引发的磁暴活动之后。

由于电离层是一个复杂的系统，其扰动具有多源性，如电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程以及地震、核爆等，都可对其造成一定的影响，引起电离层扰动。如电离层突然骚扰、电离层暴、电离层行扰等都是发生频率很高的电离层扰动现象。有些地震孕震期间虽处于空间天气平静日，但电离层的逐日变化亦常会达到较大幅度;同时低层大气的某些活动如暴雨、台风、潮汐等同样会对电离层造成影响。因此对于如何确定电离层异常与地震的关系仍是一项具有很大挑战性的课题，需要展开天地一体化联合观测，并在机理上加强研究。

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