由GPS探测的大地震前TEC异常扰动

李 旺，郭金运,2，于学敏，于红娟

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，山东 青岛 266590)

0 引 言

地震是地壳快速释放能量过程中产生的震动，常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、海啸、滑坡等自然灾害，对人类生命财产安全造成严重的威胁。由于地震产生机制的复杂性，地震预报一直是全球性的难题，目前对于地震预报的研究仍处于探索阶段。研究结果表明，地震不仅能对地球表面造成影响，而且能使大气及电离层产生异常[1-2]。随着卫星技术的日益成熟，利用高精度的电离层观测资料来进行震前电离层异常分析成为现实。

目前研究结果表明：一般在震级大于5级的地震发生之前的几小时到几天之内，震中附近区域电离层会有较为明显的扰动现象[3]，因此利用电离层的异常变化来进行地震研究是一种有效的方法。然而影响电离层扰动的因素很多，比如太阳活动、地磁场的变化等都会使电离层产生扰动现象，正确及时的把地震前兆信息从电离层扰动现象中提取出来是利用该方法的核心问题[4],对此科研工作者进行了大量的试验，Leonard 和Barnes研究1964年阿拉斯加大地震时发现有电离层扰动现象[5]，Liperovsky等对1985-1990年的地震研究发现，太阳活动强烈的年份ES层扰动次数明显比其他年份少，并且震前三天ES层扰动次数明显增加，震级大于5.5的地震前有扰动现象的机率大于95%[6]。Liu等对1994-1999年间台湾地区M6.0级以上的地震研究发现，震前1～6天，当地时间12∶00-17∶00电离层f0F2相对其15天中值有较明显的下降，并将此现象作为地震前兆来预报地震[7]。进入新世纪后，随着卫星技术的发展，利用卫星数据进行地震监测成为主流，吴云等对亚洲三次大地震TEC变化的统计发现，临震前10天内，孕震区域上空TEC均发现了明显的异常扰动[8]，姚宜斌等对2010年全球7次M7.0以上地震研究发现，7次地震中有5次发生了显著的电离层异常，并且震前电离层正负异常均有可能发生，对应的磁共轭区也有异常出现，但是概率和幅值均低于震中附近区域[9]。Lin等运用非线性主成分分析发现汶川地震前TEC异常扰动确实存在，且峰值点在UT 02∶00-UT 04∶00之间[10]，Tsugawa等对2011年3月11日东日本大地震研究发现震后几分钟内，震区电离层有短时异常扰动，异常区域中心在震中东南170 km处[11]，Mullayarov等对东日本大地震的研究表明震前3天确实有地震造成的异常扰动产生，同时震前12～14天也有可能异常产生[12]。以上大多研究单个地震前的TEC扰动，且其背景值的选取具有随意性，本文利用CODE提供的TEC数据，分析了同纬度带上2008年5月12日四川汶川地震和2011年3月11日日本大地震前TEC的变化情况，比较两次地震前TEC异常的共同点及不同之处，并根据电离层的变化特征，合理的选取背景值，在排除其他可能造成TEC扰动的因素外，提取震前TEC异常扰动信息。

1 数据情况

本文采用欧洲定轨中心(CODE)提供的全球电离层TEC资料(数据来源网站：ftp://ftp.unibe.ch/aiub)，CODE位于瑞士伯尔尼大学天文学研究所里面，是IGS的7个分析中心之一。自1998年4月1日开始，CODE利用分布全球跟踪站的双频GPS接收机的码和相位观测资料，解算得到TEC，目前CODE提供的全球电离层TEC地图数据(GIM),空间分辨率为5°(经度)×2.5°(纬度)，时间分辨率为2 h，对全球每个网格点TEC进行异常探测，TEC是信号传播路径上电子密度的线积分，表示该方向上电离层电子总数量，是研究全球电离层大尺度方向上变化的基础数据[13-14]，地磁和太阳活动数据分别采用中科院空间中心提供的赤道地区地磁活动指数Dst、全球地磁活动指数Kp和F10.7太阳辐射流量(网址：http://159.226.22.201:9010/Portal/)赤道地区地磁活动指数Dst主要用来表征中低纬地区地磁活动的状态，数据分辨率为1 h，可以描述环电流扰动场DR的强度，地磁平静状态下Dst指数一般为-20 nT～20 nT，全球地磁活动指数Kp用来描述每个3 h内地磁扰动强度的指数，共分9个等级，地磁平静状态下Kp指数一般小于3，F10.7太阳辐射流量是和太阳黑子一样用来表述太阳活动强弱的常用指标，F10.7是指波长10.7公分的无线电波，接近被观察的太阳电波的辐射位置。其扩散度来自于日冕活跃区被磁场拘束的电浆的辐射热，能够良好的表现出太阳活动的强度，通常取值在60～300之间[15]。

2 汶川地震TEC异常扰动检测

北京时间2008年5月12日14时28分04秒，我国四川省汶川县(31.01°N，103.40°E)发生里氏8.0级地震，震源深度14 km，是建国以来影响最大的地震，破坏力极大，直接严重受灾地区达10万平方公里，造成严重的损失。震前数天，我国各地电离层观测站均探测到扰动现象。利用CODE提供的格点数据文件，插值求出震中位置(31.0°N,103.4°E)上空的电离层TEC，采用各时段前27天同一时刻的TEC做其背景值，利用滑动四分位法，对震中区域的电离层进行异常探测，探测时间为震前一个月及震后三天，结果如图1所示。

由图1(a)可以看出，震前后F10.7太阳辐射流量并没有太大的变化，大约在75 SFU左右，这表明，在汶川地震前后的这段时间内，太阳活动并没有显著的变化，可以排除其造成电离层的异常扰动的可能；1(b)显示震前后这段时间，地磁Dst指数有明显的变化，在震前29天、26天、23天、7天左右约有-20 nT的负扰动，而在震前16天左右，Dst指数变化达到了约-50 nT,可能发生了中小等级磁暴，1(c)给出了全球地磁活动指数Kp指数的变化，震前26天、10天处Kp指数约为4，震前19天Kp指数达到了6左右，这表明这几天全球范围有较弱的地磁活动。与此对应的，汶川地区电离层TEC的变化也与地磁活动有着关系，图1(d)给出了汶川电离层TEC的变化曲线和判定TEC是否异常的上下边界，可以看出，大部分时间内，TEC的观测值都处在上下边界之内，表明此时TEC的变化处在正常范围内，不存在异常扰动，而在某些时刻，浅色的观测值明显超过大于上边界或者小于下边界，其异常值如1(e)所示，在震前27天、25天、18天、6天、3天附近处有着较小的扰动，扰动范围在-2～2 TECU之间，而在震前14天附近处有着较大的扰动，其扰动值为-4 TECU左右。这些TEC异常扰动大部分与地磁活动有关，对比图1(b)、1(c)和1(e)可以发现，除了震前3天外，其它时刻TEC异常扰动的前1～2天内全球地磁活动都发生了扰动变化。如震天16天，Dst指数达到了-50 nT左右，震前14天，TEC扰动变化达-4 TECU.震前3天附近，TEC也约有-2～2 TECU的扰动，但其前几天的地磁及太阳活动都处于非常平稳的状态(F10.7<80 SFU,Kp≤3，20 nT>Dst>-20 nT)，这可能与孕震期间的地球内部变化有关，为了更直接的观察此时刻的电离层变化，图2和图3分别示出了5月6日(震前6天)和5月9日(震前3天)全球TEC扰动分布结果。

图1 2008年4月12日～5月15日期间太阳活动、地磁活动及汶川地区电离层的信息(a)F10.7太阳射电通量日变化;(b)地磁Dst指数日变化;(c)地磁Kp指数日变化;(d)汶川电离层TEC变化曲线; (e)汶川电离层TEC震前后的异常值(横坐标为0的时段表示汶川地震的当天，浅线表示地震发生的时刻)

如图2所示，异常大约从UTC6时开始出现，异常值比较小，最大异常值约-3.5 TECU；UTC8时，异常峰值的范围和幅度达到了最大值，异常的范围位于110°～130°E，15°～25°N，异常最大值位于118°E，23°N，出现在汶川东南的中国东南地区，最大异常值达到了-6 TECU，同时震中的磁赤道共轭区也出现异常现象，磁赤道共轭区的异常范围比较小，出现在印尼的巴厘岛附近海域，大约在115°～125°E，5°～15°S，且峰值较小，最大峰值约为-4 TECU；UTC10时，异常区域开始减小，且异常区域向西缓慢移动，最大异常峰值为-5 TECU，同时对应的磁赤道共轭区的异常现象消失；至UTC12时，震中附近的异常区域基本消失，异常位置靠近震中偏向赤道方向，异常持续时间约为6 h左右，同时在全球的其它地方也出现局部扰动，例如巴伦支海、印度半岛南部海域和墨西哥地区出现增强，增强幅度约为2.5 TECU，加大拿东部海域和澳大利亚南部海域出现减小现象，幅度约为-3 TECU.

如图3所示，UTC 8时，汶川以东区域出现局部异常，范围较小，大致在115°～130°E，25°～35°N，最大异常峰值为3 TECU,此后异常逐渐增大，并缓慢向西移动；UTC10时，异常峰值的范围和幅度达到最大值，范围在90°～135°E，20°～35°N之间，覆盖中国南部及东海大部分区域，异常值在110°E，27°N处，最大峰值达到9 TECU，同时在震中的磁赤道共轭区也出现异常现象，范围较小，大致在105°～120°E,5°～15°S区域内，异常峰值为5 TECU；UTC10时，异常区域几乎消失，只有在四川及青藏高原部分地区有少许异常扰动，异常扰动量也只有2～3 TECU，此时对应磁赤道共轭区的异常扰动也消失；至UTC12时，震中附近区域电离层异常扰动全部消失。这次扰动大约持续了6 h，在该扰动时间内，全球范围内的电离层状态相对平稳，只有北半球的局部区域出现少许增强现象，大约在0～2 TECU之间。

利用CODE提供的数据，插值得到汶川上空的TEC时间序列，发现TEC逐渐变小，但在震前三天突然增强，并且在5月9日UTC10时的时候，中国南部大部分区域都有显著的增强，峰值点位于震中区域东南10°范围内，并且南半球磁力线共轭区域也出现增强现象，除了该区域异常扰动，全球范围内没有其他区域出现显著异常，且震前几天太阳和地磁活动都处于平静的状态，这可能与该区域震前的电场增加有关，这有可能是地震之前的预兆之一。而5月6日8时震中东南区域出现的减小现象，这可能与地磁场的扰动有关，因为除了该区域出现异常外，全球其他地区也出现了一些或增或减的异常，而且在前一天，Dst指数出现-20 nT的负扰动，所以该天电离层TEC减少可能与地磁活动有关。

图2 5月6日全球电离层TEC扰动量的全球分布图(a)UTC 06∶00;(b)UTC 08∶00;(c)UTC 10∶00;(d)UTC12∶00;五角星代表汶川位置

图3 5月9日全球电离层TEC扰动量的全球分布图(a)UTC 08∶000;(b)UTC 10∶00;(c)UTC 12∶00;(d)UTC14∶00;五角星代表汶川位置

3 日本3.11大地震TEC异常检测

2011年3月11日，日本当地时间14时46分，日本东北部海域发生里氏9.0级地震并引发海啸，地震震中位于宫城县以东太平洋海域(38.10°N,142.60°E)，震源深度海下10 km.东京有强烈震感，地震引发的海啸影响到太平洋沿岸的大部分地区，这次地震恐为日本有地震记录以来的最强地震，造成了重大人员伤亡及财产损失。本文通过CODE提供的GIM，插值求出震中区域的电离层TEC时间序列，以其前27天同时刻的TEC做背景值，通过滑动四分位法进行TEC异常探测，其结果如图4所示。

图4 2011年2月9日-3月14日太阳、地磁活动及震中区域电离层TEC的信息(a)F10.7太阳射电通量日变化;(b)地磁Dst指数日变化;(c)地磁Kp指数日变化;(d)汶川电离层TEC变化曲线;(e)汶川电离层TEC震前及震后的异常值;(横坐标为0的时段表示日本地震的当天，浅线表示地震发生的时刻)

从图4(a)可以看出，震前一个月内，太阳活动比较剧烈，出现两次小高峰，分别为震前23天和震前3天，震前23天的这次稍弱，F10.7指数稍弱，约为110 SFU，震前3天(3月8日)的F10.7指数是东日本大地震前后一个月内最强的一天，达到了164 SFU，有可能对电离层造成一定的扰动，图4(b)显示出震前后的这段时间，地磁场变化比较明显，震前24天、21天、9天及震前1～2天内，Dst指数都有一定的波动，震前9天的Dst指数达到了-59 nT，而地震当天，Dst指数更是达到了-80 nT，同时，Kp指数也变化明显，在Dst指数有较大波动的当天，Kp指数也随之增强，震前24天、21天、9天及地震当天，Kp指数都超过了5.图4(d)给出了震前后一个多月的TEC观测值及判定边界，从图4(d)可以看出浅色的观测值有多处超过了黑色的上边界及深色的下边界，其对应异常值如图4(e)所示，震前24天、21天、9天及地震前三天内，震中区域都发生了较大的增强现象，达到了5 TECU，对比图4(b)、图4(c)发现，大部分TEC异常的当天或前一天都发生了地磁扰动的现象，只有地震前三天的时候，其当天及前几天的地磁环境很平稳，所以该次增强并不是地磁扰动导致的，而该天的太阳辐射很强，F10.7指数达到了164 SFU，所以该日的增强与太阳辐射有一定的关系，是否和孕震期间地球内部变化导致的还需要进一步的分析判断。

图5示出了3月8日(震前3天)02∶00-16∶00 UTC 2 h间隔的全球VTEC异常分布图，从图5可以看出，在UTC 2时的时候，全球呈现着多处异常扰动，大部分分布在北美洲、大西洋中部及印度洋等地，扰动量约为3～5 TECU，震中地区没有异常现象，UTC 4时，全球TEC的扰动范围略有减小，震中地区北部和南部分别出现一条异常扰动带，范围较小，主要分布在太平洋中部，扰动范围在2～5 TECU之间，此后异常逐渐增大，并缓慢向西移动；UTC 6时，震中区域能看到明显异常，主要异常区域分布在震中东南部，异常峰值点位于140°E，30°N，最大异常值达到21 TECU以上，同时对应的磁赤道共轭区也出现异常，异常范围略小，异常值约为9～12 TECU之间，此时，全球范围内，大西洋中部，中东地区，东北亚等地区也有少量异常扰动，异常值较小，只有2～5 TECU；UTC 8时，异常区域的范围及幅度达到了最大值，此时的异常范围位于90°～160°E，12.5°～37.5°N，长度大致为3∶1，峰值点向移动到震中的西南部，达到21 TECU以上，磁赤道共轭区的异常范围和幅度也显著增加，异常范围在澳大利亚北部海域，峰值点位于135°E，-5°S，幅度达到21 TECU，此时全球范围内只有欧洲地区及印度大陆南部海域有稍大的异常扰动，扰动幅度也较小；UTC10时，异常范围继续向西移动，异常幅度明显减弱，最大异常值为17 TECU，此后异常区域明显减弱，至 UTC 16时，震中区域异常扰动基本消失，此次异常扰动的时间较长，超过了10 h,在此期间，全球范围内其他地区也发生了一些异常，但不论异常范围还是异常幅度和震中区域的异常比较起来，都不明显，可以肯定，当天全球范围内出现较多的TEC异常区域，和该天的强太阳辐射有一定的关系(该天太阳辐射在震前后一个月内最强)，但是如果仅是太阳活动引起的电离层异常一般表现为大范围的异常，且异常幅度分布较均衡，但是此次异常，震中附近区域的电离层异常幅度达到21 TECU异常，是其他地区的4～5倍，且持续时间较长(在当地时间晚上也有较强的扰动)，所以可以肯定此次异常不全是空间环境所致，可以进一步确认3月8日发生的电离层异常与东日本大地震有一定的相关性。

图5 3月8日全球电离层TEC扰动量的全球分布图(a)UTC 02∶00; (b)UTC 04∶00;(c)UTC 06∶00;(d)UTC 08∶00;(e)UTC 10∶00;(f)UTC 12∶00;(g)UTC 14∶00;(h)UTC 16∶00；五角星为震中位置

4 结束语

采用CODE提供的网格数据，通过插值得到震中区域震前后一个多月的TEC时间序列，通过滑动四分位法分析了汶川和日本两次地震前的电离层TEC变化情况，分析结果表明:震前10天内，震中区域的电离层都不是平静的，由于地磁和太阳活动都可以引起电离层扰动，因此分析地震前电离层的异常前，需要排除地磁及太阳活动的因素。

通过对两次大地震分析，可以发现两者的共同点，首先，两次异常现象都持续了一定的时间，汶川地震异常持续了6 h，东日本大地震持续了10 h；其次，两次地震前TEC异常区域中心都不是位于震中正上空，而是从震中的东南方向西移动，最后消失在震中的西南方，总的来说，异常区峰值点位于震中附近靠近赤道的方向，同时震中对应的磁赤道共轭区都出现了异常现象；最后，两次异常的峰值都出现在当地时间的14∶00-18∶00.除了共同点，两者还有一定的差异，比如东日本大地震异常幅度达到21 TECU以上，是汶川地震前TEC异常值的2～3倍，这表明异常的幅度和震级的强度具有一定的关系，这可以为以后震前电离层监测提供一定的参考。

致谢:感谢欧洲定轨中心(CODE)提供的GIM，感谢中科院空间中心提供的地磁和太阳辐射数据。

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