东日本大地震电离层异常分析

王　园，白征东，元　荣

(1. 清华大学土木工程系地球空间信息研究所，北京 100084； 2. 96633部队，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong



东日本大地震电离层异常分析

王园1,2，白征东1，元荣1

(1. 清华大学土木工程系地球空间信息研究所，北京 100084； 2. 96633部队，北京 100096)

Total Electron Content Variations of Ionosphere of the East

Japan Earthquake

WANG Yuan，BAI Zhengdong，YUAN Rong

摘要：目前空基和路基等电磁信号探测手段已经应用于地震电离层异常的探测。自从GPS数据可以用于计算电离层电子总量(TEC)，这项技术被广泛关注的同时作为一个可行的手段用于探测地震前后电离层异常。本文利用东日本大地震震中附近多个IGS网络站点的数据，分析2011年3月11日发生的Mw9.0东日本大地震震区上空电离层信息，计算出TEC时间序列并进行波谱分析、包络线法异常分析、全球电离层异常地图绘制及震后3 h扰动异常分析。通过分析发现，震前存在明显的电离层异常，在3月8日即震前第3天存在异常；同时也计算了震后3 h的各站与卫星路径上等价TEC的P4值；且多个站与多星路径上存在着明显的电离层扰动异常，并且不断远离震中，能量逐渐衰减，证明电离层异常的发生与地震有较明显的关系。

关键词：GPS；地震；电离层异常；TEC

一、引言

地震电离层耦合领域的研究受到越来越多国内外科学家的关注[1-3]。当异常的电磁信号穿透地表进入电离层时，耦合现象就会发生[4]。关于异常产生的原因，主要有电磁辐射声重力波说[4]和大气电场改变说[5]等。地震孕育过程中的电离层异常已经被多种技术手段所捕获证实，如地基电离层探测仪[6]、卫星电离层探测[7]，以及基于GPS的TEC观测技术[8-10]等。上述技术使得震前电离层异常的探测成为可能。

20世纪60年代美国学者发现阿拉斯加大地震震后数小时上空出现了电离层的扰动异常[11]，之后众多学者致力于此方面的研究。归结为两个方向：一种是震后数小时电离层扰动的研究[11]；另一种是对地震前后多天TEC序列进行数学分析，利用数学方法判断超限的时段，定性为异常[3]。本文同时从这两个角度对2011年东日本大地震进行研究，均证实了异常的存在。具体方法有利用包络线法等数学方法对地震前后数天TEC序列进行分析，判断出异常天数和绘制异常全球图；通过研究震后3 h的TEC变化，发现了电离层扰动，基于测站位置、扰动的开始时间和持续时间等分析出电离层扰动异常的移动及衰减等信息。

二、利用GPS数据计算TEC

GPS每颗卫星连续地向地面发射调制在双频载波(f1=1.575 42 GHz、f2=1.227 6 GHz)上的伪随机码(PRN)。GPS接收机根据接收到的码信息，生成两种类型的观测量：伪距(卫地传输时间乘以光速)和载波相位(φ1和φ2表示不同频率上的相位值)。

GPS信号在电离层中的传播延迟是最重要的影响定位精度的因素之一。然而，电离层是一个弥散型介质，载波f1、f2之间的延迟差可以用来量化这项误差。基于双频伪距和载波观测量，通过下式可以计算出卫星到接收机传播路径上的电子总量(integrated electron content, IEC)[2]

(1)

式(1)给出的是信号传播路径上的电子含量，利用一个投影函数EΘ反演到垂向上，得到VTEC(vertical total electron content)，Θ代表卫星高度角[9]。

(2)

式中，RE为地球半径；hion代表平均电离层高度，取值为350km。由式(1)、式(2)就可以得到垂向的VTEC。

VTEC=IEC×EΘ

(3)

利用建立区域模型的方法，如球谐函数模型[10]

bnmsinms)

(4)

三、东日本大地震震例分析

1. 地震简介

2011年3月11日当地时间14时46分，日本本州岛宫城县以东太平洋海域，发生Mw9.0 强烈地震，震中位于北纬38.1°，东经142.6°，震源深度20km。地震引发大规模海啸，造成重大人员伤亡，并引发日本福岛第一核电站发生和泄漏事故。图1为东日本大地震震中与附近观测站分布，五角星代表震中位置。

图1　震中及附近IGS站

2. 频谱分析及TEC时间序列分析

利用第二章介绍的方法，计算Tsk2测站2011年全年的TEC时间序列。为了降低计算量，稀疏历元间隔至30 min。图2显示了测站Tsk2原始的TEC时间序列，图3为进行谱分析的结果图。可以看到，波峰最大3个频率值分别代表一天、半天和27 d，同每天的太阳活动变化周期、月潮周期和太阳自转周期吻合，反映了TEC的变化可能受这些因素的影响。

图2　Tsk2站2011年TEC图

图3　对应的频谱图

取各个测站VTEC的震前11 d及震后4 d，利用包络线法，取前后14 d的中位数为背景值，加减2倍标准差形成上下限，绘制VTEC时序图，中间实线为VTEC序列，上下虚线为包络线边界，超过边界则认为出现异常，纵线代表地震时刻，绘图分别如图4—图9所示。

图4　Mizu站VTEC序列图

图5　Usud站VTEC序列图

图6　Tsk2站VTEC序列图

图7　Aira站VTEC序列图

图8　Yssk站VTEC序列图

图9　Daej站VTEC序列图

Mizu站在地震发生后未继续接收数据，故时间序列显示到地震时刻。各站几乎都在年积日67 d(3月8日)VTEC达到最大，并且接近2倍中误差上限，Aira站当天数据已经超限。地震当天及之后3天各站VTEC均偏大，但未超限。以上异常出现的时段多集中在白天午后。超限时段少的原因可能因为背景阈值设置的偏大。可以看出靠近赤道的一侧，Aira的VTEC值远大于远离赤道的Yssk站。

3. 全球电离层异常图分析

IGS提供了全球的电离层格网文件(RINEX I文件)，经纬度分辨率5°×2.5°，时间分辨率2 h。利用IGS提供的这一产品，通过绘制电离层异常地图，可以进一步从全球角度进行异常的研究。具体方法为：采用前10 d的数据中位数作为背景值，加减2倍标准差形成上下限，若VTEC>上限，则ΔVTEC=VTEC-上限；若VTEC<下限，则ΔVTEC=VTEC-下限；若下限≤VTEC≤上限，则ΔVTEC=0。通过观察震前数天异常地图发现，同样发现在3月8日出现了明显震中附近异常，其他天数发现的异常区域距离震中远，范围较小、规律性差且异常值偏小，难以研究与地震的联系。因此重点研究了3月8日全球异常变化情况。图10—图13给出了当天6：00—12：00 UT(间隔2 h)全球电离层异常图，图中五角星标记为震中。可以看到6:00 UT在震中南侧出现最大为16 TECU的正异常区域，并且在赤道共轭区域出现相同负异常区。随着时间推移，异常值先增大后又减小，并且沿着赤道向西运动。异常持续运动约6 h，并且同时在地球其他区域不存在类似明显异常，但存在异常数值相对较小的正异常区域，可能与上下限设置有关。考虑地磁环境均较为稳定但辐射水平较强(Dst<-20 nt，kp<4，F10.7=155)，但在其他地区未出现明显的异常区域，是否异常是由地震孕育引起的，仍需要进一步确认。地震当天及之后3天各站VTEC偏高未超限，且这几天的全球异常图并未发现异常，故暂不考虑其与地震发生的相关性。

图10　3月8日6:00 UT全球电离层异常

图11　3月8日8:00 UT全球电离层异常

图12　3月8日10:00 UT全球电离层异常

图13　3月8日12:00 UT全球电离层异常

4. 震后3 h电离层扰动异常分析

图14　Tsk2与Prn15的P4

图15　Tsk2与Prn18的P4

图16　Usud与Prn15的P4

图17　Usud与Prn18的P4

图18　Usud与Prn27的P4

图19　Aira与Prn15的P4

Tsk2站上观测到与15、18号星的路径上P4值出现扰动异常，与其他星的值未出现。Tsk2站与15号星的P4值在震后半小时，即15:10开始出现明显的扰动，一直持续到16:40结束。Tsk2站与18号星的P4值同样在15:10开始出现扰动，持续到15:40结束，扰动程度没有15号星剧烈，持续时间也偏短。

Usud站上总共观测到与15、18、27号星的路径上P4值出现扰动异常，与其他星的值未出现。Usud站与15号星的P4值大约在15:30开始出现扰动，持续到17:00结束。Usud站与18号星的P4值在15:30开始出现扰动，持续到15:50结束，扰动幅度小，持续时间短。Usud站与27号星的P4值在16:00以后有一些轻微的扰动，持续时间也短。

Aira站上观测到与15号星的P4值出现扰动扰动，出现时间约在16:40，持续约10 min结束。

在Daej和Yssk站未观测到扰动异常现象，距离震中最近的Mizu站在地震后数据丢失，因此没有参与计算。Daej和Yssk站未出现异常的原因可能由于距离震中太远，站星的路径并未与异常电离层区域重叠所致。

通过以上观测结果可以看出，Tsk2、Usud、Aira 3站与15号卫星路径上的P4值出现了较为剧烈的扰动，并且扰动开始时间与空间分布有关，距离震中越近开始时间越早，随着远离震中扰动时间也逐渐变短，可以推测是由于异常的移动与能量逐渐衰减导致的。Tsk2与Usud站探测到与18号卫星路径上存在的扰动，开始时间与持续时间基本相同，可能主要因为两站距离过近所导致的。在Usud站还探测到与27号卫星路径上在15:00和16:00时刻出现轻微并短暂的扰动，在其他站未探测到，可能因为是震中附近出现的小范围异常，能量小并迅速消失有关。

四、结束语

本文以东日本大地震震中附近多个IGS站地震前后数天的数据为基础进行研究，计算出TEC时间序列并进行波谱分析、包络线法分析，利用IGS提供的电离层格网检测震前异常及计算出震后3 h等价TEC的P4时间序列。发现了震前存在明显的电离层异常，确认在3月8日即震前3天存在的震中附近6 h的大范围正异常，其异常区域沿着磁赤道对称分布，不断移动。并发现了在震后3 h内，多站与多星的路径上存在程度不同的电离层扰动异常，并且扰动逐渐远离震中，能量逐渐衰减。综上所述，可以看到电离层出现的各种异常现象与地震的发生存在着密切的联系。但由于电离层异常构成复杂，仍需要作进一步的研究分析。

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引文格式： 王园，白征东，元荣. 东日本大地震电离层异常分析[J].测绘通报，2015(3)：22-26.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0067

作者简介：王园(1984—)，男，硕士生，主要研究方向为GPS数据应用。E-mail:8039398@qq.com

收稿日期：2014-02-05

中图分类号：P228.4

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)03-0022-05