九寨沟7.0级地震前电离层TEC异常分析

张明敏，刘智敏,2，刘 盼，从建锋

(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)

地震是一种突发性的地质灾害,它会对震区人民的生命财产造成巨大的损害。如何能够准确及时地预报地震以减少人员伤亡及经济损失，已逐渐得到世界各国学者的重视。自1964年Barnes等[1]首次发现电离层异常扰动与地震之间存在着相关联系以来，电离层扰动逐渐成为地震前兆信息研究热点之一。1971年，Antsilevich等发现1966年Tashkentd Ms7.5地震震区上空存在电离层TEC增加现象[2]。Pulinets等通过对10年内震区数天前电离层变化作时间序列分析，提出了由地震引起的电离层扰动特征[3]。Calais等利用GPS数据研究发现1994-01-17 Northridge地震后30 min内出现电离层TEC异常扰动现象[4]。近年来，由于GNSS技术的迅猛发展，使得电离层TEC异常更加广泛地运用于地震预报领域[5-9]。邹斌等利用主成分分析法和滑动四分位法分析了震级大于Ms7.0(玉田地震，日本地震，汶川地震，玉树地震)震前电离层TEC的异常特征[10]。除了中值法，平均值法等传统的电离层TEC分析方法外，张小红等利用ARIMA模型提出一种震前电离层TEC异常探测新方法，使得TEC背景值的探测精度高于传统方法[11]。Thampisv等利用层析观测技术分析了日本上空夏季夜间电离层扰动现象[12]。姚宜斌等利用GNSS观测数据分析研究了2011年3月11日日本地震前电离层TEC异常变化，认为震前3天出现的电离层异常可作为地震前兆[13]。Guo等通过对2012年4月11日的苏门答腊地震和墨西哥地震对比分析，发现电离层异常扰动与地震强度，临震时间及震源深度有关[14]。郭文玲等提出了一种能够同时获取不同区域电离层传播模式特性的电离层联合探测体制,为未来研究电离层扰动与地震的相关性提供了一种新思路[15]。

2017-08-08 T21:19，四川省九寨沟县发生7.0级地震，震中位于33.2°N，103.82°E，震源深度约20 km。截至2017-08-13 T 20:00，地震造成25人死亡，同时给当地造成严重的经济损失。本文采用滑动四分位距法，结合太阳与地磁场活动指数，分析九寨沟地震前后电离层TEC的变化状态及其时空特性，为以后的地震预测工作提供可靠信息。

1 数据及分析方法

本文采用IGS提供的全球电离层格网数据进行电离层异常分析，该数据的时间分辨率为2 h，空间分辨率为5°(经度)×2.5°(纬度)。有研究表明：震前电离层异常区域并不与震中正上空电离层区域一致，而是会偏离震中一定距离[17]。因此，选取震源所在单元格网的4个格网点的震前16 d至震后3 d的TEC时间序列，震中位置及格网点分布情况如图1所示，其中点A,B,C,D的坐标分别为(100°E，35°N)、(105°E，35°N)、(100°E，32.5°N)、(105°E，32.5°N)。此外，太阳活动和地磁场的变化也会引起电离层电子含量浓度异常，因此，为排除空间环境因素对电离层异常探测的影响，本文对美国航空航天局提供的太阳射电通量F10.7和日本京都地磁数据中心提供的磁暴时变化指数Dst及全球地磁活动指数Kp等数据进行分析。F10.7主要反应太阳对地球上的高层气体加热效应，按其大小分为强(F10.7>150 SFU)、中(100 SFU

为了弥补平均值法和中位数法的缺陷，刘正彦教授提出了四分位距法[18]。该方法是将数值从小到大排序后分为4等份，每一等份分占四分之一，等分点根据其数值大小分为上四分位(Q1)，中位数(Q2)和下四分位(Q3)。假设排序后的数值为X1，X2，…，Xl，则四分位距的各项参数如下：

(1)

(2)

其中，k为常倍数，IQR为四分位距，LB为上边界，UB为下边界。当观测值超过上下边界时，则认为对应时段出现TEC异常。本文选择15 d作为时间窗口，即分析每天的数据时取其前14 d及该天的同一时刻的TEC组成一组时间序列，则Q1=X4，Q2=X8，Q3=X12，上下边界定义为：LB=Q2+1.5·IQR，UB=Q2-1.5·IQR，观测值大于上边界为正异常，小于下边界称为负异常。

2 电离层异常分析

2.1 TEC时间序列分析

本文提取了震前16 d至震后3 d的TEC时间序列作为分析范围。图2依次给出了格网点A，B，C，D的TEC时间序列和变化异常，图中显示4个探测点的变化趋势具有良好的一致性。从震前7 d开始每一个探测点上空的TEC峰值有明显增加，且震前第4 d的TEC峰值均高于其它时段。大部分时间的TEC时间序列都在上下边界之内，而震前11～14 d出现负异常，震前3～5 d出现正异常，且在震前13 d和震前4 d峰值扰动异常强烈。4个探测点均在震前4 d出现正异常峰值，其中观测点A达到最大值约4TECU，随着距震中距离的减小，4个观测点的峰值也减少，而在震前13 d出现的负异常峰值中距离震中最近的D点则达到1.7TECU，大于其余3个观测点负异常峰值。A观测点震前14 d开始出现负异常，震前13 d负异常达到最大值，约1.7TECU，震前11～14 d共出现了5次负异常，震前5 d开始出现正异常直至震前3 d结束。

图2 2017-07-23—2017-08-11震中周围格网点TEC时间序列及异常变化图

距离震中最近的B点在震前11～14 d出现3次负异常，最大值约1TECU，且B点的正负异常峰值均小于其它3个观测点。另外，4个观测点均在地震当天出现幅度较小的负异常，负异常值在0.2～0.6TECU之间，震后1 d出现幅度较小的正异常，正异常值在0.1～0.6TECU之间。

为了判断震前某一时段的TEC异常是否由地震引起的，需结合对应时段的空间环境状况综合分析该时段TEC产生异常的原因[19]。图3依次给出了2008-07-23—2008-08-11的太阳射电通量F10.7，地磁Dst指数和地磁Kp指数的时间序列。由图3可知，震前16 d至震后3 d F10.7指数较为稳定且均未超过100SFU，表明整个时段内太阳辐射较弱。震前11～14 d Dst指数大于-30 nT， Kp指数除了震前13 d短时间内等于4.0，其余均小于4.0，说明有较弱的地磁扰动，则这几天的TEC异常与地磁活动存在一定的联系，是否由孕育区地震引起的还需从空间角度进一步研究。震前4 d Kp指数未超过4.0，但该天的Dst指数出现明显波动，最小时小于-30 nT，是整个时段地磁活动最强的一天，极可能发生了弱磁暴，所以可初步认为该天的电离层异常是由地磁的剧烈活动引起的，是否与孕育区地震有关也需要进一步分析。地震当天，Dst指数大于-30 nT，Kp指数更是小于3，可见该天太阳活动与地磁活动均很平静，可判定该天的TEC异常是由孕育区地震引起的。

图3 2017-07-23—2017-08-11 Dst，Kp，F10.7指数变化

2.2 TEC空间分布异常分析

区分地震扰动与磁暴等活动的一个很重要的评判标准为电离层TEC异常是否具有局地性特征[19]。为了进一步分析震前13 d和震前4 d TEC异常是否与此次地震有关，本文分别给出了这两天经度50°E-150°E，纬度0°N-50°N范围内电离层异常图。

震前13 d 6:00—16:00UT间隔2 h的TEC异常情况如图4所示，其中红色五角星为震中位置，由图4可知在6:00—10:00UT期间，震中东部出现了明显的正异常，其中6:00UT时异常幅度在8～10TECU，随后正异常向震中移动并且异常值逐渐增大，在8:00UT达到峰值，最大异常值约12TECU，10：00UT时正异常逐渐减弱直至消失。14:00UT时在震中西南方向出现了负异常，与8:00UT时的正异常相比，14:00UT的负异常区域更大，异常程度却有所减小，至16：00UT时负异常逐渐扩散直至消失。这一天TEC异常现象(包括正异常与负异常)持续时间较长，且只出现在震中区域附近，而在其他地方没有出现明显的异常，因而可以认为震前13 d的电离层异常是此次地震的前兆。

图4 震前13 d(2017-07-26)TEC异常分布(红色五角星为震中位置)

震前4 d 6:00—16:00UT间隔2 h的TEC异常情况如图5所示，其中红色五角星为震中位置，由图5可知在8:00UT之前，整个区域中绝大部分的电离层很平静，只有在震中东南方向出现了微弱的电离层异常，异常值为3TECU左右。10:00UT时在震中西部开始出现明显的电离层异常，此后，随着异常区域不断向外扩散的同时异常值也显著增加，尤其到了12:00UT时，电离层异常达到峰值为15TECU左右。同时，在震区以南及东北方向也出现了明显的正异常。此时异常区域覆盖了整个分析区域的绝大部分。12:00UT之后，电离层异常迅速减弱消失。此次电离层异常较震前13 d强，具有全域性，异常时间反而明显缩短，结合图3，可知震前第4 d时地磁活动剧烈，因此可断定震前4 d出现的电离层异常与地磁活动有关。

3 结束语

利用IGS提供的全球电离层格网数据采用滑动四分位距法对九寨沟地震前后进行电离层TEC时间序列分析，发现从震前7 d开始震区内的TEC明显增加，尤其是震前4 d(2017-08-04)的TEC峰值异常高，幅度达到23TECU左右。震前13 d、震前4 d和地震当天电离层出现明显异常。结合空间环境因素(Dst,F10.7,Kp指数)，进一步得出地震当天电离层出现0.4TECU左右的负异常可排除太阳活动与地磁活动的影响，与此次地震的孕育活动有关。震前13 d和震前4 d出现TEC异常的同时，地磁活动也比较活跃，基于此现象，经过进一步从空域角度分析这两天的电离层TEC异常分布情况得出：震前13 d出现的负异常可以排除地磁活动的影响，认为是此次地震前兆信息之一，而震前4 d出现的正异常是由地磁剧烈活动引起的，并不能作为此次地震的预报信息。虽然电离层异常可以作为地震预报依据之一，但由于电离层异常的多态性以及时空不确定性，要想提高通过电离层异常预报地震的时间、空间和强度等准确程度还需大量针对性的研究。

图5 震前4 d(2017-08-04)TEC异常分布(红色五角星为震中位置)