利用改进型图像信息方法研究汶川8.0级地震震前电离层扰动异常特征

夏彩韵，张小涛

（1. 辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2. 中国地震台网中心，北京 100045）

0 引言

自Davise 等[1]和Leonard 等[2]发现1964 年美国阿拉斯加8.5 级大地震前数十小时电子浓度出现显著扰动现象之后，电离层扰动与地震发生的关系成为一个研究领域。近年来，利用电磁卫星观测数据来提取由地震活动引起电离层异常变化的研究受到了地震学界的广泛关注。越来越多的研究结果显示，地震对地球环境的影响不仅集中在地球表面，还可能影响到高空大气和电离层，使得电离层电子浓度等参量出现异常[3-4]。由于我国已于2018 年2 月2 日发射首个地震电磁卫星——张衡一号，其预定载荷与2004 年法国DEMETER 卫星相似，因此，充分利用DEMETER 卫星观测数据，尝试新的处理方法，以期能够提取与地震相关的电离层异常，为地震电离层前兆观测研究积累更多的数据和经验是一项很有意义的工作[5-6]。

2008 年5 月12 日汶川Ms8.0 地震是近些年来很受关注的一次大地震（震级资料来源：http：//www.ceic.ac.cn/）， 一 部 分 学 者 利 用DEMETER 卫星观测资料来对这此次大震进行研究[7-9]，发现多个电离层参量均出现异常现象。越来越多的观测结果研究表明，强震前有大量的电磁异常信号被记录下来，这些异常往往出现在震前几天或几小时，显示了明显的短临前兆特征，电磁观测可能成为实现地震短临预报的突破点[7]。然而，大部分地震电离层异常现象都是瞬时的，仅存在某个轨道很短的时间，而且目前采用的异常提取方法均不能够很好地消除强背景干扰[10]。

图像信息方法（Pattern Informatics Method，简称PI）通过对DEMETR 卫星上观测数据进行网格化处理和数据统计分析处理，能够把电离层扰动异常的时空过程显示出来[11-12]。笔者通过对该方法的震例研究做了综述总结，发现其回溯性研究的震例中大部分都在震前一个月左右出现异常，震前10 天左右异常减弱，相对于前人其他方法的研究结果出现的异常时间一般在震前几小时至数天内[13]，该方法所得到的结果很是鼓舞人心，但由于以往震例研究中未考虑电离层本身背景场以及由太阳活动（磁暴）等引起的长趋势变化的影响，获得的震例也非常有限，因此对异常特征的描述还不具有普遍性，仍值得继续深入研究[14]，为我国发射的“张衡一号”地震电磁试验卫星的电离层异常信息分析积累更多的经验。

1 改进型图像信息（MPI）方法

本文是以图像信息（PI）方法为基本算法，PI方法能够提取地震活动性时空异常，从理论上讲也能够提取电离层卫星观测数据。然而，电磁卫星资料与地震目录不同，电离层参数是离差量很大的参数，为了从离差量和大量电离层观测数据中提取可能存在的地震前兆异常信息，需要对PI 方法进行改进。本文进一步参考 并改进了武安绪等[11]、尼鲁帕尔·买买吐孙[12]对PI方法的改进步骤，其MPI 方法实现过程如下：

（1）将研究区域网格化，构建时间序列Ni（t）（Ni（t）为第i 个网格内从t0至t 时刻的地震电离层参量值，本论文研究中为卫星观测量的差异场）。

（2）时间参数的设定：背景参考时间段tb～t1、变化时间段t1～t2、预测时间段t2～t3三个时间段（图1）。其中，t0为研究资料的起始时刻，tb以Δt 为步长从t0时刻向t1时刻滑动，一般情况下取t2-t1=t3-t2。

图1 时间参数定义示意图Fig.1 Sketch map of temporal parameters

（3）计算“电离层参量强度函数Ii（tb，t）”在两个时刻tb和t 之间（其中tb＜t），地震强度函数Ii（tb，t）定义为：从tb到t 的单位时间内网格i 中电离层各参量的观测值。其表达式为：

（4）将“电离层参量强度函数Ii（tb，t）”标准化：为了对不同时段的地震强度函数进行比较，需要这些地震强度函数具有相同的统计属性。因此对“地震强度函数”进行标准化处理。

其中〈Ii（tb，t）〉为所有网格在t 时刻“地震强度函数”的平均值，σ（tb，t）是所有网格在t 时刻“电离层参量强度函数”的标准偏差。

（5）利用“电离层参量标准强度”之差判断电离层参量是否异常：

（6）计算“电离层参量标准强度函数”的平均变化：

（7）计算每个网格的电离层参量异常信息：

（8）求电离层参量异常的概率增益：

（9）取消PI 方法中阈值取对数的变换，形成更客观、连续的、线性变化的前兆空间演化场，使空间图像更具有直观的可对比性。以固定的时间窗长来滑动的方式（具体描述，t0，t1，t2分别加一天，获得每一个ti-t2时段的PI图像），形成MPI 时空图像来描述电离层中各参量的演化过程，以期能够在电离层强背景场中提取和观察到可能存在的与地震相关的异常变化信息。

2 数据获取及处理

法国地震电磁探测卫星（Detection of Electro-magnetic EmissionfromEarthquake Regions，简称DEMETER 卫星），于2004 年6 月29 日发射，于2010 年末停止运行，在轨期间积累了6年多的电离层观测资料。卫星轨道为极轨近圆形，高度初始为710 km，2005 年12 月之后轨道降至约670km，其主要载荷包括电场探测仪（ICE）、等离子体分析仪（IAP）、感应式磁力仪（IMSC）、朗缪尔探针（ISL）以及高能粒子探测仪（IDP）[15]。本文主要采用DEMETER 卫星中朗缪尔探针（ISL）探测到的电离层中电子浓度、电子温度等数据来进行提取与地震相关的电离层扰动异常研究。

2.1 数据来源

本文的数据来源于法国DEMETER 卫星数据服务中心（URL http：//smsc.cnes.fr/DEMETER/）。分别以三次地震的震中为中心，选取±20°作为震例的研究区域，并进一步将研究区域网格化。智利、于田以及汶川3 次强震的地震参数详见表1。

表1 本文研究震例

2.2 数据处理

由于DEMETER 卫星轨道重访周期为16 天（2008 年5 月之后变为13 天），其轨道分为升轨和降轨，升轨是指卫星从南纬飞向北纬的轨道，对应地方时的夜间，对应的磁地方时为MLT～22：30；降轨是指卫星从北纬飞向南纬的轨道，对应地方时的白天，对应的磁地方时为MLT～10：30，每一个升轨和降轨称之为一个半轨。卫星每天运行14 轨，经过一个重访周期轨道后，升轨（降轨）相邻轨道间距在赤道附近约1.6°，电离层的经向尺度远远大于纬向尺度。所以为了保证至少有两个轨道的数据，本文在网格尺度上选取2°×5°（纬度×经度）。针对每一个网格里的数据按照升轨和降轨的时间分别按日求平均，并赋值当天。有些网格内数据时序仍然不连续，因此通过MATLAB 软件中平滑内插值方法使每一天都有数值，最终得到每一个格点的电离层参数随时间变化的年变模型。基于卫星运行特征，具体网格化时，无值格子的网格或数据较少的网格，根据经纬度的年变趋势进行克里金（Kriging Method）空间插值，其以空间结构分析为基础进行估值，建立每一天的电离层空间分布模型。由于电离层本身存在随时间、空间的背景变化特征[16]，地震前存在的大部分微弱的电离层异常扰动都可能被淹没在卫星轨道运行相关的强背景场中。因此，为了从离差很大的电磁卫星资料中识别和提取存在的微弱地震前兆异常信息，本文在数据处理中进一步去除电离层中电子浓度（Ne）、电子温度（Te）的年变及由太阳活动等引起的长趋势变化，将得到的残差值作为MPI 方法的输入量。以汶川地震为例，图2（a，b） 为网格（30°～32°N，100°～105°E）夜间电子浓度（Ne）、电子温度（Te）去除背景场的趋势变化图。据美国太空天气预测中心（http：//www.sipc.noaa.gov/index.html）太阳活动周期研究，2006 年至2010 年均属于太阳活动低年，受太阳活动影响（磁暴等）比较小。大量的探测资料表明，电子浓度（Ne）变化与太阳活动周期性变化呈正相关性[17]。所以，从图上可以看出电子浓度在2006—2010 年之间呈逐年降低的趋势，为了将电子浓度的年变值与长趋势剔除，从而得到可能由地震引起的变化值。因此，对原始观测值进行以60 天为滑动步长对其进行平滑处理。将原始值与平滑值（背景值）相减做差值，以得到的残差值建立差异场来作为MPI 方法的输入量，进行震例研究，得到电离层中各参量在地震前后的时空演化图。

图2 网格（30°～32°N，100°～105°E）电子浓度（a）、电子温度（b）Fig.2 Electron density（a）and electron temperature（b）were eliminated the ionospheric background changes in grid（30°～32°N，100°～105°E）

3 震例研究与结果分析

2008 年5 月12 日四川汶川8.0 级地震灾难给当地人民的生命和财产安全造成了巨大的损失，与此同时，探索与发展地震预报方法和手段也引起了人们更大的关注。本论文以汶川地震为震例，为了分析2008 年5 月12 日汶川8.0级地震前的孕育演化过程，通过MPI 方法计算，得到了震前的空间电离层电子浓度和电子温度变化时空演化图，以期获得可能与地震相关的异常信息。

从图3（a，b） 中可以看出电子浓度均表现比较平静，没有显著异常，图3（c，d）中看出震中附近上空处电子浓度在4 月12 日明显出现低值异常，并逐渐增强至5 月2 日，随后逐渐异常趋势逐渐减弱，震中正南方向高值也开始逐渐降低，直至地震发生。电子温度在4月4 日震中上空出现低值异常，持续增强，直到4 月20 日开始异常减弱，震前10 天趋于平静。本文从震前更长时间扫描得到的结果与武安绪等[11]、尼鲁帕尔·买买吐孙[18]的震例结果变化趋势基本相同，但在震前异常提取上更加明显突出，出现异常的时间也更易捕捉。，这也从计算语言编写角度上证明了MPI 方法具有一定的稳定性。

4 结论

（1）本文基于DEMETER 卫星观测的电子浓度（Ne）、电子温度（Te），利用MPI 方法对其进行处理，探索了2008 年5 月12 日汶川8.0级强震前后电离层中各参量与地震有关的异常现象。结果发现，在震前一个月左右震中上空附近电子浓度、电子温度均出现不同程度的异常扰动，震前10 天左右减弱并趋于平静，直到地震发生。尽管3 个震例MPI 异常的演化图像有所区别，但均有一共同特点，即平静—异常出现—持续显著—异常减弱—震前平静，这与武安绪等[11]、尼鲁帕尔·买买吐孙等[12]的研究结果也是一致的。由于DEMETER 电磁卫星观测的局限性，其重访周期为16 天，通过改进型图像信息（MPI）方法处理得到了地震前后至少46 天的连续的时空演化图，从而可能进一步观测到与地震相关的一个过程。该方法所得到的异常信息相对于其他方法的研究结果出现的异常在震前几小时至数天内[13]，这一突出特点使该方法在地震短临预报中更具有可操作性。

（2） 虽然目前没有直接的证据显示此次地震前一个月左右出现的异常扰动是由地震孕育所引起的，但在数据处理中不仅考虑了电离层中电子浓度（Ne）、电子温度（Te） 的年变，还进一步剔除了可能有太阳活动引起的长趋势变化，对电离层各参量进行了剔除年变和长趋势的处理，所以提取到的异常也较前人更突出、明显，进一步说明本文数据处理的有效性及得到的异常更具真实性。因此，本文研究中在震前所提取到的异常认为是与地震孕育以及震前平静具有一定的内在关系。当然，对于产生这种现象可能与岩石破裂前的声发射活动出现明显的相对平静现象有关的[19]。

（3）MPI 方法对地震电磁卫星观测数据处理的核心是通过对时间参数的合理搭配，以期在消除当前数据中存在的背景趋势的同时，又能较好的突出当前时段的短期变化异常信息，所以在对时间参数T0、T1、T2的选取上，还需要去检验更多的震例，以期能够获得与地震相关的变化特征。在今后的研究中，还需要将电离层各参量出现的异常与地面的多种观测相结合，如：地下流体、形变等综合考虑多种异常信息的相关性。