基于GPS的电离层震前异常分析*

李少卿，霍 亮,2,3，袁 梅

(1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院 北京 102616;2.现代城市测绘国家测绘地理信息局重点实验室，北京 102616;3.北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心，北京 102616;4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

地震是一种破坏性极强的突发性自然灾害，对人类的生命财产造成严重的威胁。为了减少地震造成的损失，地震学者致力于研究出一种地震预警方法。多项研究表明，地震会造成电离层异常，且震级大于5级的地震对电离层扰动一般发生在震前几小时到几天之内[1]。

本文通过分析国际GPS服务(IGS，International GPS Service)发布的GIM数据，结合震前电离层异常探测的方法，对芦山地震震中周围格网点TEC时间序列进行异常探测，并在分析排除太阳活动和地磁活动的干扰后，总结震前电离TEC的异常变化特征，提取地震引起电离层扰动的异常信息。

1 震前电离层异常探测原理及方法

1.1 GPS TEC提取

GPS进行观测时具有连续、实时、全天候、全方位、可靠性高、数据量大等优点，利用GPS获取TEC数据具有很高的优越性[8]。利用GPS双频数据获取电离层TEC的具体过程为：式(1)为GPS的伪距观测方程：

(1)

(2)

式中，TEC是传播路径的电离层电子总量，f是频率，综合式(1)、式(2)可得式(3)：

(3)

(4)

(5)

电离层模型是根据电离层各个参量与高度的关联建立。GIM格网模型依据GPS观测资料建立的区域范围建立[9]。利用GIM模型内插法获取电离层TEC的具体过程为：

(1)根据GPS观测值计算模型区天顶上空卫星穿刺点的VTEC。

(2)计算各个GIM格网点的VTEC值。

(3)根据所处位置的天顶方向的投影和格网点的相对位置关系，利用内插的算法，计算出所在位置的VTEC值。

1.2 震前电离层异常探测

常用的电离层异常探测的方法为中位数法，平均值法，四分位距法，滑动时窗法等[10]。本文采用包络线法进行电离层TEC异常提取。包络线法是一种根据图像快速提取电离层TEC异常的方法，具有直观、简单、清晰、方便等优点。在时间序列图中，将计算得到的TEC值的上下限绘制成连续曲线：处于上下限之间的TEC序列定义为符合条件的正常值；超过上限的TEC序列定义为正异常；低于下限的TEC序列定义为负异常。

1.3 太阳和地磁活动干扰

太阳黑子的爆发和地磁活动会对电离层形成诸如扰动等变化。在研究地震影响电离层异常扰动之前，必须排除其他因素的干扰。通过对照的方式，即与观测数据对比观察来排除各类空间因素的干扰，主要涉及：

(1)Kp指数，磁情指数，是单个地磁台描述每天每三小时内地磁扰动强度的指数。

(2)Dst指数，描述磁暴时变化的指数，反映磁暴的强弱。

(3)F10.7指数，太阳10.7 cm波长的射电辐射通量指数，是表示太阳活动水平的一个重要参量。

太阳活动具有11年左右的周期性变化特征。2005～2013年衡量太阳活动的参数F10.7如图1所示。

图1 2005～2013年F10.7变化指数

如图2 (a)、(b)所示，2006年是太阳活动低年，2013年是太阳活动高年，根据芦山附近点(30°N，115°E)2006年和2013年的VTEC分析电离层TEC的年变化，日变化和季节年变化。

图2 TEC变化图

可看出，2013年的TEC值大于2006年的TEC值，则太阳活动性越强，电离层的TEC值变化越大。同时可以看出，上图在4月、5月，9月、10月有两个峰值，电离层TEC具有明显的季节变化，夏季的TEC值(6～8月)最低，从总的年变化情况来看，夏季TEC值的年变化率比冬季的TEC值年变化率明显要高。同时，电离层TEC具有明显的周日变化特征，电离层TEC随时间推移自东向西移动。

地磁扰动现象的具体表现形式为磁暴，磁暴发生时，电离层会产生强烈的异常扰动现象，这种扰动现象称为电离层暴。磁暴主要作用于F2层，通过研究磁暴发生期间F2层临界频率的变化得到地磁扰动期间电离层的活动规律为：不论地磁扰动类型是否相同，其对电离层的影响主要发生在中纬度和高纬度。延迟型的主相磁暴发生时，电离层首先会发生显著的正相扰动其次会发生负相扰动，负相扰动会出现延缓现象并且覆盖范围大，影响时间长；非延迟型的主相磁暴发生时，电离层正相扰动发生后即刻发生负相扰动，覆盖范围广，由高纬度向低纬度扩张。地方时也会对电离层产生影响，地方时不同，纬度不同，磁暴发生时电离层的扰动也不同。

2 实验结果与分析

北京时间2013年4月20日08：02，年积日110 d，四川省雅安市芦山县(30.3°N，103.0°E)发生了Mw7.0级地震，震源深度为13 km。

采用IGS提供的时间分辨率为2 h，经度分辨率为5°，纬度分辨率为2.5°，单位为0.1TECU，IONEX格式的VTEC格网数据。截取2013年3月20日～4月4日共15 d的数据作为背景值，对比地震期间太阳和地磁活动指数，分析了震前15 d和震后7 d(4月5日～4月26日，年积日95 d～116 d)的地震附近电离层VTEC变化情况。

2.1 TEC时间序列分析

选择震中附近的5个点进行分析，分别为G1(30°N，100°E)、G2(25°N，100°E)、G3(35°N，105°E)、G4(30°N，95°E)、G5(30°N，110°E)，5个点对应的格网数为G1(24,57)、G2(26,57)、G3(22,58)、G4(24,56)、G5(24,59)。采用包络线法，绘制年积日95 d～116 d(4月5日～4月26日)的TEC时序图，如图3所示。

图3(a)～(e)中，横坐标表示年积日95 d到年积日116 d以2 h为间隔的地震时刻，单位为h。纵坐标表示VTEC总量，单位为0.1TECU。绿线为VTEC序列，黑线为包络线上边界，蓝线为包络线下边界，红线代表异常值ΔVTEC。

图3 各点4TEC时序图

通过分析上图可以看出，G1点在年积日95 d、97 d、98 d出现正异常，在年积日108 d、109 d、110 d出现负异常。G2点同样在年积日95 d、97 d、98 d出现正异常，在年积日108 d、109 d、110 d出现负异常。G3点在年积日98 d出现正异常，在年积日109 d、110 d出现负异常。G4点在年积日97 d、98 d出现正异常，在年积日108 d、109 d、110 d出现负异常。G5点在年积日95 d、96 d、97 d、98 d出现正异常，在年积日108 d、109 d、110 d出现负异常。

综上，电离层TEC正异常多发生在年积日95 d、97 d、98 d，负异常多发生在年积日108 d、109 d、110 d。其中年积日95 d异常多发生在白天中午，97 d异常多发生在下午，98 d异常多发生在下午到凌晨，年积日108～110 d负异常多发生在凌晨。

排除电离层的变化受太阳活动和地磁水平的干扰。太阳及地磁活动情况如图4 (a)～(d)所示。

可看出F10.7在年积日95～102 d较大，接近150，太阳辐射较强，异常可能与太阳辐射有关。通过图4(c)、(d)可看出震前Dst和Kp指数较小且稳定，地磁场稳定最大未超过4。

2.2 全球电离层异常图分析

图4 太阳地磁环境

图5 年积日第95 d各时段全球电离层异常图

根据VTEC时序图确定电离层异常发生的时刻，绘制全球电离层异常图。可看出年积日95 d和年积日108 d震中附近异常明显。对年积日95 d和108 d的全球电离层异常图进行地震与电离层异常的相关性分析。年积日95 d 12：00～24:00UT(间隔4 h)的全球电离层异常图如图5所示。

可看出，12:00UT在芦山震中以南出现了最大值为8TECU的正异常区域，该正异常区域在赤道共轭。该正异常区域随时间推移沿着赤道向西移动，异常值先增大后减小。同时，在地球的其他区域有着一些小的异常，但没有类似的明显异常。

图6为年积日第108 d 4:00UT～10:00UT (时间间隔为2 h)的全球电离层异常图。

图6 年积日108 d各时段全球电离层异常图

可看出，6:00UT在芦山震中附近出现了最大为-12TECU的负异常区域，该异常区域关于赤道共轭，并且向西飘移，异常值先增大后减小。通过观察该天的太阳辐射水平和地磁指数，发现太阳辐射水平和地磁环境较为稳定，因此可以确定异常与地震有关。

3 结 语

本文选取2013年4月20日四川雅安芦山县的Mw7.0级地震前后数天的电离层异常GIM格网数据，采用包络线法绘制VTEC时序图和全球电离层异常图分析电离层扰动异常。在基于时间序列进行TEC异常探测和震前电离层异常扰动的分析过程中，通过对比分析Kp指数、Dst指数、F10.7指数和Ap指数，减小太阳活动和地磁水平造成的影响。结果表明：

(1)在排除太阳活动和地磁水平的影响后，芦山震前电离层TEC出现明显的正异常和负异常，可以确定年积日108 d即震前第二天电离层TEC的负异常与地震具有相关性。

(2)电离层TEC的异常多出现在震中附近，并且异常区域随着时间向西移动，异常区域的形态关于赤道共轭。

此次实验识别到明显的地震电离层异常效应，对于地震短期预报有一定的意义。