基于GNSS数据的地震电离层扰动探测分析

严志文，李 征，杨腾飞

（1.青海省自然资源综合调查监测院，青海 西宁 810000；2.西安市勘察测绘院，陕西 西安 710000）

电离层是日地空间观测环境中的一个重要组成部分，研究表明地震孕育和发生过程中会引起震源上空电离层特征参量的异常变化，这种现象称为地震-电离层扰动现象，它是岩石圈-大气层-电离层通过某种途径耦合的结果，目前被认为是捕捉地震短临信息较有前景的手段之一[1-10]。目前，对地震-电离层扰动的探测方法主要包括静态探测和动态探测，其中静态探测方法有中位数法、平均值法等，动态探测主要包括四分位法[11]。无论是静态探测还是动态探测都无法解决参考背景值较低的问题，且容易受到外界环境因素的干扰，这也是目前造成地震-电离层扰动探测结果不一致的主要原因之一[12-13]。因此，本文以2020-06-26新疆和田地区于田县（35.73°N，82.33°E）发生Mw6.4级地震为例，借助滑动四分位距法探测地震-电离层扰动相关关系，进一步分析地震-电离层扰动的时空特性，提取地震-电离层前兆信息。

1 数据来源

1.1 电离层TEC数据

本文借助中国地震局GNSS数据产品服务平台发布的每天从UTC 0:00-UTC 24:00（每天13组）、时间分辨率为2 h、空间分辨率为1°×1°的中国区域电离层格网数据（global ionospheric map,GIM）中提取出新疆和田地区于田县震源处4个格网点数据（35°N，82°E）、（35°N，83°E）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E），其中震源和格网探测格网店相对关系如图1所示。

图1 震源及格网探测点相对位置图

顾及到如果使用内插的方法得到震源上空电离层TEC值进行异常扰动探测，则会丢失电离层TEC在局部上表现出的时空特性，因此在实验过程中使用4个格网点的TEC值来探测地震-电离层TEC异常扰动现象。在探测电离层TEC值时间序列的选择上，考虑到太阳活动、X射线、紫外线活动会影响地球地磁活动，使电离层TEC值产生27 d的周期变化。因此，本文选择27 d的TEC时间序列进行新疆和田地区于田县地震-电离层扰动探测。

1.2 太阳活动与地磁活动数据

空间环境因素（主要包括太阳活动和地磁活动）会对电离层产生影响，因此在对新疆和田地区于田县地震-电离层扰动探测时应对空间环境因素进行分析，排除空间环境因素对电离层扰动产生的干扰。本次实验过程中采用中国科学院空间环境预报中心提供的太阳射电通量F10.7数据来反映太阳活动，采用日本京都地磁数据中心提供的赤道地磁活动指数Dst和全球地磁活动指数Kp来反映地磁活动，具体参数如表1所示。

表1 太阳活动、地磁活动参数表

由表1可以看出，太阳射电通量F10.7和赤道地磁指数Dst的时间分辨率为1 h，而全球地磁活动指数的时间分辨率为3 h，太阳射电通量F10.7活动指数分为3个等级，分别代表太阳活动弱中强；赤道地磁活动指数Dst分为4个等级，分别代表小、中、大、特大级磁暴；全球地磁活动指数Kp分为2个等级，分别代表地磁处于平静、活动状态。

2 滑动四分距法数学模型

四分位距法是一种稳健统计技术中用于表示数据离散度的1个量，常用于检查数据的异常，该方法将数值从小到大排序后分为四等份，每一等份分占1/4，等分点根据其数值大小分为上四分位数Q1、中四分位数Q2、下四分位数Q3[10]。考虑到电离层TEC变化具有周期性变化特征，本次实验选择时间窗口为27 d，取前27 d同一时刻数据组成时间序列，并按照从小到大的顺序排序，即：X1，X2，…，X27，计算上四分位数Q1、中四分位数Q2、下四分位数Q3和四分位距IQR：

同时取Q2±1.5 IQR作为TEC异常检验上下边界的判断阀值，上边界记作TECup，下边界记作TEClow即：

如果TEC值没有超出上下边界，则ΔTEC＝0，超出上边界ΔTEC＞0，表示正异常，低于下边界值ΔTEC＜0，表示负异常。

3 结果分析

3.1 格网探测格网店TEC时间序列分析

对探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°E）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）分别使滑动四分位距法对震前27 d（2020-05-30~2020-06-25）及震后3 d（2020-06-27~2020-06-29）电离层TEC数据进行异常探测，结果如图2所示。

在图2中，上下部分的横轴代表日期，单位是d，上半部分纵轴代表格网点TEC的值，单位是0.1个TECu，下半部分纵轴代表ΔTEC的值，即异常值的大小，单位为0.1个TECu。在图2中上半部分别给出了4个探测格网店TEC时间序列、TEC上边界时间序列和下边界的时间序列；下半部分给出了异常值大小的时间序列。由图2可以看出，4个探测格网点的探测结果为正异常，均未探测到负异常现象。探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）在震前3 d、7 d发生地震-电离层扰动现象，探测格网点（36°N，82°E）在震前3 d、7 d、12 d发生地震-电离层扰动现象，且探测结果均为正异常。探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）在震前3 d探测到的地震-电离层扰动最大值分别为2.20个TECu、2.05个TECu、2.10个TECu、1.20个TECu；在震前7d地震-电离层扰动最大值分别为1.70个TECu、2.60个TECu、2.60个TECu、1.40个TECu。仅探测格网点（36°N，82°E）在震前12 d探测出地震-电离层扰动现象，最大扰动值为0.50个TECu。在地理位置关系上可以看出，探测格网点（36°N，82°E）与其他探测格网点相比，距离震源位置更近，可能是此次地震-电离层造成扰动规模较小，未使探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）产生扰动现象。

图2 地震电离层扰动探测结果

3.2 空间环境因素分析

为了进一步研究TEC异常扰动原因，需结合空间环境因素作出进一步分析[13]。太阳活动和地磁活动会对电离层TEC值产生扰动，为了定性分析震源上空电离层TEC扰动原因，结合空间环境因素指数作出相应的分析，图3分别给出了震前27 d及震后3 d太阳射电通量F10.7指数、赤道地磁指数Dst和全球地磁指数Kp的时间序列。

图3 地震前后太阳活动、地磁活动指数时间序列

由图3a可知，震前27 d至震后3 d太阳射电通量指数F10.7指数均小于80 SFU，太阳活动处于较弱的水平，在此期间太阳活动对电离层产生的扰动较小；由图3b可知，在震前27 d至震后3 d的磁道地磁指数Dst时间序列中，仅在震前27d时产生地磁小磁暴现象，其余时间未发现磁暴现象；由图3c可知，在全球地磁指数Kp在震前18 d时，全球地磁处于活跃水平，其余时间全球地磁活动均处于平静状态，对电离层产生较小扰动。在震前27 d及震后3 d的时间段内空间环境因素未对电离层扰动产生影响，因此认为震前3 d、7 d、12 d产生电离层扰动现象可能是由地震引发的。

4 结语

本文以2020-06-26新疆和田地区于田县（35.73°N，82.33°E）发生Mw6.4级地震为例，借助滑动四分位距法探测地震-电离层扰动相关关系。实验结果表明4个探测格网点的探测结果为正异常，均未探测到负异常现象。探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，83°E）在震前3 d、7 d发生地震-电离层扰动现象，探测格网点（36°N，82°E）在震前3 d、7 d、12 d发生地震-电离层扰动现象。探测格网点（35°N，82°E）、（35°N，83°）、（36°N，82°E）、（36°N，83°E）在震前3 d探测到的地震-电离层扰动最大值分别为2.20个TECu、2.05个TECu、2.10个TECu、1.20个TECu；在震前7 d地震-电离层扰动最大值分别为1.70个TECu、2.60个TECu、2.60个TECu、1.40个TECu。仅探测格网点（36°N，82°E）在震前12 d探测出地震-电离层扰动现象，最大扰动值为0.50个TECu。尽管电离层扰动现象可作为地震预报依据之一，同时考虑到电离层丰富的时空特性及地震发生机理的复杂性，用电离层扰动现象作为地震预报还需要对电离层扰动现象做进一步的研究。