张红波 欧 明 甄卫民 吴 健 冯 健 张风国

(1．武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430079； 2．中国电波传播研究所，山东 青岛266107)

1. 引 言

大量观测数据显示在地震发生前后，地震活动区上方的电离层存在异常现象。目前为止，统计上证实的主要电离层前兆特性[1]包括：

1) 地震会导致等离子体密度变化(相对于未扰动的正常状态)，形成电离层前兆，震前5天到几个小时可以观测到这些前兆。这些等离子体变化(相对于未扰动的正常状态)可能有正负符号。

2) 一般电离层参数偏移正常值的持续时间比较短，约为4～6小时(相对于磁暴的影响)。只有大地震时(比如1964年阿拉斯加“耶稣受难日”大地震前)的电离层参数偏离正常值持续时间可达12小时左右。

3) 平均地震电离层参数变化和电离层逐日变化(±30%)具有同等量级，但在某一本地时刻，地震感应变化更明显，高达100%。

4) 地震-电离层总电子含量(TEC)变化与临界频率变化一致。

5) 地震-电离层感应对等离子体垂直分布产生影响，导致电离层标高增加。标高变化主要由离子质量变化(轻离子浓度增大)或平行粒子流造成，而非等离子体温度造成。

6) 地震前几天，在孕震区上空突发E层活动增多，D层电离增大。

7) 地震电离层影响效应可观测门限取决于孕震区大小和震级；地震-电离层异常变化趋势和形状取决于观测点相对于孕震震中的位置和本地时，不同经纬度的依从关系可能不同。

8) 在F层最大电子密度高度上，电离层受影响区域取决于震级，对于M>7的大地震，受影响经纬度范围可以高达40度。

9) 受影响变化最大的电离层区与孕震震中在电离层中的垂直投影位置不一致。在中高纬地区会向赤道方向偏移。在特定环境下，在磁共轭区内可以观测到相应的电离层变化。

10) 在低纬和赤道区，地震-电离层感应导致赤道整体结构的异常变化。最经常观测到的效应是赤道双冠顶向赤道漂移，直到它们整个消失。

上述电离层前兆需要天地基多种电离层观测手段联合观测才能得到。天基电离层观测手段覆盖空间广，能够实现全球电离层观测，但缺乏时间上的连续性；地基电离层观测手段可对特定地区实现连续观测；两者优势互补，可满足电离层观测的空间分辨率和时间分辨率要求[2-4]。其中，天基全球定位系统(GPS)掩星可以获得全球范围电离层TEC和电子密度剖面等信息，通过对其进一步处理，可以得到电离层峰值处标高(scale height,Hs)等电离层形态信息，用于地震前电离层异常分析。

2. 掩星电子密度峰值处标高的估计

在信号传播路径为直线这一假设下,根据星载GPS掩星接收机观测到的信号传播路径上的斜路径总电子含量,利用Abel积分反演技术即可获得电离层不同高度上的电子密度[5]。在局部电子密度球对称假设下，GPS掩星接收机观测到的信号传播路径上的TEC[6]为

(1)

式中：rGPS和rLEO分别是GPS和低地球轨道(LEO)卫星的轨道半径；r0是掩星点到地心的距离。由于LEO卫星轨道高度远远低于GPS卫星轨道高度，可认为掩星面和LEO卫星轨道面一致以及LEO卫星轨道为圆轨道。利用非掩星侧的辅助观测数据校正TEC,消除LEO卫星轨道高度以上的TEC0,得到LEO卫星轨道以下的TEC′.

TEC′(r0) =TEC-TEC0

(2)

式(2)的Abel积分逆变换存在近似解析解[7]：

(3)

式中,ΔTEC′(r)=dTEC′(r)/dr.

获得气象、电离层和气候观测星座系统(COSMIC)掩星电子密度剖面后，可估计电离层标高Hs.首先采用电离层Chapman-α模型对掩星电子密度剖面数据质量进行检验。检验的方法是应用Chapman-α模型来拟合峰值高度附近200～600 km的电子密度数据，首先，通过最小二乘拟合过程得到峰值电子密度NmF2、峰高hmF2和模型标高Hm，随后计算拟合值与真值相对误差的标准偏差。若标准偏差大于15%，则舍弃该电子密度剖面[8-9]，大多数COSMIC掩星电子密度剖面符合该条件。

(4)

采用电离层Chapman-α模型拟合电子密度剖面得出的模型标高Hm，更接近于顶部电离层的中性大气标高，而不是真实意义的等离子体标高，因此，通过上述过程可以完成电子密度剖面产品的质量管控。随后从符合条件的COSMIC电子密度剖面中估计电离层Hs.

电离层峰值高度处标高Hs定义为[10]：顶部电离层电子密度衰减到NmF2的1/e (0.368)时的高度hsc与电子密度峰值高度hmF2的差，即

Hs =hsc-hmF2

(5)

其与Hm关系可通过Chapman-a模型推导获得，即

Hs=2.947*Hm

(6)

电离层Hs具有清晰的电离层物理意义，该标高的变化意味着由峰值电子密度、高度、离子温度和电子温度变化引起的电子密度剖面形态的改变。

3. 东日本大地震前电离层异常分析

2011年3月11日13时46分(北京时间)在日本本州岛仙台港以东太平洋国际海域发生里氏9.0级地震，震中位于北纬38.1度，东经142.6度，被称为“东日本大地震”。

3.1 数据获取及地磁活动与太阳活动分析

本文主要利用美国大气研究大学联盟(UCAR)的COSMIC数据分析与存储中心的掩星数据、空间物理交互数据资源(Space Physics Interactive Data Resource，SPIDR) 的电离层垂测仪数据以及日本学术振兴会(JSPS)的相对VTEC扰动数据，研究分析东日本大地震前的电离层参数异常变化。

天基电离层观测数据选取以地震震中位置为中心，经度和纬度跨度为40度的地理范围内，时间从2011年3月2日至2011年3月13日期间的COSMIC掩星电离层观测数据。地基电离层观测数据则从SPIDR选取了震中附近的五个垂测仪在此期间的f0F2等观测数据。

查阅国家空间天气监测预警中心的地磁Dst指数、太阳10.7 cm射电流量(F10.7)和太阳黑子数的历史数据，显示3月2日至3月10日期间地磁活动平静，在10日9:00UT以后至12日，地磁场发生扰动，达到了小磁暴水平。太阳10.7 cm射电流量(F10.7)和太阳黑子数显示该段时间太阳活动处于中等水平,在3月8日存在F10.7小幅增加,但其对电离层影响是全球性的。

3.2 电离层f0F2分析

鉴于地震电离层异常现象的区域性特点，选取日本三个垂测站(从北向南依次为Kokubunji站(TO536)、Yamagawa站(YG431)和Okinawa站(OK426))和韩国两个垂测站(I-Cheon站(IC437)和Jeju站(JJ433))的观测数据来分析东日本大地震前的电离层f0F2异常变化。五个站与此次震中的大圆距离均小于2000 km，具体位置见图1。从图1可以看出，日本三个垂测站均位于环太平洋地震带上，而韩国两个站则位于地震带外。

图1 五个地基垂测仪站位置分布

五个垂测站3月1日至3月15日期间的f0F2观测数据时间序列见图2。通过五个垂测站f0F2观测数据的对比分析，可以清晰的看出：TO536站和YG431站在3月5日至3月11日期间的f0F2日最大值没有明显变化，但存在较大的异常扰动现象，且两站之间数据具有较强的相关性。而与之相对应的是：韩国IC437站、JJ433站和日本OK426站同期间的f0F2日最大值存在明显的逐日变化，8日f0F2明显高于其它时间。

与f0F2月中值相比，TO536站在8日13点前后两个小时内存在f0F2整体增强和短时下降并存现象，增强幅度达到20%，而减小幅度则达到100%；YG431站也存在类似现象。该现象属于与高层大气内的声重力波运动有关的电离层行波式扰动(TID)，而与地磁活动及太阳活动的数据无相关性；5日和9日两个站f0F2数据存在短时下降异常现象，减小幅度超过100%。

在分析了各站hmF2数据和俄罗斯Khabarovsk重测站(KB548)的观测数据后，认为8日TO536站和YG431站的行波式扰动可能由与地震有关的大气声重力波向上传播到电离层引起的；而其余时间的短时下降异常可能由地震引起的扩展F造成。8日其它三个站的f0F2增加可能由F10.7小幅增加引起。此外，TO536站和YG431站与地震震中处于同一地震带，存在明显扰动异常。而位于地震带外的韩国IC437站、JJ433站以及虽然处于同一地震带，但距震中将近2000 km的日本OK426站均无明显异常现象。基于五个站与震中的地理位置关系及其相应的电离层f0F2变化相关性，作者认为地震-电离层感应可能存在区域强相关性的沿地震带耦合机理，具体物理响应过程有待于进一步深入研究。

3.3 电离层VTEC分析

针对电离层VTEC，可从两种角度(大时间尺度的宏观特性和高时空分辨率的微观特性)开展异常变化分析。由于GPS服务机构(IGS)的全球电离层FEC地图(GIM)数据时间分辨率为2小时，因此其仅能用于电离层大空间和时间尺度的整体VTEC变化分析；而基于电离层VTEC的微尺度观测数据可开展地震-电离层耦合的方式等课题研究。

日本建有密集的GPS观测站网络，其国土地理院(Geographical Survey Institute (GSI)的GPS地球观测网(GPS Earth Observation Network，GEONET)能够对电离层形成高时空分辨率观测能力：空间分辨率为0.15度(经度)×0.15度(纬度)，时间分辨率为30 s.目前日本学术振兴会利用GEONET数据处理并发布日本地区的高时空分辨率的相对VTEC扰动图[11]，该数据产品可用于震前电离层VTEC扰动分析，同时可与日本垂测仪观测结果开展联合分析,获得电离层VTEC的时变特性。

图2 3月1日至3月15日期间TO536站、YG431站、OK426站、IC437站和JJ433站垂测仪的f0F2时间序列图

图3(a)和(b)为8日TO536站和YG431站15分钟间隔的f0F2观测数据，图3(b)和(d)表示两站上空10分钟间隔的相对VTEC扰动数据，即消趋势相对TEC扰动值。其获得过程为：首先利用GPS双频相位数据解算出GPS卫星与GPS接收机之间的相对倾斜TEC，并减去两小时滑窗均值来消除相对TEC大尺度变化趋势以及硬件偏差，随后乘以倾斜因子将其转换成相对VTEC的扰动值。从图4可以看出，相对VTEC的扰动时间和f0F2的扰动时间基本一致，且呈现较大的波浪起伏形态，其中TO536站13:00LT和14:15LT时段，而YG431站在11:00LT和14:00LT时段的相对VTEC减小幅度超过2TECU。这进一步验证了TO536站和YG431站垂测仪观测结果可能由电离层行波式扰动造成的。

(a) TO536站3月8日f0F2观测数据

(b) TO536站3月8日上空相对VTEC扰动值的时间序列

(c) YG431站3月8日f0F2观测数据

(d) YG431站3月8日上空相对VTEC扰动值的时间序列图3 f0F2与相对VTEC扰动值的相关分析

3.4 电离层Hs分析

表1给出了从3月2日至3月13日13:00LT至16:00LT之间距离震中2000 km以内的COSMIC掩星电子密度剖面的Hs值。图4(a)～(d)给出了部分日期的电子密度剖面图及其Hs值，图中掩星电子密度剖面的峰值位置与震中的大圆距离小于1000 km则以实线绘制，否则以虚线绘制。

(a) 2011-3-2掩星电子密度剖面及其Hs(本地时)

(b) 2011-3-8掩星电子密度剖面及其Hs(本地时)

(c) 2011-3-11掩星电子密度剖面及其Hs(本地时)

(d) 2011-3-13掩星电子密度剖面及其Hs(本地时)图4 3月2日至3月13日13:00LT～16:00LT期间距震中2000 km以内的COSMIC掩星电子密度剖面及其Hs

从表1中可以看出，3月2日，震区上空电离层Hs为92 km，3月7日14点以前的Hs也小于100 km，14点以后Hs开始增加，达到112 km.值得注意的是，3月8日，电离层Hs存在明显异常，Hs高达173 km，即使距震中较远的电子密度剖面得到的Hs也达到120 km.3月9日Hs均在120 km左右。地震发生当天的Hs为123 km，地震发生后的两天内，Hs回落到100 km水平。

表1 电离层Hs的统计结果

电离层Hs存在地方时变化和季节性变化。春秋季节中纬地区，在14:00LT点后出现小幅下降；磁暴期间，会受电子和离子增温影响。本文分析Hs的变化是在3月份2日至13日的同一时段基础上得出的，且10日以前地磁活动平静。可以看出，地震发生前震中附近的电离层Hs存在增加现象，增加幅度超到20%。除了8日Hs变化可能受太阳F10.7小幅增加影响外，可认为7日至11日14:00LT后电离层Hs增加现象与地震有关联。

4. 结 论

综合地磁活动和太阳活动等因素分析，认为震前电离层的f0F2、相对VTEC及Hs等异常变化与磁暴无关，但某些变化可能受到太阳活动影响。总之，上述异常变化符合已经证实的震前电离层异常现象，认为其可能与地震有一定关联，表明电离层异常变化对于地震短期预报具有重要参考意义。但要弄清其前因后果，并做到短期预报，需要深入研究地震-电离层耦合机理及模型，并基于多种电离层探测手段开展多种电离层参数联合分析，以增强地震电离层前兆的辨识度。

致谢本文研究所用数据来自于空间物理交互数据资源、日本学术振兴会、UCAR的COSMIC数据分析与存储中心和国家空间天气监测预警中心，在此表示感谢。

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