玉樹Ms7.1地震前電離層 VTEC異常＊

熊 晶 周義炎 吳 云

(1)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,武漢 430079)

玉樹Ms7.1地震前電離層 VTEC異常＊

熊 晶1,2)周義炎1,2,3)吳 云1,2)

(1)中國(guó)地震局地震研究所,武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071 3)武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,武漢 430079)

利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的 GNSS連續(xù)觀測(cè)站資料,解算了 2010年 4月 14日玉樹Ms7.1地震后,震中附近4個(gè)GNSS觀測(cè)站(LHAS、LUZH、DLHA、WUSH)上空的TEC時(shí)間序列數(shù)據(jù)及中國(guó)區(qū)TEC二維分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。從 TEC時(shí)間序列圖來看,其中 LHAS、LUZH、WUSH站在 4月 1日當(dāng)?shù)貢r(shí)的下午 TEC出現(xiàn)了正擾動(dòng); LHAS、LUZH和DLHA站在 4月 5日當(dāng)?shù)貢r(shí)的午夜 TEC出現(xiàn)了正擾動(dòng);TEC的擾動(dòng)自東向西漂移,其中 5日的擾動(dòng)區(qū)域相對(duì)較大,幾乎橫跨整個(gè)中國(guó)區(qū)域上空。

垂直總電子含量(VTEC);電離層擾動(dòng);地震;前兆;GNSS

1 引言

近年來,震前電離層異常成為地震學(xué)界研究的熱點(diǎn),相關(guān)研究證實(shí),電離層 TEC變化可作為檢測(cè)地震電離層耦合效應(yīng)的有效手段[1-6]。Liu[3,4]利用臺(tái)灣 GNSS觀測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的 TEC(Total Electron Content)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn) 1999年集集地震前,電離層赤道異常峰值向地磁赤道移動(dòng),震前 5天內(nèi),孕震區(qū)上空下午的 TEC顯著減小,統(tǒng)計(jì)分析 1999—2002年間M≥6的震例,發(fā)現(xiàn)震前 5天內(nèi) TEC亦顯著減小。2005年吳云[5]檢測(cè)亞洲 3次大地震前的 TEC,發(fā)現(xiàn)震前 10天內(nèi)孕震區(qū)上空 TEC均出現(xiàn)明顯擾動(dòng),且異常的增加一般出現(xiàn)在減小之前。2009年 Liu[6]利用全球電離層地圖的 TEC數(shù)據(jù),分析 1998—2008年中國(guó)大陸的 35次M≥6.0地震,發(fā)現(xiàn)有 17次地震震中附近上空的 TEC在震前 3～5天顯著減小。其中,2008年汶川地震前第 4～6天下午和震前第 3天傍晚時(shí)的 TEC顯著減小,而震前下午的 TEC明顯增大。周義炎[7],林劍[8],祝芙英[9],趙必強(qiáng)[10]利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的 GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù),解算汶川附近 GNSS觀測(cè)站的單點(diǎn) VTEC(Vertical Total Electron Content)及中國(guó)大陸上空的 TEC二維分布,均發(fā)現(xiàn) 5月 9日 TEC明顯增大,幅度達(dá) 70%,震前多天 TEC明顯減小,磁共軛區(qū)也顯示出相似異常現(xiàn)象,且異常區(qū)相對(duì)震中向赤道偏移。本文擬利用中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的 GNSS連續(xù)觀測(cè)站資料,解算 2010年 4月 14日玉樹 7.1級(jí)地震期間孕震區(qū)上空的電離層變化情況。

2 GNSS資料收集與TEC解算

根據(jù)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的 GNSS連續(xù)觀測(cè)站資料,利用垂直電子總含量 TEC反演方法[11],解算震中附近 4個(gè) GNSS觀測(cè)站(LHAS、LUZH、DLHA、WUSH,圖 1)上空的 TEC時(shí)間序列數(shù)據(jù)及中國(guó)區(qū) TEC二維分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù),所采用的 TEC單位為 TECu(1TECu=1016el/m2),時(shí)間單位為世界時(shí)(UT)。

圖 1 中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò) GNSS站點(diǎn)及玉樹地震震中分布Fig.1 Location of GNSS station net work of China and the epicenter of Yushu earthquake

3 TEC異常檢測(cè)和地震電離層異常識(shí)別

3.1 單站探測(cè)的 VTEC時(shí)間序列分析方法

利用震中附近單站地基 GNSS TEC數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)的具體思路是：將建立正常參考背景的時(shí)窗長(zhǎng)度設(shè)定為 10天 (剔除太陽(yáng)耀斑或磁暴活動(dòng)天);在此 10天期間,取每天同一時(shí)刻的 TEC觀測(cè)值,在假設(shè)其服從正態(tài)分布的條件下,計(jì)算其均值μ1和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ1,從而建立初始參考背景模型 (μ1, σ1)。為了可靠地識(shí)別電離層異常變化,將觀測(cè)值TEC的誤差限設(shè)定為 2σ1。TEC觀測(cè)值將以 95%的置信度落在 [μ1-2σ1,μ1+2σ1]背景區(qū)間,超出此區(qū)間的上、下邊界線且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 2小時(shí)以上的TEC觀測(cè)值視為異常值。將時(shí)窗向前滑動(dòng),建立參考背景模型(μ2,σ2),依此類推,即可建立地震期間一個(gè)滑動(dòng)的正常背景參考模型序列,直至地震發(fā)生。這種單站 TEC時(shí)間序列異常檢測(cè)可確定震前電離層異常擾動(dòng)的起始時(shí)間、幅度大小等信息。

3.2 多站探測(cè)的 TEC二維平面分布時(shí)間序列分析方法

通過多站探測(cè)的 TEC數(shù)據(jù)建立地基 GNSS網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)區(qū)域的 TEC二維分布時(shí)間序列(采樣周期 2小時(shí)),以了解整個(gè)孕震活動(dòng)區(qū)的電離層變化狀況,其異常檢測(cè)具體思路與單站探測(cè)的VTEC時(shí)間序列分析方法類似。通過孕震區(qū) TEC二維平面圖,可以全面了解整個(gè)孕震區(qū) TEC的動(dòng)態(tài)變化,直觀地發(fā)現(xiàn)和捕捉震中附近更為豐富的 TEC異常擾動(dòng)信息,如異常擾動(dòng)起始時(shí)間、所處位置、區(qū)域大小和擾動(dòng)幅度等。

已有的觀測(cè)結(jié)果表明,在太陽(yáng)和地磁活動(dòng)等日-地空間環(huán)境相對(duì)平靜的條件下,一段時(shí)間內(nèi)固定點(diǎn)上空的 TEC日-日變化規(guī)律將不會(huì)有大的變化,除非有其他的強(qiáng)擾動(dòng)源存在[12]。除地震事件外,引起電離層擾動(dòng)的原因很多。如何識(shí)別不同的擾動(dòng)源, Pulinets[13]等認(rèn)為,就已記載的關(guān)于電離層對(duì)磁暴與地震的響應(yīng)特點(diǎn)而言,電離層對(duì)磁暴的響應(yīng)具有范圍廣(全球)、時(shí)間長(zhǎng)(可超過 12小時(shí))、擾動(dòng)幅度大且趨勢(shì)一致等特點(diǎn),而對(duì)地震的響應(yīng)則只在局部地區(qū),持續(xù)時(shí)間較短 (一般不超過 4～6小時(shí),僅對(duì)特別的強(qiáng)震其電離層擾動(dòng)可能會(huì)超過這個(gè)時(shí)間限制,如 1964年 3月的 Alaska大地震,擾動(dòng)時(shí)間接近 12小時(shí)),擾動(dòng)幅度小且與背景值的偏離量有正有負(fù)。因此,綜合分析電離層異常擾動(dòng)的時(shí)空特征和空間物理環(huán)境,其擾動(dòng)源是有可能識(shí)別的。

4 數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

4.1 GNSS基準(zhǔn)站 TEC時(shí)間序列考察

選取玉樹地震震中附近的 4個(gè) GNSS連續(xù)站進(jìn)行 TEC時(shí)間序列考察分析(圖 2～5)。

圖 2 LHAS站上空 TEC時(shí)間序列圖(03-31—04-14)Fig.2 Ti me series of GNSS TEC right above the LHAS station(31 Match to 14 April)

圖 3 LUZH站上空 TEC時(shí)間序列圖(03-31—04-14)Fig.3 Time seriesof GNSS TEC right above theLUZH station(31 Match to 14 April)

圖 4 DLHA站上空 TEC時(shí)間序列圖(03-31—04-12)Fig.4 Ti me seriesof GNSS TEC right above theDLHA station(31 Match to 12 April)

圖 5 WUSH站上空 TEC時(shí)間序列圖(03-31—04-14)Fig.5 Time series of GNSS TEC right above the WUSH station(31 Match to 14 April)

從 4個(gè) GNSS站的 TEC時(shí)間序列圖來看,其中LHAS、LUZH和WUSH站在 4月 1日的當(dāng)?shù)貢r(shí)下午出現(xiàn)了正異常,而LHAS、LUZH和DLHA 3個(gè)站在4月 5日的當(dāng)?shù)貢r(shí)午夜出現(xiàn)了正異常。

4.2 TEC二維平面分布時(shí)間序列考察

為了更清楚、全面地獲悉 4月 1日和 5日的電離層異常,利用中國(guó)區(qū) 25個(gè)連續(xù)觀測(cè)站反演的 TEC數(shù)據(jù),通過球諧函數(shù)擬合方法,構(gòu)建中國(guó)區(qū) TEC二維分布時(shí)間序列(圖 6)。同樣,采用與基準(zhǔn)站異常檢測(cè)相類似的方法,創(chuàng)建 4月 1日和 5日電離層正異常期間絕對(duì)異常量 △TEC(ΔTEC=TECObs-TECUp)的空間分布 (圖 7)。

圖 6 4月 1日(0400UT、0600UT、0800UT)△TEC的分布Fig.6 Distribution of△TEC on 1 April(0400UT, 0600UT,0800UT)

圖 7 4月 5日(1200UT、1400UT、1600UT)△TEC的分布Fig.7 Distribution of△TEC on 5 April(1200UT, 1400UT,1600UT)

從△TEC分布圖可以清晰地看出 4月 1日和 5日的異常區(qū)域大小、方位、幅度、異常持續(xù)時(shí)間,且這兩天內(nèi)的異常均自西向東漂移,其中 5日的異常區(qū)域相對(duì)較大,幾乎橫跨整個(gè)中國(guó)區(qū)域上空。

4.3 結(jié)果分析

通過考察地震期間 TEC時(shí)間序列變化發(fā)現(xiàn),4月 1日和 5日,即震前第 13天和第 9天存在正異常,且異常均自東向西漂移,經(jīng)過玉樹地震震中附近。為考察這兩次 TEC正異常是否與玉樹地震有關(guān),我們有必要回顧地震考察期間的太陽(yáng)和地磁活動(dòng)水平。據(jù)國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心 (http：// www.spaceweather.gov.cn)資料,太陽(yáng)活動(dòng)在整個(gè)考察期間均保持低的活動(dòng)水平,而地磁活動(dòng)在 4月 1日出現(xiàn)了 3小時(shí)的活躍期,在 4月 5—7日一度達(dá)到了中等磁暴的水平。因此,4月 5日檢測(cè)到的大范圍 TEC正異?？赡芘c磁暴有關(guān)。另外,4月 1日出現(xiàn)的小范圍 TEC正異常也難以明確判斷其與玉樹地震有關(guān),這主要基于以下兩點(diǎn)原因：1)4月 1日出現(xiàn)了 3小時(shí)地磁活躍;2)這次異常出現(xiàn)的時(shí)間與發(fā)震時(shí)間相距甚遠(yuǎn) (間隔 12天),遠(yuǎn)大于 Pulinets[13]和劉正彥[14,15]等統(tǒng)計(jì)的地震電離層前兆時(shí)間尺度 (0～6天)。另外,從圖 2 LHAS GNSS跟蹤站 TEC時(shí)間序列曲線來看,震前的第一天(13日)和震后第一天(15日),TEC變化有所增強(qiáng),達(dá)到和接近 2倍標(biāo)準(zhǔn)差上限。

5 結(jié)論

TEC時(shí)間序列分析結(jié)果顯示：4月 1日和 5日在震中附近上空出現(xiàn)了明顯的 TEC正異常擾動(dòng)。然而,這兩次異常均出現(xiàn)于地磁活動(dòng)水平增強(qiáng)或磁暴期間;因此,4月 5日的異?？赡芘c磁暴有關(guān),而 4月 1日的異常難以明確判斷其擾動(dòng)源;13日和 15日,LHSA站顯示的 TEC變化略顯異常,可能與地震有關(guān)。

致謝 感謝中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中心提供的GNSS實(shí)測(cè)資料!

1 Calais E and Minster J.GS detection of ionospheric perturbantion following the January 17,1994,Northridge earthquake[J].Geophysical Research Letters,1995,22(9)：1 045-1 048.

2 Zaslavski Y,parrotM and Blanc E.Analysis of TEC measurements above active seis mic regions[J].Physics of the Earth Planetary Interiors,1998,105：219-228.

3 Liu J Y,et al.Variationsof ionospheric total electron content during the Chi-Chi earthquake[J].Geophysical Research Lettres,2001,28(7)：1 383-1 386.

4 Liu J Y,et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GNSS TEC measurement[J].Annales Geophysicas,2004：1 585-1 593.

5 吳云,喬學(xué)軍,周義炎.利用地基 GNSS探測(cè)震前電離層TEC異常[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(2)：36-40.(Wu Yun,Qiao Xuejun and Zhou Yiyan.Preseis mic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GNSS[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(2)：36-40)

6 Liu J L,et al.Seismoionospheric GNSS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008Mw7.9 Wenchuan earthquake[J].Journal of Geophysical Research, 2009,114：A04320.

7 Zhou Yiyan,et al.I onospheric anomalies detected by groundbased GNSS before theMw7.9Wenchuan earthquake ofMay 12,2008,China[J].Journal of At mospheric and Solar-Terrestrial Physics,2009,71：959-966.

8 林劍,等.基于 GNSS探測(cè)汶川地震電離層 TEC的異常[J].地球物理學(xué)報(bào),2009,52(1)：297-300.(Lin Jian,et al.Wenchuan earthquake ionosphere TEC anomaly detected by GNSS[J].Chines J.Geophys,2009,52(1)：297-300)

9 祝芙英,等.汶川 Ms8.0地震前電離層 TEC異常分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2008,(6)：16-21.(Zhu Fuying,et al.Study on ionospheric TEC anomaly prior to WenchuanMs8.0 earthquake[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2008,(6)：16-21)

10 趙必強(qiáng),等.震前電離層擾動(dòng)研究進(jìn)展及汶川地震前電離層變化[J].科技導(dǎo)報(bào),2008,26(11)：30-34.(Zhao Biqiang,et al.Recent advances on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior toWenchuan earthquake[J].Science and Technology Review, 2008,26(11)：30-34)

11 周義炎,等.汶川Ms8.0地震前電離層 VTEC的異常變化[J].地球物理學(xué)報(bào),2010,53(3)：556-566.(Zhou Yiyan,et al.Anomalous variations of ionosphericVTEC beforeMs8.0 Wenchuan earthquake[J].Chinese Journal of Geophysics,2010,53(3)：556-566)

12 熊年祿,唐存琛,李行健.電離層物理概論[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,1999.(Xiong Nailu,Tang Cunchen and Li Xingjian.Introduction to ionospheric physics[M].Wuhan：Wuhan University Press,1999)

13 Pulinets S A and Boyarchuk K. Ionospheric precursors of earthquakes[M].Berlin Heidelberg：Sprioger-Verlag,2004.

14 Liu J Y,et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies monitored by GNSS TEC[J].Annales Geophysicae,2004,22：1 585-1 593.

15 Liu J Y,et al.A statistical investigation of pre-earthquake ionospheric anomaly[J].J Geophys.Res.,2006,111：A05304.

IONOSPHERIC VTEC ANOMALY DETECTED BY GROUND-BASED GNSS BEFOREMs7.1 YUSHU EARTHQUAKE

Xiong Jing1,2),Zhou Yiyan1,2,3)andWu Yun1,2)

(1)Institute of Seism ology,CEA,W uhan 430071 2)CrustalM ovem ent Laboratory,W uhan 430071 3)School of Geodesy and Geom atics,W uhan University,W uhan 430079)

Using vertical total electron content(VTEC)derived from the reference stationsof CrustalMovement ObservationalNetwork of China to examine the ionospheric variations during theMs7.1 Yushu earthquake occurred on April 14,2010,in China,the ti me series of TEC values over 4 GNSS stations(LHAS,LUZH,DLHA,WUSH)around the epicenter and the TEC values of 2D distribution over whole China was computed.The final results show that the ionospheric VTEC over 3 GNSS ststions(LHAS,LUZH,WUSH)increased in the afternoon of local time on April 1,and the VTEC values over 3 GNSS stations(LHAS,LUZH,DLHA)also increased in the midnight on April 5,both of these ionospheric anomalies drifted from east to west,and the latter acrossed the whole China.

vertical total electron content;ionospheric anomaly;earthquake;precursor;Global Navigation Satellite System(GNSS)

1671-5942(2010)05-0024-04

2010-07-10

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2008BAC35B02);國(guó)家“863”計(jì)劃課題(2007AA12Z169);中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS200956018)

熊晶,男,1982年生,研究實(shí)習(xí)員,碩士,現(xiàn)從事 GNSS氣象學(xué)方面的研究.E-mail：whu.xiongjing@gmail.com

P228.4

A