基于CODE GIM的震前電離層TEC異常分析*

劉 軍 柴洪洲 劉長建 陳 軻 常宜峰

(解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052)

基于CODE GIM的震前電離層TEC異常分析*

劉 軍 柴洪洲 劉長建 陳 軻 常宜峰

(解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052)

利用CODE GIM數據分析了2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日青海玉樹地震震前電離層TEC變化。以震前10天TEC中位數為基準，1.5倍標準差為誤差限值，并考慮相應時期的太陽和地磁活動水平(Dst指數和Kp指數)，對震前電離層異常的分布進行了分析。結果表明，兩次地震震前幾天內都有TEC異常出現。

電離層;TEC;地震;異常;預報

1 引言

由于地震產生機理的復雜性，地震預測一直是全世界面臨的科學難題，現有的手段主要是通過對地震前兆的分析來預測可能發生的地震［1-4］。隨著衛星技術的發展，利用衛星觀測數據提取相應的地震前兆信息，進而為短臨地震的預測提供參考，受到了廣泛的關注。

震例研究表明：一般在震級大于5級的地震發生前幾天到幾小時內，都會出現明顯的電離層擾動［4-7］。涉及的電離層參數主要有f0F2(電離層F2層臨界頻率)、f0Es(電離層偶發Es層臨界頻率)、TEC(總電子含量)、電子密度等。文獻［7］對2005年9月26日秘魯Ms7.5地震震前赤道地區電離層擾動進行分析，發現震前幾天的傍晚和夜間TEC均出現了異常，震中附近呈現雙駝峰的不規則結構，CHAMP數據的結果也證實了該結論。文獻［8］對臺灣屏東兩次Ms7.0地震進行分析，結果表明震前5天震中附近的電離層高度和電子密度都有明顯的下降。文獻［9-14］利用GPS、IGS、DEMETER衛星數據分析了汶川Ms8.0地震前電離層參數的變化特征，發現震前后幾天多個電離層參量均出現異常現象，在南半球磁共軛區也出現異常，且有向磁赤道飄移的趨勢。

本文利用CODE GIM數據分析了2008年5月12日汶川地震和2010年4月14日青海玉樹地震震前電離層TEC的變化情況，考慮太陽和地磁活動水平，進而提取相應的震前電離層TEC異常信息。

2 汶川震例分析

利用CODE提供的2008年4月22日—5月22日的GIM數據，對每個點上的TEC進行異常檢驗。以前10天對應時刻TEC的中位數為中值，1.5倍標準差為浮動上下限，具體計算時，初始值由4月12—21日的數據計算得到。

為了考察震中(103.4°E，31.0°N)上空附近區域的電離層TEC的變化情況，挑選距離震中最近的格網點及該點東西南北方向的4個點作為異常探測點，分別為D1(105.0°E，30.0°N)、D2(105.0°E，25.0°N)、D3(105.0°E，35.0°N)、D4(110.0°E，30.0°N)、D5(95.0°E，30.0°N)。對每個點上的TEC進行異常檢測，同時給出相應的表征環電流強度的Dst指數和表征平均地磁活動強度的Kp指數。

Dst指數表示全球環電流強度，目前普遍認為當Dst指數低于-50nT時，表示磁暴可能發生。其中，當Dst指數在-100 nT以下時，有可能發生大磁暴［1］。由圖1知地震期間Dst指數處于較低的水平，因此基本可以排除地震期間中級以上磁暴發生的可能。Kp指數表征每3小時平均地磁活動的強度，每天的 Kp指數和大于30表示地磁活動強烈［1］。從圖2中可以發現，Kp指數大部分都位于4以下，地磁活動水平較為平穩。因此磁暴和地磁活動對電離層的影響基本可以忽略。

圖3給出了震中附近幾個檢驗點的TEC變化情況。可以看出，D1震前第3天和第9天均出現了明顯的正異常，震前第13天出現了較大幅度的負異常，相比而言，震前第3天的負異常相對較小。D2震前第3天可以觀測到正異常，但幅度很小，震前第13天的負異常較為明顯。D3只有震前第9天有明顯的正異常。D4與D1情況基本相同。D5震前第13天的負異常較為明顯，震前第9天的TEC與上限基本位于同一水平。考慮到Kp指數和Dst指數在震前20天內基本上位于較低水平，對幾個檢驗點TEC變化情況的綜合分析可以得出如下結論，震前第3天和震前第9天出現了明顯的正異常，震前第13天出現了負異常，且異常持續時間都較長，可以認為是震前電離層擾動的前兆。

圖1 汶川地震期間的Dst指數Fig.1 Dst index during the Wenchuan earthquake

圖2 汶川地震期間的Kp指數Fig.2 Kp index during the Wenchuan earthquake

圖3 檢驗點的TEC變化情況Fig.3 Changes of TEC at the testing points in the Wenchuan earthquake

為了進一步了解異常分布情況，分別對CODE發布的GIM數據逐點進行TEC異常檢驗，圖4給出了5月9日0800UT—1200UT全球電離層TEC異常的分布。可以看出，0800UT時震中東南方區域出現了正異常，最大值達到了4.5TECU，距震中以南20°和以西40°的地方出現了負異常，其中震中以南的負異常最大為-6TECU，正、負異常區域的大小基本一致。與0800UT時刻相比，1000UT時負異常區域向西飄移且范圍逐漸擴大，但異常程度有所降低，正異常主要分布在包括震中及震中以南的區域，大小和范圍都明顯增加，同時，在南半球磁共軛區域也出現了正異常，但大小和范圍比北半球的略小。1200UT時，正負異常繼續向西飄移，但正異常值的減小比較明顯，范圍也有一定程度的縮小。

圖4 5月9日0800UT—1200UT全球電離層TEC異常分布情況(單位：TECU)Fig.4 Distribution of global ionospheric TEC anomalies from 0800UT to 1200UT on May 9th(unit：TECU)

3 青海玉樹地震

2010年4月14日青海玉樹發生Ms7.1地震，我們采用3月24日—4月23日的CODE GIM數據，利用跟汶川地震相同的數據分析方法，對玉樹震前電離層TEC變化情況進行分析。選取的5個檢驗點分別為Y1(95.0°E，32.5°N)、Y2(95.0°E，27.5°N)、Y3(95.0°E，37.5°N)、Y4(100.0°E，32.5°N)、Y5(90.0°E，32.5°N)。

圖5為玉樹地震期間Dst指數分布情況，容易發現震前第7天Dst指數較大，最大達到了-70 nT，相當于中等磁暴的水平，震前第1天也達到了-50 nT。圖6為對應的Kp指數分布，可以看出，震前第1、7、8天Kp指數較高，地磁活動比較強烈。

圖5 玉樹地震期間的Dst指數Fig.5 Dst index during the Yushu earthquake

圖6 玉樹地震期間的Kp指數Fig.6 Kp index during the Yushu earthquake

圖7 檢驗點的TEC變化情況Fig.7 Changes of TEC at the testing points in the Yushu earthquake

圖7中，Y1震前第12、19天出現了正異常，第1天TEC值達到了上限;Y2震前第12、19天出現了正異常;Y3出現異常的天數較多，除了第1、19天出現正異常外，還有第8、17、18天也探測到了正異常，第15天的TEC值達到了下限;Y4震前第1、12、19天出現了正異常;Y5與Y2情況相同。綜上，可以認為震前第1、12、19出現了TEC異常，考慮到Dst和Kp指數的分布，由于第1天的太陽和地磁活動比較劇烈，不能肯定該天的TEC異常是否跟地震活動有關，且第19天的異常距發震時刻較遠，也不能確定是由地震引起的，因此，可以認為第13天的異常為震前異常。這與文獻［15］的結論基本一致。

圖8給出了4月1日全球電離層TEC異常的分布。可以看出，0200UT時刻正負異常區域較多，且分布沒有明顯的規律，震中東南方出現正異常，在南半球磁共軛區域也觀測到了正異常，但異常的幅度并不大，在4TECU左右。0600UT時刻正異常漂移到了震中附近，南半球對應的正異常分成了兩部分，異常的幅度都有較大的增長，尤其是震中附近，達到了8TECU，且在南北半球的正異常之間還有負異常的出現，位于赤道偏北，由于距震中較遠，不確定該負異常是否與地震有關。1000UT時刻異常區域繼續向西漂移，南北半球各有一個正異常，但不同的是南半球的正異常在變大，而北半球的正異常無論在范圍還是大小上都在逐漸縮小。

圖8 4月1日0200UT—1000UT全球電離層TEC異常分布(單位：TECU)Fig.8 Distribution of global ionospheric TEC anomalies from 0200UT to1000UT on April 1th(unit：TECU)

4 討論

利用CODE GIM數據分析了汶川和玉樹兩次地震前電離層TEC變化情況，以震前10天對應時刻的TEC中位數為基準，1.5倍標準差為限差，對兩次地震震前的TEC進行異常檢驗，都發現了明顯的異常，汶川地震正負異常均有出現，玉樹地震只探測到了正異常。

盡管兩次地震的研究表明可以嘗試利用震前電離層擾動對短臨地震進行預測，但是由于地震機理的復雜性及震前電離層擾動原因的不明確，利用電離層擾動對地震進行預測有明顯的局限性。同時，如何選擇異常的限值關系著異常信息的準確提取，且仍然未能解決確定震中位置的問題。因此，對于異常的探測方法和有效性還值得研究，可行的方法是聯合其他地震前兆信息，如地磁、地電阻率的變化等，綜合分析以預測可能發生的地震。

1 蔡軍濤，等.地震期間電離層擾動現象研究［J］.地球物理學進展，2007，22(3)：695-701.(Cai Juntao，et al.The study on ionospheric disturbances during earthquakes［J］.Progress in Geophys，2007，22(3)：695-701)

2 趙必強，等.震前電離層擾動研究進展及汶川地震前電離層變化［J］.科技導報，2008，26(11)：30-34.(Zhao Biqiang，et al.Recent adveaces on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior to Wenchun Earthquake［J］.Science＆Technology Review，2008，26(11)：30-34)

3 蔡軍濤，等.地震前兆：電離層層異常［J］.地球物理學進展，2007，22(3)：720-728.(Cai Juntao，et al.Earthquake precursor：the anomalies in the ionosphericregion［J］.Progress in Geophys，2007，22(3)：720-728)

4 楊劍、吳云、周義炎.利用GPS無線電掩星數據研究震前電離層異常［J］.大地測量與地球動力學，2008，(1)：16 -22.(Yang Jian，Wu Yun and Zhou Yiyan.Research on seismo-ionospheric anomalies using GPS radio occultation data［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(1)：16-22)

5 林劍，等.基于GPS探測汶川地震電離層TEC的異常［J］.地球物理學報，2009，52(1)：297-300.(Lin Jian，et al.Wenchuan earthquake ionosphere TEC anomaly detected by GPS［J］.Chinese J Geophys，2009，52(1)：297-300)

6 Zhang Xuemin，et al.Ionospheric perturbations associated with the M8.6 Sumatra earthquake on 28 March 2005［J］.Chinese J Geophys，2010，53(3)：567-575.

7 Zakharenkova I E，et al.Anomalous modification of the ionospheric total electron content prior to the 26 September 2005 Peru earthquake［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2008，70：1 919-1 928.

8 Hsiao C C，et al.Ionospheric electron density anomaly prior to the December 26，2006 M7.0 Pingtung earthquake doublet observed by FORMOSAT-3/COSMIC［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2009，34：474-478.

9 張學民，等.汶川8級地震前空間電離層VLF電場異常現象［J］.電波科學導報，2009，24(6)：1 024-1 032.(Zhang Xuemin，et al.Ionosphere VLF electric field anomalies before Wenchuan M8 earthquake［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24(6)：1 024-1 032)

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

11 曾中超，等.利用DEMETER衛星數據分析汶川地震前的電離層異常［J］.地球物理學報，2009，52(1)：11-19.(Zeng Zhongchao，et al.The analysis of ionospheric variations before Wenchuan earthquake with DEMETER data［J］.Chinese J Geophys，2009，52(1)：11-19)

12 林劍，吳云，祝芙英.震前電離層TEC異常擾動的研究［J］.武漢大學學報(信息科學版)，2009，34(8)：975-978.(Lin Jian，Wu Yun and Zhu Fuying.Ionosphere TEC anomalous disturbance of pre-seismic［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34(8)：975-978)

13 Zhou Yiyan，et al.Anomalous variations of ionospheric VTEC before Ms8.0 Wenchuan earthquake［J］.Chinese J Geophys，2010，53(3)：556-566.

14 Zhou Yiyan，et al.Ionospheric anomalies detected by ground-based GPS before the Mw7.9 Wenchuan earthquake of May 12，2008，China［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2009，71：959-966.

15 Zhu Fuying，Wu Yun and Fu Ningbo.Application of Kalman filter in detecting pre-earthquake ionospheric TEC anomaly［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(2)：43-47.Doi：10.3724/SP.J.1246.2011.0043.

ANALYSIS BASED IN CODE GIM OF IONOSPHERIC TEC ANOMALY BEFORE EARTHQUAKE

Liu Jun，Chai Hongzhou，Liu Changjian，Chen Ke and Chang Yifeng
(Institute of Surveying and Mapping，Information Engineer University，Zhengzhou 450052)

Pre-seismic ionospheric TEC anomalies of Wenchuan earthquake on May 12th 2008 and Yushu earthquake on April 14th 2010 were studied by using CODE GIM(Center for Orbit Determination in Europe，Grid Ionospheric Model)data.By considering the sun and geomagnetism activity levels(Dst index and Kp index)，the ionospheric anomalies were analyzed with median of TEC 10 days earlier as basic values and 1.5 fold standard deviation as error limit.The results show that TEC anomalies before both the earthquakes can be detected.

ionospheric;Total Electron Content(TEC);earthquake;anomaly;prediction

1671-5942(2011)06-0039-05

2011-03-24

解放軍信息工程大學測繪學院碩士學位論文創新與創優基金

劉軍，男，1987年生，碩士研究生，主要研究方向為測量數據處理.E-mail：geogesy2010@163.com

P228.4

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