基于GNSS掩星反演技術的電離層異常變化研究
——以東日本地震為例

大豐市地震臺 莊 濤

基于GNSS掩星反演技術的電離層異常變化研究
——以東日本地震為例

大豐市地震臺 莊 濤

電離層是隨時空變化而變化的復雜系統，它的擾動對短波通訊、地空和星間信息鏈路以及空間平臺的運行都有重要影響；當擾動劇烈時，甚至會使系統的部分功能喪失。地震電離層異常探測已成為當前地震學和地球物理學的熱點研究問題之一，已有研究結果表明，大震之前極有可能存在電離層異常變化，f0F2或TEC值的變化是電離層變化指數的主要考察對象。傳統的監測手段受自然條件影響較大，而GNSS無線電掩星電離層探測技術則不受天氣限制，能全天候、大范圍的監測電離層的狀態，所獲資料全球發布均勻，具有較高的電子垂直分辨率。

一、大地震來臨前的電離層征兆

歷史監測數據表明，在地震發生前，震區上方電離層都會發生異常，據資料分析統計，地震來臨前的電離層征兆特性主要表現在以下幾個方面。

1.地震來臨的前幾天，震區上方的E層電子活動突然增多；D層電離也增加；F層電離層受影響的區域范圍取決于地震震級，高于里氏7級的地震，其影響的經緯度范圍超過40°。

2.在低緯度地區，包括赤道，地震–電離層感應會影響該維度地區的整體結構，促使它們發生變化。最常見的現象是赤道雙冠頂向赤道漂移，直至不見。

3.等離子體密度會受地震干擾，這是一個地震來臨前的征兆。一般在5 d內可檢測到等離子體密度的變化，該變化有正負之分。

4.地震來臨時，電離層參數較正常值的偏移時間段較短，只有4 ～ 6 h，很少有地震會超出這個范圍。

5.地震時的電離層總電子（TEC）含量變化和臨界頻率變化一樣。

6.受影響最大的電離層區與震中在電離層上的垂直投影不重合，中高維度地區則會偏向赤道方向。

7.等離子體垂直分布在地震中的改變，會使電離層標高增加，這個變化主要與電子質量的改變及平行粒子流有關。

8.地震對于電離層的影響情況主要取決于地震的震級及受震范圍，孕震區的電離層異常變化情況；在不同的經緯度也會有所不同。

無線電掩星電離層探測技術的出現解決了諸多難題，該技術能反演得到電離層密度剖面。GPS衛星的信號傳到低軌衛星，有時會被地球擋住從而中斷，有時則能正常接收，這種現象被稱為掩星，這跟日常生活中的日升日落相似。掩星的路徑首先是GPS衛星發出信號，該信號再被LEO衛星上的GPS接收機接收。信號所經過的路徑中，掩星路徑可能有多條，它們的偏移與LEO衛星和GPS衛星運動情況有關。

二、Abel積分反演推算

Abel積分算法簡單，應用領域很廣，天文學上常利用它來進行銀河系徑向質量分布求解。在研究電離層時，同樣可以根據GPS衛星發射信號傳播路徑的彎曲角、傾斜路徑上的總電子含量（STEC）來用Abel積分反演技術推算出電離層的電子垂直密度分布。進行GPS信號傳播路徑彎曲角求解時，先要根據附加相位延遲，計算出彎曲角；之后才能反演出電離層電子密度。但是實際情況下，這種彎曲角往往很小，在F層中最大也不會超過0.03°，這使得利用彎曲角反演電子密度的方法在精度方面不是很理想，所以，筆者更傾向于采用已知的STEC數據來反演電子密度，它將GPS信號傳播路徑的彎曲度忽略不計，假設路徑為直線并利用延遲信號量來推算總電子含量，之后即可通過Abel算法反演出電子密度輪廓線，信號傳播路徑如圖1所示。

計算STEC的公式如下：

式（1）中，T為傳播路徑上的總電子含量（STEC），N為電子密度，n為折射指數，S為附加相位延遲。

由于不計信號傳播路徑彎曲度，所以信號L1與L2的傳播路徑都相同，均是直線，利用附加相位延遲計算得到的STEC均相等。此法能消除衛星鐘和衛星軌道雙誤差，不需要地面站再矯正，快捷實時。公式如下：

式（2）中，s1和s2分別為信號L1與L2的附加相位延遲，f1和f2分別為信號L1與L2的載波頻率。

GPS信號從GPS衛星到LEO衛星傳播路徑上的總電子含量T（p）的求解公式如下：

式（3）中，lLEO為信號到LEO衛星的距離，lGPS為信號到GPS衛星的距離，Ne（r）為距離信號r處的電子密度，r為測點到信號的距離，p為碰撞中心距。

在局部球對稱假設下，STEC的Abel積分可變換為

此法不計衛星軌道高度以上的電子，Abel積分反演推算后得到如下結果：

三、東日本地震電離層異常變化分析

1.數據獲取。本文，筆者采用的掩星數據、空間物理交互數據資源、相對VTEC擾動數據主要來自美國大氣研究大學聯盟（COSM IC）數據分析與存儲中心、日本學術振興會的有關統計數據。這些數據源自對震區震中位置周圍40°經緯度范圍內，時間從2011年3月2日跨至2011年3月13日。查閱地磁Dst指數，太陽10.7 cm射電流量（F10.7）和太陽黑子的歷史數據。通過對比發現3月2日到3月10日電磁活動較為平靜，10日至12日地磁發生擾動，一度達到小磁暴水平。

2.電離層f0F2分析。筆者主要選取了5個檢測點的數據，利用Abel算法進行反演分析，來觀察f0F2的異常變化。所選5個檢測點與震中的大圓距離均小于2 000 km，其中3個檢測點位于環太平洋地震帶上（有2個位于日本國內，1個位于其周圍海上），另外2個位于地震帶外。對5個檢測點演算數據進行對比分析可知，日本國內的2個檢測點在5日至11日內f0F2的最大值沒有特別的波動，但異常擾動很明顯，兩點之間的演算數據相關性較強。其他的3個檢測點的f0F2最大值均有很明顯的變化，8日達到峰點。日本本土2個檢測點的f0F2月中值在8月13號前2 h內均有短暫的總體增強和瞬時下降的現象，其中漲幅達20%，跌幅達100%，這個現象即是典型的電離層行波式擾動。將各檢測點的hm F2數據和俄羅斯Khabarovsk重測站的觀測數據進行對比分析后發現，2個本土站點的行波式擾動現象極有可能是地震期間的大氣聲重力波向上傳播對電離層進行干擾而造成的，而其他時間內短暫的下降則可能與由地震引起的擴展F有關。由于這2個站點都位于同一地震帶上，所以它們的擾動現象十分明顯，而其他3個站點并未有明顯的擾動現象。

四、結論

結果顯示，所選取的5個檢測點中，2個點的擾動現象非常明顯，其余3個點的擾動現象較弱。因而，擾動現象的發生可能取決于檢測點與震中點的地理位置，地震–電離層感應存在較強的區域相關性，感應機理為沿地震帶耦合機理。