基于COSMIC掩星數據的電離層分布特征及地震響應研究

馬新欣

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

上的100個臺站，比較了其地脈動和地震信號的H/V譜比，得到了譜峰越明顯，二者一致性越好的結論。在此基礎上，根據地脈動和地震信號H/V譜比曲線的一致性和譜峰明顯程度將臺站分為4類，并提出了針對這4類情況測定場地卓越頻率的方法，最后給出了這些臺站的卓越頻率。

關鍵詞地震臺陣；場地效應；華北臺陣；背景噪聲；頻率波數譜；喜馬拉雅臺陣；H/V譜比；卓越頻率 電離層；COSMIC；峰值密度；電子密度；分布特征；地震-電離層擾動

（作者電子信箱，耿冠世：g＿gshi@126.com）

基于COSMIC掩星數據的電離層分布特征及地震響應研究

馬新欣

（中國地震局地球物理研究所，北京100081）

GPS（Global Positioning System，全球定位系統）無線電掩星技術具有全球覆蓋、垂直分辨率高等優點，為電離層的研究提供了十分豐富的資料。本論文的研究主要基于COSMIC （Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate）掩星電離層數據，詳細介紹了電離層的基本理論；闡述利用掩星技術探測電離層的基本原理；針對COSMIC掩星數據分布特點，建立了數據分析和研究方法；目前的研究對電離層物理量不同區域分布差異的分析較少，對不同太陽活動條件下電離層電子密度垂直分布的研究相對不足，本文對此開展了電離層分布特征的研究工作；并分析了典型震例在地震活動期間多個物理量的異常擾動變化。主要研究成果如下：

1　掩星數據分析與研究方法

利用COSMIC掩星電離層F2層峰值密度（NmF2）、臨界頻率（foF2）、峰值高度（hmF2）、電子密度（Ne）等數據，針對掩星數據在時間尺度上分布不均勻的特點，使用傅里葉逼近擬合方法獲取在時間尺度上連續的數據。在空間分布上，我們分別基于B樣條函數和球諧函數計算模型值，獲得全球空間分辨率較高的電離層數據。再以IRI（International Reference Ionosphere）模型計算的結果作為參考，檢驗方法的有效性。結果表明，使用的方法是有效的。利用B樣條函數計算的結果展開收斂速度更快，計算時間短，可以反映小區域的變化；利用球諧函數計算的結果平均殘差小于B樣條函數，分布更清晰平滑，可以反映全球的變化規律。因此，本論文使用球諧函數計算結果作為后續研究的基礎數據。

2　電離層分布特征研究

（1）空間電離層峰值密度和臨界頻率存在明顯的年周期變化，白天（LT12～15）峰值密度

和臨界頻率在磁緯低緯和中緯地區基本以半年周期變化為主，其幅度最大值在3、4月和9、10月（兩分點）附近；夜間（LT00～03）南半球的部分地區和北半球磁緯中緯60°～120°E地區以年周期變化為主，其幅度最大值在至點6月（北半球夏季）或12月（南半球夏季）附近；年異常和半年異常現象是中低緯地區白天NmF2和foF2分布的常規變化特征；隨著太陽輻射能量的增強，赤道異常空間范圍擴寬。

（2）空間電離層峰值高度夜間（LT00～03）不存在明顯的規律變化，變化范圍基本分布在200～400km高度。白天（LT12～15）峰值高度磁緯±10°范圍不存在明顯的年周期變化，變化范圍基本分布在300～400km高度；南北半球磁緯10°～20°范圍，部分區域呈現相對明顯的年周期變化，南北半球磁緯20°～30°和磁緯中緯度大部分范圍以年周期變化為主，變化范圍基本分布在200～400km高度。隨著太陽輻射能量的增強，峰值高度的變化幅度增大，尤其是在赤道和低緯度地區。

（3）在250～500km高度，電離層電子密度夜間存在威德爾海異常現象，最大值在300 ～400km高度；隨著太陽輻射能量的增強，300～500km高度威德爾海異常區域空間范圍擴寬，250～350km高度赤道異常范圍擴展到中緯地區；電子密度白天（LT12～15）存在明顯的季節變化，夜間（LT00～03）季節變化不明顯。

3　典型震例分析

（1）提出地震異常擾動的分析方法，研究我國三例強震地震活動期間多個物理量的變化特征。研究發現，汶川地震發生后，部分區域峰值密度相對變化幅度增大，分布在1～1.5之間，TEC相關系數下降到0.6，功率譜密度變化明顯；于田地震發生后，部分區域峰值密度相對變化幅度增大，分布在0.8～1.2之間，震前地磁垂直分量增強，但時間上與空間異常分布不同步，需要進一步的研究；玉樹地震發生后，震中鄰近區域峰值密度相對變化幅度增大，分布在0.6～0.8之間，多個臺站地磁垂直分量差值小幅下降到0nT以下；3個震例在地震活動期間，電離層都存在擾動現象，其中汶川和玉樹地震發生后，地磁垂直分量同時出現擾動變化；僅從計算的震例結果來看，震級越大，峰值密度相對變化幅度越大。

（2）針對汶川震例，基于SAMI2模型模擬計算結果和觀測結果對比分析，驗證附加電場可以引起電離層的擾動變化，提出異常電場機制對地震電離層響應的解釋可能更為合理。

中圖分類號：P412；

文獻標識碼：A；

doi：10.3969/j.issn.0235-4975.2015.03.011

（作者電子信箱，馬新欣：maxinxin0923@163.com）