九寨溝7.0級地震前電離層TEC異常分析

張明敏，劉智敏,2，劉 盼，從建鋒

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590;2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室，山東 青島 266590)

地震是一種突發性的地質災害,它會對震區人民的生命財產造成巨大的損害。如何能夠準確及時地預報地震以減少人員傷亡及經濟損失，已逐漸得到世界各國學者的重視。自1964年Barnes等[1]首次發現電離層異常擾動與地震之間存在著相關聯系以來，電離層擾動逐漸成為地震前兆信息研究熱點之一。1971年，Antsilevich等發現1966年Tashkentd Ms7.5地震震區上空存在電離層TEC增加現象[2]。Pulinets等通過對10年內震區數天前電離層變化作時間序列分析，提出了由地震引起的電離層擾動特征[3]。Calais等利用GPS數據研究發現1994-01-17 Northridge地震后30 min內出現電離層TEC異常擾動現象[4]。近年來，由于GNSS技術的迅猛發展，使得電離層TEC異常更加廣泛地運用于地震預報領域[5-9]。鄒斌等利用主成分分析法和滑動四分位法分析了震級大于Ms7.0(玉田地震，日本地震，汶川地震，玉樹地震)震前電離層TEC的異常特征[10]。除了中值法，平均值法等傳統的電離層TEC分析方法外，張小紅等利用ARIMA模型提出一種震前電離層TEC異常探測新方法，使得TEC背景值的探測精度高于傳統方法[11]。Thampisv等利用層析觀測技術分析了日本上空夏季夜間電離層擾動現象[12]。姚宜斌等利用GNSS觀測數據分析研究了2011年3月11日日本地震前電離層TEC異常變化，認為震前3天出現的電離層異常可作為地震前兆[13]。Guo等通過對2012年4月11日的蘇門答臘地震和墨西哥地震對比分析，發現電離層異常擾動與地震強度，臨震時間及震源深度有關[14]。郭文玲等提出了一種能夠同時獲取不同區域電離層傳播模式特性的電離層聯合探測體制,為未來研究電離層擾動與地震的相關性提供了一種新思路[15]。

2017-08-08 T21:19，四川省九寨溝縣發生7.0級地震，震中位于33.2°N，103.82°E，震源深度約20 km。截至2017-08-13 T 20:00，地震造成25人死亡，同時給當地造成嚴重的經濟損失。本文采用滑動四分位距法，結合太陽與地磁場活動指數，分析九寨溝地震前后電離層TEC的變化狀態及其時空特性，為以后的地震預測工作提供可靠信息。

1 數據及分析方法

本文采用IGS提供的全球電離層格網數據進行電離層異常分析，該數據的時間分辨率為2 h，空間分辨率為5°(經度)×2.5°(緯度)。有研究表明：震前電離層異常區域并不與震中正上空電離層區域一致，而是會偏離震中一定距離[17]。因此，選取震源所在單元格網的4個格網點的震前16 d至震后3 d的TEC時間序列，震中位置及格網點分布情況如圖1所示，其中點A,B,C,D的坐標分別為(100°E，35°N)、(105°E，35°N)、(100°E，32.5°N)、(105°E，32.5°N)。此外，太陽活動和地磁場的變化也會引起電離層電子含量濃度異常，因此，為排除空間環境因素對電離層異常探測的影響，本文對美國航空航天局提供的太陽射電通量F10.7和日本京都地磁數據中心提供的磁暴時變化指數Dst及全球地磁活動指數Kp等數據進行分析。F10.7主要反應太陽對地球上的高層氣體加熱效應，按其大小分為強(F10.7>150 SFU)、中(100 SFU

為了彌補平均值法和中位數法的缺陷，劉正彥教授提出了四分位距法[18]。該方法是將數值從小到大排序后分為4等份，每一等份分占四分之一，等分點根據其數值大小分為上四分位(Q1)，中位數(Q2)和下四分位(Q3)。假設排序后的數值為X1，X2，…，Xl，則四分位距的各項參數如下：

(1)

(2)

其中，k為常倍數，IQR為四分位距，LB為上邊界，UB為下邊界。當觀測值超過上下邊界時，則認為對應時段出現TEC異常。本文選擇15 d作為時間窗口，即分析每天的數據時取其前14 d及該天的同一時刻的TEC組成一組時間序列，則Q1=X4，Q2=X8，Q3=X12，上下邊界定義為：LB=Q2+1.5·IQR，UB=Q2-1.5·IQR，觀測值大于上邊界為正異常，小于下邊界稱為負異常。

2 電離層異常分析

2.1 TEC時間序列分析

本文提取了震前16 d至震后3 d的TEC時間序列作為分析范圍。圖2依次給出了格網點A，B，C，D的TEC時間序列和變化異常，圖中顯示4個探測點的變化趨勢具有良好的一致性。從震前7 d開始每一個探測點上空的TEC峰值有明顯增加，且震前第4 d的TEC峰值均高于其它時段。大部分時間的TEC時間序列都在上下邊界之內，而震前11～14 d出現負異常，震前3～5 d出現正異常，且在震前13 d和震前4 d峰值擾動異常強烈。4個探測點均在震前4 d出現正異常峰值，其中觀測點A達到最大值約4TECU，隨著距震中距離的減小，4個觀測點的峰值也減少，而在震前13 d出現的負異常峰值中距離震中最近的D點則達到1.7TECU，大于其余3個觀測點負異常峰值。A觀測點震前14 d開始出現負異常，震前13 d負異常達到最大值，約1.7TECU，震前11～14 d共出現了5次負異常，震前5 d開始出現正異常直至震前3 d結束。

圖2 2017-07-23—2017-08-11震中周圍格網點TEC時間序列及異常變化圖

距離震中最近的B點在震前11～14 d出現3次負異常，最大值約1TECU，且B點的正負異常峰值均小于其它3個觀測點。另外，4個觀測點均在地震當天出現幅度較小的負異常，負異常值在0.2～0.6TECU之間，震后1 d出現幅度較小的正異常，正異常值在0.1～0.6TECU之間。

為了判斷震前某一時段的TEC異常是否由地震引起的，需結合對應時段的空間環境狀況綜合分析該時段TEC產生異常的原因[19]。圖3依次給出了2008-07-23—2008-08-11的太陽射電通量F10.7，地磁Dst指數和地磁Kp指數的時間序列。由圖3可知，震前16 d至震后3 d F10.7指數較為穩定且均未超過100SFU，表明整個時段內太陽輻射較弱。震前11～14 d Dst指數大于-30 nT， Kp指數除了震前13 d短時間內等于4.0，其余均小于4.0，說明有較弱的地磁擾動，則這幾天的TEC異常與地磁活動存在一定的聯系，是否由孕育區地震引起的還需從空間角度進一步研究。震前4 d Kp指數未超過4.0，但該天的Dst指數出現明顯波動，最小時小于-30 nT，是整個時段地磁活動最強的一天，極可能發生了弱磁暴，所以可初步認為該天的電離層異常是由地磁的劇烈活動引起的，是否與孕育區地震有關也需要進一步分析。地震當天，Dst指數大于-30 nT，Kp指數更是小于3，可見該天太陽活動與地磁活動均很平靜，可判定該天的TEC異常是由孕育區地震引起的。

圖3 2017-07-23—2017-08-11 Dst，Kp，F10.7指數變化

2.2 TEC空間分布異常分析

區分地震擾動與磁暴等活動的一個很重要的評判標準為電離層TEC異常是否具有局地性特征[19]。為了進一步分析震前13 d和震前4 d TEC異常是否與此次地震有關，本文分別給出了這兩天經度50°E-150°E，緯度0°N-50°N范圍內電離層異常圖。

震前13 d 6:00—16:00UT間隔2 h的TEC異常情況如圖4所示，其中紅色五角星為震中位置，由圖4可知在6:00—10:00UT期間，震中東部出現了明顯的正異常，其中6:00UT時異常幅度在8～10TECU，隨后正異常向震中移動并且異常值逐漸增大，在8:00UT達到峰值，最大異常值約12TECU，10：00UT時正異常逐漸減弱直至消失。14:00UT時在震中西南方向出現了負異常，與8:00UT時的正異常相比，14:00UT的負異常區域更大，異常程度卻有所減小，至16：00UT時負異常逐漸擴散直至消失。這一天TEC異常現象(包括正異常與負異常)持續時間較長，且只出現在震中區域附近，而在其他地方沒有出現明顯的異常，因而可以認為震前13 d的電離層異常是此次地震的前兆。

圖4 震前13 d(2017-07-26)TEC異常分布(紅色五角星為震中位置)

震前4 d 6:00—16:00UT間隔2 h的TEC異常情況如圖5所示，其中紅色五角星為震中位置，由圖5可知在8:00UT之前，整個區域中絕大部分的電離層很平靜，只有在震中東南方向出現了微弱的電離層異常，異常值為3TECU左右。10:00UT時在震中西部開始出現明顯的電離層異常，此后，隨著異常區域不斷向外擴散的同時異常值也顯著增加，尤其到了12:00UT時，電離層異常達到峰值為15TECU左右。同時，在震區以南及東北方向也出現了明顯的正異常。此時異常區域覆蓋了整個分析區域的絕大部分。12:00UT之后，電離層異常迅速減弱消失。此次電離層異常較震前13 d強，具有全域性，異常時間反而明顯縮短，結合圖3，可知震前第4 d時地磁活動劇烈，因此可斷定震前4 d出現的電離層異常與地磁活動有關。

3 結束語

利用IGS提供的全球電離層格網數據采用滑動四分位距法對九寨溝地震前后進行電離層TEC時間序列分析，發現從震前7 d開始震區內的TEC明顯增加，尤其是震前4 d(2017-08-04)的TEC峰值異常高，幅度達到23TECU左右。震前13 d、震前4 d和地震當天電離層出現明顯異常。結合空間環境因素(Dst,F10.7,Kp指數)，進一步得出地震當天電離層出現0.4TECU左右的負異常可排除太陽活動與地磁活動的影響，與此次地震的孕育活動有關。震前13 d和震前4 d出現TEC異常的同時，地磁活動也比較活躍，基于此現象，經過進一步從空域角度分析這兩天的電離層TEC異常分布情況得出：震前13 d出現的負異常可以排除地磁活動的影響，認為是此次地震前兆信息之一，而震前4 d出現的正異常是由地磁劇烈活動引起的，并不能作為此次地震的預報信息。雖然電離層異常可以作為地震預報依據之一，但由于電離層異常的多態性以及時空不確定性，要想提高通過電離層異常預報地震的時間、空間和強度等準確程度還需大量針對性的研究。

圖5 震前4 d(2017-08-04)TEC異常分布(紅色五角星為震中位置)