基于GPS數據的汶川、九寨溝地震震前電離層異常分析

劉 江，陳 聰，何福秀

(四川省地震局，四川 成都 610041)

大地震臨震前電離層異常擾動及地震—電離層耦合機制一直是地震前兆研究的熱點問題。目前，世界上地震科學家已經通過電磁學途徑、化學途徑以及聲學途徑論證了電離層擾動與地震孕育過程的關系(Sorokina et al, 2005; Pulinets et al, 2011)。其中，電磁學途徑主要是監測電磁場變化、電子溫度、電子密度以及電子濃度總含量(TEC)和這些參量在震前以及地震期間存在的異常變化。電離層垂直電子濃度總含量(Vertical Total Electron Content,VTEC)是電離層特性中的一個重要參量，其高精度測量對研究地震—電離層耦合機制具有十分重要的意義。而GPS是監測VTEC實時變化的主要手段之一(林劍等，2009；張學明等，2014)，通過GPS數據解算得到的VTEC數據可以有效用于臨震電離層異常擾動的監測和研究。近年來，關于GPS監測震前電離層變化的研究層出不窮，如，馬一方等(2015)利用CODE全球電離層格網數據分析了2013年4月20日蘆山7.0級地震發生前后震中附近電離層赤道異常變化，研究表明：赤道異常峰值在震前5天內明顯減小，且峰值位置向赤道方向移動；王澤民等(2016)利用震中附近IGS跟蹤站GPS數據和CODE全球電離層格網數據分析2015年4月25日尼泊爾8.1級地震前后電離層VTEC異常變化，研究表明：尼泊爾地震前，排除太陽和地磁活動及地球物理現象短時擾動的影響，電離層VTEC值在4月23日表現出顯著的正異常。盡管相關結果均表明大地震很可能引發電離層異常擾動，且這種異常最顯著地出現在震前一周(姚璐等，2014)，但太陽輻射、地磁活動等空間天氣因素也會引起電離層異常擾動，因此，如何有效提取與地震相關的電離層前兆信息，實現震前電離層異常短臨預報值得深入探索和研究。

本文以發生在四川區域的2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨溝MS7.0地震為研究對象，利用四川及周邊區域GPS數據，通過球諧函數解算、電離層異常提取，系統分析地震發生前四川及周邊區域電離層異常時空變化，研究震前電離層異常短臨特性，為川滇區域臨震電離層異常監測提供可靠的震例依據。

1 數據源

本文數據來源為四川及周邊區域GPS數據。利用四川及周邊區域20多個基準站相同時間段的GPS數據，選擇球諧函數作為電離層VTEC擬合模型，獲取四川及周邊區域VTEC格網數據(分辨率1°×1°)，分析地震發生前震中區域、四川及周邊區域上空電離層的異常分布。針對2008年5月12日汶川MS8.0地震和2017年8月8日九寨溝MS7.0地震分別選取2008年4月16日至5月30日共計45天數據和2017年7月17日至8月30日共計45天數據進行數據解算和異常分析。

2 異常提取方法

2.1 電離層格網數據解算

電離層VTEC模型利用GPS雙頻接收機兩個頻率載波相位觀測值及其加載的偽距碼觀測值，通過載波相位平滑偽距觀測量形成電離層殘差組合(Dach et al., 2015)：

(1)

式中：P4為載波相位平滑偽距，c為光速，f1、f2為衛星載波頻率，Δbs為衛星系統硬件延遲，Δbr為接收機硬件延遲，TEC為傾斜路徑總電子含量。采用球諧函數對電離層VTEC進行建模，其數學表達式(Dach et al., 2015)：

(2)

TEC=VTEC·F(Z)

(3)

(4)

式中：F(Z)是電離層投影函數，單層模型高度H取350 km，α為0.978，R為6387 km，Z為衛星天頂距。

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)，形成最終解算方程(Dach et al., 2015)：

(5)

式中：anm，bnm，Δbs，Δbr為待估計未知量，采用每2h多項式模型與單日固定值的接收機硬件延遲和衛星硬件延遲共同建立法方程，利用最小二乘法求解，解算出每2h的模型參數和單日硬件延遲后，便可解算中國區域電離層格網數據(王澤民等，2016)。選擇球諧函數作為電離層VTEC擬合模型，算法成熟，因此VTEC解算結果具有較高可信度。

2.2 VTEC異常檢驗方法

本文選用滑動四分位距法提取VTEC異常信息，選取前15天相同時刻的觀測值求取相應的四分位距(IQR)及中位數(M)，建立上下邊界值M±1.5×IQR，當該時刻的觀測值超出上或下邊界時，該觀測值視為異常。其中，高于上邊界為正異常，低于下邊界為負異常。滑動四分位距法一般設定M±1.5×IQR作為觀測值異常的判斷閾值，約為標準差的2倍，檢測置信度為95%。

為了從二維空間分布了解汶川、九寨溝地震前后四川及周邊區域電離層VTEC異常分布，本文分析了VTEC異常的ΔTEC空間分布，其計算方法如下：

(6)

其中，ΔTEC為VTEC擾動異常，L1和L2分別為VTEC背景上下邊界閾值，K為待分析時刻VTEC值。

3 震例分析

基于上述理論方法，本文選取汶川MS8.0地震和九寨溝MS7.0地震為分析對象，通過地震發生前空間活動指數變化，四川及周邊區域VTEC異常(ΔTEC)分布，震中臨近格網點VTEC及ΔTEC變化進行分析驗證。

3.1 汶川地震

針對汶川地震選取2008年5月1～30日空間活動性指數數據，分析此次地震過程中空間天氣活動對電離層的影響。從圖1可以看出，反映太陽活動影響的指數F10.7在整個時段內變化幅度較小，穩定在60～80 sfu之間，表明該時段太陽輻射影響相對較小。根據地磁活動指數KP和Dst指數變化可知，2008年5月地磁活動總體平穩，其中5月2日KP指數超過閾值，5月21日Dst指數接近-30 nT,地磁擾動較大，其余時間段KP和Dst指數變化較小，地磁活動較為平靜。

圖1 2008年5月1日至5月30日F10.7、KP、Dst指數變化

圖2為2008年5月9日UT10:00(北京時間18:00)四川及周邊區域ΔTEC分布，其中五角星為汶川地震震中。可以看出，5月9日UT10:00震中區域附近出現明顯的電離層異常擾動，地震—電離層異常耦合的局部性、集中性和顯著性特征顯著，參考5月9日空間活動性指數數據，可以排除太陽活動、磁暴對電離層異常擾動的影響，表明地震前3天，震中區域附近出現明顯的電離層異常擾動，其短臨特征明顯。

圖2 2008年5月9日UT10:00四川及周邊區域ΔTEC分布

對比分析2008年5月震中臨近格網點(31°N，103.5°E)VTEC及ΔTEC變化(見圖3)，可以看出5月9日、5月21日ΔTEC變化比較明顯。查看空間活動性指數，5月21日地磁擾動較大，ΔTEC變化受空間天氣影響。然而5月9日，ΔTEC最大值約為5.8 TECu，當天地磁活動較為平靜，太陽輻射通量無異常，同時在汶川地震發生前后，該異常區域并未發生其它重大地震事件，結合2008年5月9日四川及周邊區域ΔTEC分布情況，認為該電離層異常擾動與汶川地震有相關性。

圖3 2008年5月震中臨近格網點(31°N,103.5°E)VTEC及ΔTEC變化

圖4 2017年8月1～30日F10.7、KP、Dst指數變化

3.2 九寨溝地震

選取2017年8月1日至8月30日空間活動性指數數據，分析九寨溝地震過程中空間天氣活動對電離層的影響。從圖4可以看出，F10.7指數在該時段內穩定在70～90 sfu之間，表明該時段太陽輻射影響較小。根據地磁活動指數KP和Dst指數變化，2017年8月地磁活動比較活躍，其中8月4日至8月6日、8月17日至8月24日KP指數超過閾值，出現磁暴現象，說明該時段地磁擾動較大。其余時間段，KP和Dst指數變化較小，地磁活動較為平靜。

圖5為2017年8月8日UT07:00(北京時間15:00)四川及周邊區域ΔTEC分布，其中五角星為九寨溝地震震中。可以看出，8月8日UT07:00震中區域附近出現明顯的電離層異常擾動，參考8月8日空間活動性指數數據，可以排除太陽活動、磁暴對電離層異常擾動的影響，表明地震前5～7小時，震中區域附近出現明顯的電離層異常擾動，其短臨特征明顯。

對比分析2017年8月震中臨近格網點(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC變化(如圖6)，可以看出8月4日、8月8日、8月22日和8月23日ΔTEC變化比較明顯。查看空間活動性指數數據，8月4日、8月22日和8月23日地磁擾動較大，ΔTEC變化受空間天氣影響。然而8月8日ΔTEC最大值約為5.2 TECu，當天地磁活動較為平靜，太陽輻射通量無異常，同時在九寨溝地震發生前后，該異常區域并未發生其它重大地震事件，結合2017年8月8日四川及周邊區域ΔTEC分布情況，認為該電離層異常擾動與九寨溝地震具有相關性。

圖5 2017年8月8日UT07:00四川及周邊區域ΔTEC分布

圖6 2017年8月震中臨近格網點(30°N，104°E)VTEC及ΔTEC變化

4 結論

通過對2008年汶川MS8.0地震、2017年九寨溝MS7.0地震前后四川及周邊區域ΔTEC分布及震中臨近格網點VTEC時序變化分析，可得出如下結論：(1)2008年汶川地震發生前三天(5月9日)，2017年九寨溝地震發生前5～7小時，四川及周邊區域上空均出現明顯的電離層異常擾動，地震—電離層異常耦合的局部性、集中性和顯著性特征明顯。考慮VTEC異常時空變化與兩次地震事件的關聯性，排除太陽活動、磁暴等空間天氣活動對電離層異常擾動的影響，本文認為震前電離層異常擾動與兩次地震事件均有相關性。(2)利用區域GPS觀測數據，獲取四川及周邊區域電離層VTEC異常分布，可有效區分震前電離層異常擾動，通過聯合其它電離層前兆異常信息(如電子溫度、電場強度、高度分布等特征參量)，深入研究震前電離層異常短臨特性，有望為短臨地震預測預報工作提供高時效性的科學依據。