基于空間電離層環境層析成像測量儀的地震電離層擾動監測系統設計

張宇，祝芙英，楊劍，王蘭煒，張興國

(1.應急管理部國家自然災害防治研究院,北京 100085；2.中國地震局地震研究所,武漢 430071)

0 引言

對于地震孕育過程的監測和研究，常規手段是監測與地震活動相關的地球電場、磁場、地殼形變、地下流體等多種參量的變化.近年來，地震活動引發電離層擾動的現象越來越受到國內外專家學者的關注，地震孕育和發生過程引起孕震區上空電離層特征參量的異常變化，被認為是捕捉地震短臨信息的一種有效手段[1-2].

電離層探測技術被廣泛應用于地震前兆及同震效應研究.利用地面GPS 接收站接收GPS 信號可以計算出電離層總電子含量(TEC)等電離層參數，利用其開展地震監測研究工作，具有低成本、高精度、近實時、全天候的優點.2012 年竣工的國家重大科學工程“中國大陸構造環境監測網絡”(簡稱“陸態網絡”)在全國建成260 個GPS 連續運行基準站，為全國電離層監測提供了基礎條件[3-4].隨著觀測資料的積累和觀測手段的豐富，越來越多的地震電離層現象和研究，國內外眾多學者對震前電離層TEC 異常開展了大量的研究工作.LIU 等[5]和KON 等[6]基于TEC 觀測數據，對于Ms≥6.0 的地震統計分析，認為震前1～5 天TEC 有顯著異常變化.吳云等[7]利用TEC 數據對2008 年5 月12 日汶川8.0 級地震分析，發現震前13 天至震前2 天內出現多次TEC 減弱和增強的異常變化.周義炎等[8]利用中國地殼運動觀測網絡的地基GPS 觀測數據，在解算單站和二維垂直總電子含量(VTEC)分布時間序列后，針對中國大陸Ms≥6.0 強震，檢測分析了震前的電離層異常擾動，并對震前電離層異常擾動的特征和規律進行了統計分析.林劍等[9]分析四川境內2008 年3 月至8 月TEC 數據，認為在5.12 汶川地震前一個星期內，孕震區上空連續出現了明顯的電離層異常擾動.祝芙英等[10]利用國際GNSS 服務(IGS)提供的TEC 資料，對2007 年以來全球Ms7.0 以上地震進行震前TEC異常擾動研究，發現94%的地震孕震區上空出現了明顯的電離層TEC 異常擾動.蔡華等[3]利用陸態網絡TEC 監測系統產品分析了四川蘆山7.0 級地震的同震電離層擾動現象.張學民等[11]研究了汶川地震前后電離層異常擾動，認為距離震中較近的瀘州站TEC 與重慶站 f0F2在震前3 天(5 月9 日)均呈快速增強.以上震例分析及機理研究，試圖找出地震電離層異常的規律，但由于巖石圈與電離層耦合的復雜性，地震電離層異常特征及機理還不明確，還有很多工作需要開展，尤其是需要加強對地震多發區的電離層監測，積累更多的觀測數據和震例樣本.

電離層異常監測為地震監測提供一種新的方法和手段.為更好地研究地震與電離層擾動的關系，利用中電科(青島)電波技術有限公司研制的“空間電離層環境層析成像測量儀”，在地震危險區組建小型監測網，開展與地震相關的電離層擾動特征的研究，可有力推進該新型電離層監測技術在地震監測預測研究中的應用，并為地震監測研究提供一種新的技術途徑.

1 地震電離層擾動監測試驗系統總體構成

地震電離層擾動監測試驗系統主要包括電離層監測站網和電離層監測軟件兩部分，圖1 為地震電離層擾動監測試驗系統的總體設計.綜合考慮我國地震帶分布、未來幾年危險區劃分和現有地震臺站分布情況選擇電離層擾動監測區域，提出小區域臺網的區域范圍、密度和布局要求，選擇合適的臺站，基于“空間電離層環境層析成像測量儀”建設地震電離層監測網絡，并對現有條件進行適應性改造，以滿足長期、連續的觀測需求.同時，研究電離層擾動提取算法，開發地震電離層擾動分析軟件，將軟件部署在中心站，對試驗臺站觀測數據進行匯集和擾動分析，試驗性地開展地震電離層監測.

圖1 地震電離層擾動監測試驗系統構成

2 地震電離層擾動監測站網設計

2.1 監測物理量與探測設備

根據對地震電離層現象的研究與總結，地震前和地震期間會出現TEC 變化和F2 層擾動等現象，在地震應用研究中一般選擇可信度和測量精度較高的TEC 或電離層F2 層最大電子密度(NmF2)及其對應的F2 層峰值電子密度對應高度(hmF2)等進行分析研究[1,12-13].

隨著科技的發展，可選擇的電離層探測手段也很多，地基探測是通過布設在地面的電離層設備發射或接受電離層探測信號，通過反演獲得電離層參數信息，通常使用電離層垂測儀和地面全球衛星導航系統(GNSS)接收機等；天基探測則是將測量設備搭載在天基平臺上，對電離層實現原位或遙感探測，如低軌衛星掩星、星載信標等[14].為了獲取更豐富的探測數據，中電科(青島)電波技術有限公司依托國家重點儀器研發專項研制了新型電離層探測儀器“空間電離層環境層析成像測量儀”.該儀器將低軌衛星的信標電離層探測和中高軌GNSS 衛星信號電離層探測進行集成，采用數據融合技術將兩類不同來源的探測數據綜合利用，實現時變三維(3D)多分辨率電離層層析成像，其技術指標達達到絕對TEC 測量精度≤3 TECU，相對TEC 測量精度≤0.03 TECU.

因此，地震電離層擾動監測試驗系統利用空間電離層環境層析成像測量儀，選擇特定區域的多個臺站組成監測網絡，開展地震電離層異常信息監測.通過同一站點獲取地基GNSS 和衛星信標探測數據，利用多站觀測結果聯合反演獲得區域TEC、NmF2和hmF2，用于監測與地震相關的電離層擾動現象.

2.2 監測區域選擇

對于監測區域的選擇，需要滿足具有明顯發震構造.地震活動性較強的區域，有利于試驗監測期間獲得較多地震事件.

地震多發地區震中常呈帶狀分布，通稱地震帶.根據中國大陸強震的空間分布特征，通常將95°E～110°E，21°N～45°N 之間的強震密集地帶稱為南北地震帶，如圖2 中紅圈所示[15].南北地震帶區域構造背景復雜，既有鄂爾多斯周緣的正斷層，又有龍門山斷裂帶的逆沖斷層，還有巴顏喀拉塊體和川滇塊體的走滑斷層[16].

圖2 中國地震帶分布圖

作為青藏塊體的邊界帶，南北地震帶是中國大陸地震活動最強的地震區域之一，歷史上南北地震帶北段強震活動強烈，發生過1654 年天水8 級地震、1739 年平羅8.0 級地震、1879 年武都南8 級地震、1920 年海原8.5 級地震和1927 年古浪8.0 級地震[18-19].近年來，中國大陸發生的7 級以上地震有2/5 發生在該地震帶上[17].汶川8.0 級、玉樹7.1 級、雅安7.0 級、漾濞6.0 級地震等就發生在南北地震帶的中、南段，九寨溝7.0 級、岷縣-漳縣6.6 級和門源6.4 級地震發生在南北地震帶的北段.

考慮到現有監測手段及小區域站網布設條件，選擇南北地震帶的北段作為地震電離層擾動監視區域，建設電離層擾動監測站網.

2.3 監測分辨率要求

GNSS 和地基電離層觀測網的不斷發展，為實現高精度電離層監測提供了有效的手段.利用IGS 組織臺站數據產出的全球電離層TEC 地圖產品(GIMs)網格分辨率為5°×2.5°(經度×緯度)[20].此外，許多國家和地區都布設了較高密度的GNSS 站網進行觀測，構建了精度更高的區域性TEC 地圖.如美國麻省理工大學利用上千個GPS 臺站構建全球TEC 地圖，監測分辨率可達1°×1°[21]，日本空間天氣預報中心也建立了日本區域GNSS 高密度臺站，監測分辨率為0.5°×0.5°[22].我國目前的電離層地基觀測站網，基本以服務電波傳播應用研究的需要為出發點，覆蓋我國主要空間區域[12].但是我國觀測站網的整體空間分辨率不高，且存在臺站分布不均與的情況，如華南沿海區域較為密集，中西部地區分布較為稀疏[23].

地震電離層異常具有顯著的局地性特征，對電離層觀測的空間分辨率要求較高，一般對監測空間分辨率要求為1°×1°(經度×緯度).為了滿足監測需求，需要在監測區域密集布設觀測臺站，間距100～200 km，以提高觀測數據精度和網格分辨率.

2.4 監測站網設計

結合監測物理量和監測分辨率需求，監測站網設計和建設時還需注意以下幾個方面：

1)考慮到投資、場地通信等諸多因素，擬選擇現有地震臺站進行改造，且具備相應的交通、電力和通訊條件，能夠及時將觀測數據回傳；

2)電離層擾動信息可與其他地面地球物理場觀測參量進行綜合分析，分析電離層擾動現象是否與地震相關.在選擇觀測站點時，盡量選擇觀測手段豐富的臺站；

3)電離層環境層析成像儀接收GNSS 和星載信標機信號，因此觀測站點周圍不能有接收信號頻率范圍或相近范圍的電磁干擾，應保證掃描儀天線有良好的信號接收視野，應避免有可能產生多徑效應的區域；

4)考慮到在小區域內密集布站，確保TEC 地圖1°×1°空間分辨率和監測密度，采取“一個中心站+多個輻射站”的模式.

綜合考慮以上因素，地震電離層擾動監測系統選擇南北地震帶北段構建2 個小型監測網，每個小型監測網由1 個中心站+5 個輻射站構成.經過臺站勘選，擬選監測站點如圖3 所示，其中圖3(a)監測站網1 站點間距200～300 km，圖3(b)監測站網2 站點間距100～200 km，兩監測站網互為補充.

圖3 小區域電離層監測站網

3 地震電離層擾動監測軟件設計

研究震前電離層擾動提取方法并研發地震電離層擾動監測軟件，該軟件由數據匯集與管理、數據處理與擾動分析兩部分組成.

地震電離層擾動監測軟件流程如圖4 所示：首先，將觀測儀器配置相關參數，接入網絡，構建小型監測網；第二，定時匯集監測網數據，定時匯集不成功時，可通過人工手動匯集；第三，將監測網數據進行處理，得到電離層擾動分析參量TEC、NmF2、hmF2地圖和1°×1°地圖；最后，對電離層參量的擾動現象和特征進行提取，當擾動幅度超過10%時給出電離層擾動告警提示.

圖4 地震電離層擾動監測軟件流程圖

3.1 數據匯集與管理

數據匯集與管理部分主要包括數據匯集、數據管理、參數配置、當天匯集狀態展示等模塊，主頁面顯示當天數據匯集狀態，狀態欄顯示與服務器的網絡連通狀態.

數據匯集與管理流程如圖5 所示，首先通過圖6 參數配置界面設置數據匯集相關參數和定時匯集間隔，實現信標數據和GNSS 數據的定時匯集，并顯示當天數據匯集情況，通過圖7 中“數據匯集”按鈕也可手動匯集指定臺站和時段的數據.數據管理功能可以對指定臺站、時段與類型的數據進行檢索、統計和導出，方便使用者篩選信息.

圖5 數據處理與管理軟件流程圖

圖6 參數配置界面

圖7 數據匯集界面

3.2 數據處理與擾動分析

在前期研究工作中，已對近十年地震期間電離層觀測數據進行了整理，構建了地震電離層擾動觀測數據集，通過對比平均數法、中位數法、四分位法和滑動時窗法幾種異常特征提取方法的優劣，提出了先對TEC 時間序列進行擬合，消除其明顯的周期性變化，然后對擬合后的TEC 剩余殘差進行處理分析的方法.利用該方法分析我國汶川Ms8.0 地震孕震區上空的TEC 分布情況，看到了顯著的TEC 異常擾動現象[24].

對TEC、NmF2和hmF2三類觀測數據消除周期性變化后，開展時間序列分析，采用滑動時窗法實現異常識別和提取，以滑動均值作為參考背景值，以2 倍標準差作為擾動閾值，當擾動超過10%時，發出異常告警通知并保存異常分布圖.TEC 擾動分析結果如圖8 所示，圖中紅色和藍色分別表示電離層正異常和負異常.

圖8 電離層TEC 擾動分析結果

4 結束語

本文給出了基于空間電離層層析成像測量儀的地震電離層擾動監測系統的設計方案.選擇合適的監測臺站建設小區域且密度較高的地震電離層擾動監測系統，部署空間電離層層析成像測量儀和電離層擾動分析軟件，應用電離層層析成像測量儀探測的區域電離層數據，試驗性地開展小區域站網電離層擾動監測.該試驗系統能夠產出空間分辨率1°×1°的TEC、NmF2和hmF2二維分布圖，對擾動異常超過10%的事件發出告警通知，實現空間電離層層析成像測量儀在地震電離層監測領域的應用，為地震監測預測研究探索一種新的技術途徑.