2021-04-16河北灤州MS4.3地震前的大氣電場異常信號分析

陳 濤 王詩涵,2 李 磊,2 楊牧萍 張靈倩 張學民 黃輔瓊 劉 靜 熊 攀 提 爍 吳 晗 宋佳軍 王 聰 蘇建峰 羅 靜

1 中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室，北京市中關村南二條1號，100190 2 中國科學院大學地球與行星科學學院，北京市玉泉路19號甲，100049 3 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110031 4 中國地震局地震預測研究所，北京市復興路63號，100036 5 中國地震臺網中心，北京市三里河南橫街5號，100045 6 中國科學院電工研究所，北京市中關村北二條6號，100190 7 國家衛星氣象中心，北京市中關村南大街46號，100081

大氣電場異常、氡氣溢出增加、kHz地聲輻射增強等異常均被認為是可能的地震前兆信號[1]。目前研究認為，地震前大氣電場異常的主要產生機制很可能與氡氣溢出增強有關[2]。由于電離層帶正電而地球表面帶負電，因此在全球大氣中存在一個由電離層垂直指向地面的靜電場，即大氣電場[3]。大量研究表明[4]，震前大氣電場會出現明顯的負異常，在地震臨震期間(地震發生前10 h內)通常為灣型(bay-like)電場異常(大氣電場負異常一直持續到地震發生之后)[5-6]。

Kondo[7]最早對地震前大氣電場異常進行觀測研究；Pierce[8]最早提出大氣電場異常可被看作地震前兆信號；Mikhailov等[9]同時觀測近地面大氣電場強度和水平地磁分量功率譜發現，1999年堪察加半島3次地震前均存在電場異常現象；Korsunova等[6]分析堪察加半島1998～2002年逐小時電離層數據，并與該時段強震(5.0≤M≤6.2)進行對比發現，震前幾天到幾十天的電離層Es和近地面電場垂直分量Ez存在異常；Smirnov[4]對1997-01-01～2002-12-31俄羅斯的409次地震(4.7≤M≤6.7)進行統計發現，有103次地震出現電場垂直分量Ez異常，其中37例異常信號出現在震前1～24 h內。除上述案例外，還有許多研究也在震前觀測到不同時間尺度下的大氣靜電異常[10-11]。

國內的震前大氣電場異常觀測最早始于20世紀90年代[12]，通過分析近十幾年中國華北地區近地表大氣電場異常與近場地震的關系，對電場異常特征在地震預報中的應用進行研究[13]。此外，An等[14]和Jin等[15]也對汶川地震震前幾小時到幾十天內溫江區和郫縣電場梯度的同步異常變化進行研究，并利用模型和氡氣機理對電場梯度異常變化特點進行分析和總結。

河北省廊坊市永清站(116.65°E，39.38°N)和天津市寶坻站(117.28°E，39.73°N)2臺大氣電場儀在2021-04-16灤州MS4.3地震發生前10 h內同時觀測到大氣電場異常信號。其中，永清站觀測到灣型電場異常臨震信號，寶坻站觀測到過境云與地質活動混合型電場異常臨震信號。本文著重對灤州地震期間2個臺站監測到的電場異常臨震信號進行對比研究，分析造成2種大氣電場異常信號差異的主要原因，并討論未來在大氣靜電監測數據中提取中等以上強度地震前兆信息的可能性。

1 灤州市地震天氣活動背景

1.1 氣象活動

根據中國地震臺網記錄，2021-04-16 16:06在河北省灤州市(震中位置118.71°E, 39.75°N)發生MS4.3地震，震源深度9 km，震中距灤州市1 km，距唐山市47 km，震中位置靠近灤州-樂亭斷裂帶。

由于大氣電場在不同的大氣環境和天氣條件下具有不同的變化特征[16-18]，雨天、風沙、霧霾和太陽活動等均可造成大氣電場強度下降[19]。因此，排除氣象因素、人類活動、太陽活動等影響后，晴天條件下大氣電場出現的負異常很可能為地震先兆信號。

從中國氣象數據網獲取寶坻氣象站(117.28°E, 39.73°N，與寶坻電場觀測站位置相同)和廊坊市氣象站(116.42°E, 39.35°N，與永清電場觀測站距離21.84 km) 2021-04-16逐小時氣象數據(表1)。其中風速取2 min平均風速，能見度為通過人工測量得到的水平能見度，總云量為各種高度和類型的云層遮蔽天空的比例。圖1為2021-04-16當天大氣電場異常期間大興雷達站的雷達觀測結果(反射率數值越高代表降水強度越大，反射率為0 dBZ的區域無低層云)。結合圖1和表1能更詳細地說明地震當天的天氣狀況以及云層分布情況。

表1 2021-04-16寶坻和廊坊氣象站逐小時數據

圖1 2021-04-16大氣電場異常期間大興雷達站觀測結果

由表1可知，地震當天廊坊氣象站風速偏低，最高不超過4.9 m/s，震前最高風速為01:00的2.7 m/s，當天平均風速為1.8 m/s。相對濕度較低，最高不超過43%，平均相對濕度為23.8%。地震當天廊坊氣象站的水平能見度較好，大部分時間均超過10 km，最低為12:00的9 km，空氣質量優良。氣溫在7.8 ～17.3 ℃之間，平均氣溫為13.4 ℃，全天均無降水。13:00～19:00總云量為90%，但由圖1可知，08:00～16:06廊坊地區無低層云，說明廊坊氣象站13:00～19:00出現的云均為中層云或高層云。由于帶電的主要為低層云，因此廊坊地區氣象信號、氣溶膠以及云層對大氣電場信號不會產生較大的調制作用。

地震當天寶坻氣象站風速比廊坊站略高，最高為17:00的11.4 m/s，震前最高風速為13:00的8.2 m/s，當天平均風速為4.3 m/s。相對濕度較低，當天平均值為27.3%，最高不超過42%。當天溫度為6.6～16.6 ℃，平均氣溫為11.8 ℃。寶坻站的能見度比廊坊站更高，保持在10 km以上，最高為30 km，幾乎無空氣污染，全天無降水。09:00起總云量增加至73%，11:00～13:00總云量達到峰值93%，14:00又降至73%，14:00之后總云量較小。由圖1大興雷達站觀測結果可知，11:18～16:06天津市寶坻區無低層云。結合表1中總云量可知，寶坻氣象站和廊坊氣象站的最大震前總云量均超過90%，但廊坊上空主要為高層云和低層云，而寶坻上空主要是低層云。低高度的過境云為主要帶電云，會對大氣電場信號產生調制作用，由此可知，寶坻站大氣電場異常信號為過境云與地質活動混合型異常電場信號。

1.2 空間天氣活動

Li等[20]對比分析風云3號衛星高能電子通量數據與俄羅斯沃斯托克站大氣電場數據發現，大氣電場對高緯度地區高能電子通量的增強響應時間為3.7～4 d。本文總結震前2021-04-11～16的空間天氣背景指數見表2，由表可知，該時段無CME、耀斑事件、射電暴發數，沒有明顯的太陽活動。Dst指數在震前5 d為-13～23 nT(Dst值越小代表地磁活動擾動幅度越大)，最小值為-13 nT，說明大氣電場異常期間未發生大磁暴，地震前5 d地磁活動不活躍，不會對地震當天的大氣電場產生較大影響。

表2 2021-04-11～16空間天氣環境

總體來看，震前空間天氣環境平靜，未發生對空間靜電場信號產生較大調制作用的空間地磁活動。排除氣象信號和空間天氣對空間電場垂直分量Ez的影響后認為，地震當天永清站觀測到的電場持續負異常很可能為地震前的關聯信號，而寶坻站觀測到的電場持續異常信號可能為過境云與地質活動混合型異常電場信號。

2 灤州地震大氣電場異常信號

2.1 臺站分布

永清觀測站位于河北省廊坊市北部(116.65°E, 39.38°N)，寶坻觀測站位于天津市寶坻區氣象局(117.28°E, 39.73°N)。永清站在震中南偏西77°方向，距震中181.2 km；寶坻站位于震中北偏西88.2°方向，距震中121.4 km，2觀測站相距67.7 km。

2.2 永清灣型電場異常臨震信號

圖2為2021-04-16永清站記錄到的大氣靜電場垂直分量Ez的變化曲線，其中T0為地震發生時刻，T1為判斷可能是地震引起的電場異常時刻，T0與T1時間間隔約為6.5 h。由于大氣靜電觀測儀器為非標設備，可能存在零點校準偏差，為確保電場為絕對負值信號(觀測數據的正負性)，以-0.3 kV/m為標準挑選電場異常信號。

圖2 永清站的大氣電場數據

從圖2可以看出，地震當天08:00左右大氣電場開始出現負值，09:27大氣電場負值突破-0.3 kV/m，排除氣象因素和空間天氣因素后認為，該信號很可能為地震前小時尺度的關聯信號。大氣電場異常在15:35達到峰值，為-2.7 kV/m，灣型電場異常信號一直持續到震后18:05。電場異常持續時間為8 h 38 min，大氣電場在異常期間的平均值為-0.68 kV/m。從1 h滑動平均結果可以看出，電場在震前下降明顯，并出現持續負異常信號直到地震發生，是明顯的灣型電場異常臨震信號。

圖3 寶坻站的大氣電場數據

2.3 寶坻過境云與地質活動混合型電場異常臨震信號

圖3為地震當天寶坻站記錄到的大氣靜電場垂直分量Ez的變化曲線，其中T0與T1時間間隔約為4 h。考慮到設備的非標性，挑選大氣電場異常的方法與永清站相同。由圖3可知，地震當天12:00左右大氣電場迅速降至-0.5 kV/m，排除氣象活動、空間天氣活動和人為活動干擾后認為，該信號很可能為地震的關聯信號。震前大氣電場異常在15:19達到峰值，為-1.04 kV/m；震后大氣電場異常在16:42達到峰值，為-1.13 kV/m。電場異常信號一直持續到震后17:25，持續時間為5 h 24 min。

由圖1的雷達觀測結果可知，電場異常期間存在低層云，但考慮到過境云對空間電場影響的時間尺度較小，且圖2中異常信號出現的時間段完全包含在圖3的異常區間內，因此排除其他氣象活動和空間天氣影響后認為，該異常信號很可能是地震源引起的空間靜電場異常和過境云混合型電場異常信號。

從圖2和圖3中1 h滑動平均結果來看，永清站的電場信號比寶坻站更加明顯，但2個觀測站的電場儀分別來自2個不同的廠家(永清站電場儀來自中科院國家空間科學中心，寶坻站電場儀來源于氣象局)，同時考慮到設備的非標性，電場強度絕對值大小的比較無意義。對比2個觀測臺站異常電場信號的其他特征發現，永清站觀測到異常的時間比寶坻站提前2.5 h，異常持續時間也比寶坻站長3 h 14 min。這是由于寶坻站信號主要受過境云以及地震斷裂帶分布的影響，其變化幅度和持續時間都沒有永清站明顯。

3 討 論

2021-04-16灤州地震臨震前(10 h)距離震中181.2 km的永清站觀測到具有明顯灣型特征的大氣電場異常信號，電場變化幅度大，持續數小時，具有較低的變化率，這與以往地震觀測到的灣型電場異常信號特征一致。這種電場異常信號很可能是地震臨震前氡氣及其他放射性氣體溢出產生的空間電荷局部電場異常[21]。永清站觀測到灣型電場異常信號的同時，距離震中121.4 km的寶坻站也觀測到電場異常信號，但其很可能為過境云與地質活動混合型電場異常臨震信號，2個信號均為臨震(10 h)電場異常信號。

對比寶坻站和永清站可知，兩者距離震中位置相近，氣象條件也很類似，只是寶坻氣象站風速略大，其記錄到的電場信號中存在過境云的混合。但2站的電場異常信號差別很大，永清站灣型電場異常信號的變化幅度和持續時間均明顯大于寶坻站。造成上述差異的原因不僅為云層作用，更主要的是地震斷裂帶分布，2個臺站所處位置與斷裂帶的空間關系以及與斷裂帶之間的方位距離均存在差異。

值得一提的是，寶坻站和永清站的異常電場信號可提前數小時感知到MS4.3灤州地震，說明利用空間大氣電場不僅可以感知強震(MS≥6.0)，未來也可以通過多源空間靜電分析將天氣信號與地質活動信號分離，在一定的氣象活動范圍內采用空間靜電技術提前感知中等以上強度的地震。

4 結 語

在2021-04-16灤州MS4.3地震前，永清站監測到灣型持續電場異常信號，該信號表現為臨震前的小時尺度前兆信號。同時，寶坻站監測到過境云與地質活動混合型電場異常信號。2個觀測臺站與震中距離相近，但永清站灣型電場異常信號的變化幅度和持續時間均明顯大于寶坻站，地震期間不同位置的臺站同時觀測到2種不同類型的電場異常臨震信號。這表明，寶坻和永清2個臺站不同的電場異常信號反映了不同的地質構造運動，未來可通過多源空間靜電分析形成有效的識別方法，在一定的氣象活動范圍內提前感知中等以上強度的地震。

致謝：感謝中國科學院國家空間科學中心劉勇研究員的熱情討論，感謝中國地震臺網中心提供地震信息，感謝中國氣象數據網提供地面逐小時氣象數據，感謝地磁服務中心和中國科學院國家天文臺太陽活動預報中心提供地磁活動和太陽活動情況。