陳必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 劉 瑩
(中南大學測繪與國土信息工程系,長沙 410083)
利用電離層層析技術探測日本9.0級地震前電離層異常*
陳必焰 戴吾蛟 蔡昌盛 匡翠林 劉 瑩
(中南大學測繪與國土信息工程系,長沙 410083)
利用電離層層析技術對日本Ms9.0地震前21天震中區(qū)域附近上空電離層進行了三維重構,并通過2倍標準差方法對反演出的各時刻電離層各格網點電子密度值進行了異常探測。在排除太陽和地磁活動影響后分析得出:2月28日UT14:00—16:00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常減小、3月2日UT08:00—14:00、3日UT00:00—06:00和4日UT12:00—20:00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常增大極有可能與日本地震有關。
日本Ms9.0地震;電離層;層析技術;電離層異常;電子密度值
地震電離層異常探測已成為當前地震學和地球物理學的熱點研究問題之一,已有研究結果表明,大震之前極有可能存在電離層異常變化[1-7]。但這些研究主要考察的是電離層f0F2或TEC值的變化。然而,這兩個物理量都不能描述電離層電子密度三維空間的分布情況,因此無法給出電子密度的三維空間的變化趨勢。而基于GPS的電離層層析技術可以有效克服這一缺點,實現(xiàn)三維甚至四維電離層結構的重構。楊劍等[8]率先將電離層層析成像技術用于汶川地震前電離層異常探測中,其研究表明電離層層析成像技術在地震預測研究領域有廣闊的應用前景?;诖?,本文利用電離層層析技術重建了日本大地震前震中上空附近電離層電子密度的三維分布,并將2倍標準差方法應用到本文的基于電離層層析技術的電離層異常探測中。
GPS地面站至衛(wèi)星連線上的TEC值計算公式為[9]:
式中n為射線穿過像素個數,e為觀測誤差,ai為GPS射線在對應像素內的截距,xi為對應像素中心的電子密度值。將式(1)寫成矩陣形式為:
式中,y為GPS信號傳播路徑上電離層斜向TEC觀測值所構成的列向量,A為GPS射線在對應像素內的截距構成的向量,e為觀測誤差向量,x即為每個像素中心的電子密度值構成的向量。理論上即可根據式(2)直接求得x。但在實際層析問題中,電離層電子密度反演所需數據缺失比較嚴重,直接求解是不可能的。一般采用迭代算法來反演電子密度值,本文采用的是乘法代數迭代算法(MART)。
MART算法是以某個電離層經驗模型(本文使用IRI2007模型)作為待重建區(qū)域電子密度分布的初始值,通過迭代逐步修正初始值,直到修正的值滿足最小范數條件為止[10]。MART算法的迭代公式為:
為了利用電離層層析技術重建日本9.0級地震前震中上空附近區(qū)域的電離層三維分布,探測震前電離層異常擾動信息,采用的是IGS站提供的震中附近地面站的GPS觀測數據,涉及到的GPS觀測站有AIRA、DAEJ、KGNI、KHAJ、KSMV、MIZU、MTKA、SMST、SUWN、TSKB、USUD、YSSK。反演區(qū)域以震中為中心,即132°~152°E,30°~46°N,高度為75~900 km??紤]到電離層電子密度經度方向上的變化比緯度方向上的變化要小。因此,劃分的格網間隔在經度和緯度方向上分別取為2°和1°,高度方向上的間隔取為25 km。震中附近地區(qū)上空分為10×16 ×33共5 280個格網點??紤]電離層在較短時間內電子密度變化很小,為了獲得足夠多的層析數據,以1小時的數據為一組進行層析反演。對GPS觀測數據進行預處理,消除粗差修復周跳后,通過GPS雙頻碼與相位觀測數據聯(lián)合解算可得出高精度的TEC值。本文以兩小時為間隔對震前21天(2011-02-18—2011-03-10)震中附近上空電離層進行了層析反演,得到了252組電離層三維電子密度分布數據。
采用2倍標準差[5]探測震前震中附近區(qū)域上空是否出現(xiàn)了電離層異常,即以每個格網點某個時刻連續(xù)10天的電子密度值作為背景值,再以這段數據的平均值和標準差σ作為標準來判斷第11天相應格網點和相應時刻的電子密度值是否異常。計算中消除了太陽和地磁活動對電離層的影響。
探測結果顯示,3月7日和8日的太陽黑子數比較高,顯示太陽活動較強(圖1(a));從圖1(b)可以發(fā)現(xiàn),3月1日UT09:00—24:00,2日UT00:00—06:00,UT15:00—18:00,3日UT06:00—09:00,10日UT06:00—15:00 Kp指數較大,因此這些時刻出現(xiàn)的異常現(xiàn)象可能是受到了地磁活動的影響。綜上所述,我們可得出2月28日UT14:00—16:00,3月2日UT08:00—14:00,3日UT00:00—06:00,4日UT12:00—20:00出現(xiàn)的電離層異常擾動現(xiàn)象很可能與日本9.0級地震有關。圖3為頻率較高的震中上空350、400、450 km高度處格網點電子密度值震前21天的時間序列。從圖2可見,其異常變化與上述結果相符。
圖1 2011-02-28—03-10日期間太陽黑子數和地磁Kp指數的變化Fig.1 Variation of sunspot number and geomagnetic Kp index from February 28 to March 10,2011
為了進一步分析電離層異?,F(xiàn)象,畫出了沿震中經度、緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖,顯示的電子密度值是經2倍標準差異常探測方法計算后得出的異常超限值。限于篇幅,僅給出了其中幾個異常時刻的剖面圖。圖3為2月28日UT16:00時出現(xiàn)的電離層異常剖面。值得注意的是電離層電子密度單位是負的,這意味著該時刻電離層電子密度值超出下限,即電離層電子密度值出現(xiàn)了異常減小。圖中深藍色部分表示電離層電子密度值處于正常水平,其余部分顏色越深表明異常減小值越大。結合圖3(a)、(b)、(c)(圖中方框區(qū)域表示震中位置,下同)可以發(fā)現(xiàn)電離層異常區(qū)域正好位于震中上空周圍,基本上離震中越近電子密度值異常減小越大,最大值達到了-4 000。圖4、5為3月2日UT12:00和4日UT14:00時刻出現(xiàn)的電離層異常剖面。與圖4不同是這兩個時刻電離層電子密度值都出現(xiàn)了異常增大(圖中深藍色部分表示電離層電子密度值處于正常水平,其余部分顏色越深表明異常增大值越大)。從圖4、5也可以看出,電離層異常區(qū)域正好位于震中上空周圍,也是離震中越近電子密度值異常增大越大,最大值達30 000。綜合多個時刻電離層異?,F(xiàn)象,可以得出電離層異常有共同之處,即電離層異?,F(xiàn)象范圍不是很大,而且基本上都處在震中區(qū)上空附近,離震中區(qū)越近電離層異常變化越大。另外,我們也可發(fā)現(xiàn)電離層異?,F(xiàn)象基本上都集中在300~500 km的高度范圍之內,即處在電離層F2層范圍之內,這也表明電離層F2層受地震影響最大。
圖2 震前21天震中上空350、400、450 km高度處格網點電子密度時間序列圖Fig.2 Electron density time series of grid network point at altitude 350,400,450 km over the epicenter in the 21days before earthquake
圖3 2月28日UT16:00沿震中經緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig.3 Ionospheric anomaly profile along the latitude,longitude and altitude at 350 km of the epicenter at February 28 UT16:00
圖4 3月2日UT12:00沿震中經緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig 4 Ionospheric anomaly profile along the latitude,longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 2 UT12:00
通過利用電離層層析技術對日本Ms9.0地震震前震中區(qū)域附近上空電離層進行了三維重構,并通過2倍標準差方法對反演出的各時刻電子密度值進行了異常探測。在排除太陽和地磁活動影響后分析得出2月28日UT14:00—16:00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常減小,3月2日UT08:00—14:00,3日UT00:00—06:00和4日UT12:00—20:00出現(xiàn)的電離層電子密度值異常增大,極有可能與日本9.0級地震有關。文中在分析電離層異常現(xiàn)象時只考慮了太陽和地磁活動影響,實際中目前還沒有方法能夠完全排除其它,諸如電離層自身擾動、大氣波動等原因造成的電離層異常效應。此外,文中所進行的實驗及得出的結論只是針對日本9.0級地震研究得出的結果,因此要判斷本文結論是否具有普遍性還需做更多工作。
圖5 3月4日UT14:00沿震中經緯度和高度350 km處的電離層異常剖面圖Fig 5 Ionospheric anomaly profile along the latitude,longitude and altitude at 350 km of the epicenter at March 4 UT14:00
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IONOSPHERIC ANOMALY DETECTION BEFORE JAPAN Ms9.0 EARTHQUAKE BY USE OF IONOSPHERIC TOMOGRAPHY TECHNOLOGY
Chen Biyan,Dai Wujiao,Cai Changsheng,Kuang Cuilin and Liu Ying
(Department of Geomatics Engineering,Central South University,Changsha 410083)
By use of the technology of ionospheric tomography,three-dimension ionospheric electronic density in a time length of 21 days prior to Japan March 11,2011 earthquake were reconstructed over the epicenter area,and the electron density anomaly detection was conducted at all ionosphere grid network points for a specific time period.After excluding the effect of solar and geomagnetic activity,the computational results indicate that the abnormal ionospheric electron density decreased at the Universal Time(UT)of 14:00-16:00 on February 28 and increased at 08:00-14:00 on March 2,00:00-06:00 on March 3,and 12:00-20:00 on March 4.The occurrence of these anomalies is likely a precursor of the Japan Ms9.0 earthquake.
Japan Ms9.0 earthquake;ionosphere;tomography;ionospheric anomalies;electron density
1671-5942(2011)06-0011-04
2011-08-29
國家自然科學基金(41004011);中南大學前沿研究計劃(2009QZZD002)
陳必焰,男,1988年生,碩士研究生,主要研究方向為電離層建模與預報.E-mail:573903117@qq.com
P207
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