劉 靜 姜春華 鄧 遲 楊國斌張學民 婁文宇 楊春華

1) 中國北京100036中國地震局地震預測研究所 2) 中國武漢430072武漢大學電子信息學院 3) 中國四川樂山614000樂山師范學院 4) 中國云南普洱665000普洱市地震局

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我國西南地區(qū)電離層垂測網(wǎng)數(shù)據(jù)應用研究*

1) 中國北京100036中國地震局地震預測研究所 2) 中國武漢430072武漢大學電子信息學院 3) 中國四川樂山614000樂山師范學院 4) 中國云南普洱665000普洱市地震局

本文基于我國西南地區(qū)電離層垂測網(wǎng)普洱站和樂山站的基礎數(shù)據(jù)， 結合空間天氣事件指數(shù)， 通過限定不同閾值的滑動平均方法， 提出靠近南部的普洱站應選取中值M±1.5σ(標準差)作為限定閾值， 靠近北部的樂山站應選取中值M±IQR(四分位距)作為限定閾值． 在此基礎上， 利用本文提出的擾動識別方法， 對2015年4月25日尼泊爾MS8.1地震予以分析. 研究結果顯示, 震前1天普洱站和樂山站均出現(xiàn)了正向擾動， 震前3小時樂山站持續(xù)出現(xiàn)負異常． 根據(jù)規(guī)劃， 我們還將在西南地區(qū)建立1—2個垂測臺站， 架設數(shù)臺被動接收垂測儀信號的電離層斜向探測儀， 通過組網(wǎng)對西南地區(qū)上空的電離層進行監(jiān)測， 為分析震前電離層擾動提供數(shù)據(jù)支持．

電離層垂測 異常提取 尼泊爾MS8.1地震

引言

在近地空間中， 電離層作為電波傳播介質對人類活動具有重要影響， 其時空劇烈變化會導致全球短波通信質量和衛(wèi)星導航定位精度極大降低； 因此， 電離層探測研究作為近地空間環(huán)境研究的重要組成部分， 歷來受到空間物理界的重視．

20世紀50年代之前， 探測電離層物理特性主要使用地面測高儀； 50年代后期， 人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射， 為電離層探測提供了強有利的探測工具， 極大地促進了高層大氣物理探測技術的發(fā)展． 現(xiàn)階段， 全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System， 簡寫為GPS)探測、 非相干散射雷達、 斜向探測、 斜向返回探測、 長波探測等多種手段， 均被廣泛應用于電離層探測中(熊年祿等， 1999)． 20世紀70—90年代， 美國、 前蘇聯(lián)先后建立起各自的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)， 即GPS和GLONASS (Global Navigation Satellite System)． 目前， 歐盟和我國的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)“伽利略”(Galileo)和“北斗”也正在架設中(李強等， 2012)． 這些衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的建立， 使得利用稠密的、 連續(xù)運行的多功能監(jiān)測網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)進行高時空分辨率電離層動態(tài)監(jiān)測成為可能(萬衛(wèi)星等， 2007)．

我國電離層垂測站始建于20世紀40年代， 目前中國電波傳播研究所已建成13個電離層垂測站， 覆蓋了我國中低緯地區(qū)(徐彤等， 2012)， 積累了數(shù)個太陽周的電離層觀測數(shù)據(jù)． 中國科學院地質與地球物理研究所沿120°E經(jīng)度鏈建立了漠河、 北京、 武漢、 三亞等4個臺站， 均裝置了垂測儀、 流星雷達和用于氣輝觀測、 閃爍觀測的儀器， 并使用長時間觀測數(shù)據(jù)開展了大量的電離層研究(Lietal， 2013； Yuetal， 2013)．

在中國地震局地震預測研究所修繕購置項目的支持下， 2013年中國地震局地震預測研究所和武漢大學在云南省普洱市大寨臺站(普洱站)和四川省樂山師范學院(樂山站)共同建立了兩個常規(guī)電離層垂測站， 用于監(jiān)測電離層特性的基本變化， 并通過對擾動提取方法的研究， 分析電離層擾動與非震及地震的相關性．

1 電離層垂測管理系統(tǒng)

1.1 臺站建設

普洱站位于云南省普洱市地震局大寨觀測站內． 該站始建于2013年1月， 2013年5月實現(xiàn)全天候無人值守常規(guī)觀測. 圖1給出了該站垂測儀發(fā)射天線、 接收天線及機房所在位置．

圖1 普洱站構建圖

圖2 普洱和樂山電離層垂測站的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of data management system for ionosonde stations Pu’er and Leshan

樂山站位于樂山師范學院院內， 始建于2013年12月， 2014年1月實現(xiàn)全天候無人值守常規(guī)觀測．

1.2 數(shù)據(jù)管理

鑒于普洱站和樂山站均位于我國西南地區(qū)， 為了實現(xiàn)探測設備的網(wǎng)絡化管理、 無人值守以及探測數(shù)據(jù)的自動處理， 我們通過互聯(lián)網(wǎng)將觀測站與北京、 武漢數(shù)據(jù)服務中心聯(lián)網(wǎng)， 便于實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)服務中心． 通過自動判讀軟件對探測數(shù)據(jù)文件進行處理， 自動提取電離層的特性參數(shù)， 并將所獲取的電離層參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫， 便于后期對該數(shù)據(jù)進行處理及分析． 利用SQLServer數(shù)據(jù)庫服務器， 實現(xiàn)電離層探測參數(shù)的數(shù)據(jù)化管理； 利用Server-U ftp服務器， 實現(xiàn)探測文件在網(wǎng)絡內的傳輸． 該數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的布局示意圖如圖2所示．

1.3 電離圖編輯軟件(ionoEditor)

電離層垂測網(wǎng)使用武漢大學自主開發(fā)的一套電離圖自動判讀軟件ionoEditor; 從目前的判讀結果來看， 其誤差可以控制在合理的范圍之內， 與人工判讀的結果相比， 判讀精度在85%以上． 如圖3所示， 該軟件能夠給出的電離圖判讀參數(shù)有電離層最大反射頻率(fxI)、 F2層尋常波臨界頻率(foF2)、 F1層尋常波臨界頻率(foF1)、 E層尋常波臨界頻率(foE)、Es層尋常波臨界頻率(foEs)和F2層電離層虛高(h′F2)． 在自動處理完電離圖之后， 對應的電離層參數(shù)及探測文件會通過網(wǎng)絡傳輸至業(yè)務服務器中心(數(shù)據(jù)庫服務器、 文件服務器)． 除了自動判讀功能， 電離圖編輯軟件還具有手動修正電離層判讀參數(shù)的功能， 并可將判讀結果保存至數(shù)據(jù)庫．

圖3 電離圖編譯軟件界面

1.4 數(shù)據(jù)分析軟件(ionoAnalyzer)

電離層垂測網(wǎng)所使用的數(shù)據(jù)分析軟件ionoAnalyzer也是由武漢大學自主研發(fā)的． 基于該軟件， 用戶可以通過連接數(shù)據(jù)庫與互聯(lián)網(wǎng)， 下載并繪制空間天氣事件指數(shù)及垂測數(shù)據(jù)變化圖， 也可以通過選取時間段、 背景天數(shù)、 異常閾值等參數(shù)對垂測數(shù)據(jù)進行分析和展示(圖4)．

圖4 數(shù)據(jù)分析軟件界面

目前該垂測網(wǎng)內僅有兩個垂測站， 如后續(xù)增加臺站， 該軟件也具有擴展功能， 可實現(xiàn)多個臺站的數(shù)據(jù)分析和同步顯示．

2 異常提取方法

電離層擾動中， 部分來自太陽活動、 磁暴、 亞暴、 大氣波動等空間事件， 部分來自無線電通訊、 火山、 地震等地面事件． 本文基于普洱站和樂山站的電離層垂測數(shù)據(jù)， 通過限定不同閾值的滑動平均方法提取垂測數(shù)據(jù)中的擾動信息， 并依據(jù)空間天氣相關指數(shù)評價各閾值在提取相關空間天氣事件引起電離層擾動的效能. 采用R值計算方法(張國民等， 2001)如下：

(1)

式中：a為漏報率，a=漏報次數(shù)/實際事件次數(shù)；b為空報率，b=虛報次數(shù)/實際無事件次數(shù)．

普洱站自2013年5月8日起開始有觀測數(shù)據(jù)， 樂山站自2013年12月19日起開始有觀測數(shù)據(jù). 本文將以15天為背景(Liuetal， 2006)、 以1天為步長進行滑動平均方法分析， 計算觀測數(shù)據(jù)前15天的中值M， 四分位距IQR， 標準差σ以及10%， 20%， 25%， 75%， 80%， 90%分位值， 分別設定M±IQR，M±1.5IQR，M±2IQR，M±σ，M±1.5σ，M±2σ， 10%和90%， 20%和80%， 25%和75%為上下閾值， 當異常連續(xù)出現(xiàn)2小時以上時視為電離層擾動．

按照上述標準提取普洱站2013年5月23日—2014年5月1日和樂山站2014年1月3日—2014年5月1日的電離層擾動． 同時， 將F10.7指數(shù)、KP指數(shù)、Dst指數(shù)和AE轉化成北京時間的相應值， 分析該時段內的太陽活動、 磁暴和亞暴事件． 當F10.7>160時， 本文認為擾動與太陽活動有關， 該時段共發(fā)生50次； 當KP>3或Dst≤-30 nT時認為擾動為磁暴事件， 共發(fā)生123次； 當AE>500 nT時則認為擾動為亞暴事件， 共發(fā)生118次．

依據(jù)兩個臺站所提取的擾動及其與空間天氣事件的對應關系， 分別計算R值、 擾動提取比值(擾動提取數(shù)量/該事件總次數(shù)×100)、 空報率(b)， 具體結果如表1所示．

從擾動提取比值來看， 四分位距、 標準差和百分比所限定的閾值越低， 針對每種事件所提取的擾動越好， 但其空報率也明顯增高．

從R值來看， 普洱站以M±1.5σ作為閾值時R值較高， 2013年太陽活動事件較少， 如不考慮對于太陽活動事件的預報能力， 磁暴事件的R值可達0.2061， 亞暴事件的R值可達0.1983， 同時空報率也相對較低. 相對而言， 擾動提取對磁暴的預報能力要優(yōu)于其對太陽活動事件和亞暴事件的預報能力， 以80%和20%作為閾值，R值可達0.1035， 以90%和10%作為閾值，R值可達0.1481． 對于樂山站， 以1倍IQR作為閾值時，R值最高， 磁暴事件的R值可達0.2760， 亞暴事件的R值可達0.2881， 太陽活動事件的R值相對較低， 為0.0914， 同時， 擾動提取比值也相對較高； 以M±1.5σ作為閾值時， 3種事件的R值均為正， 磁暴事件的R值可達0.1478， 亞暴事件的R值可達0.2226； 如不考慮太陽活動事件的R值， 分別以M±1σ， 90%和10%作為閾值限定提取擾動， 磁暴事件和亞暴事件的R值均大于0.1．

由表1可看出， 樂山站不同閥值的效果略優(yōu)于普洱站， 造成這種現(xiàn)象的原因可能有兩個： 其一， 樂山站只分析了2014年的數(shù)據(jù)， 而2014年的太陽活動明顯增強， 這使得事件空報率有一定的降低； 其二， 普洱站比樂山站更靠近電離層赤道異常區(qū)， 其擾動變化會更多且更不穩(wěn)定， 給空間天氣事件預報造成更大困難．

依據(jù)上述分析， 不同閾值分析方法適用于不同緯度上的臺站， 因此在日常數(shù)據(jù)分析應用中， 我們分別選取M±1.5σ和M±IQR作為普洱站和樂山站的限定閾值．

表1 普洱站和樂山站不同閾值條件下各類事件的R值、 擾動提取比值及空報率

注： IQR為四分位距，σ為標準差.

3 尼泊爾MS8.1地震的電離層異常分析

2015年4月25日14時11分(北京時間)尼泊爾發(fā)生MS8.1地震， 震中位置為(84.65°E， 28.15°N)， 普洱站和樂山站分別距離震中17°和19°． 按照孕震區(qū)半徑D與震級M的關系D=100.43M(Dobrovolskyetal， 1979)可知，MS8.1地震可影響半徑約為3300 km的圓周區(qū)域， 該范圍涵蓋了普洱和樂山兩個垂測臺站， 因此提取兩個臺站震前7天及震后2天數(shù)據(jù)進行研究， 有可能會揭示出震前電離層擾動． 按上述選定的擾動提取閾值分別對兩個臺站相應的數(shù)據(jù)進行分析， 結果如圖5所示． 可以看出， 在尼泊爾地震前后10天數(shù)據(jù)中， 普洱站在震前1天(4月24日)出現(xiàn)正向擾動， 持續(xù)時間約為2小時30分鐘； 樂山站在4月22日、 23日和24日均出現(xiàn)正向擾動， 25日出現(xiàn)負向擾動． 經(jīng)對比空間天氣事件指數(shù)， 本文認為22日和23日的擾動應與磁暴和亞暴事件有關， 而24日兩臺站的異常及25日樂山站震前持續(xù)3小時的異常應與尼泊爾MS8.1地震有一定的相關性．

圖5 2015年4月18—27日普洱站和樂山站相關指數(shù)及垂測數(shù)據(jù)

4 討論與結論

基于西南地區(qū)普洱站和樂山站的電離層垂測數(shù)據(jù)， 本文結合空間天氣事件指數(shù)， 通過對限定不同閾值的滑動平均方法的研究， 提出靠近南部的普洱站應選取M±1.5σ作為限定閾值， 靠近北部的樂山站應選取M±IQR作為限定閾值． IQR 相當于1.34σ(Liuetal， 2009)， 也就是說， 普洱站提取擾動的閾值較樂山站高． 這可能是由于普洱站離赤道北駝峰較近(Ryuetal， 2014)， 擾動也相對較多所致．

利用本文提出的擾動判定方法， 對2015年尼泊爾MS8.1地震進行分析， 研究結果顯示， 震前1天(4月24日)普洱站和樂山站均出現(xiàn)了正向擾動， 4月25日震前3小時樂山站持續(xù)出現(xiàn)負異常．

根據(jù)規(guī)劃， 除現(xiàn)有的普洱站和樂山站外， 我們還將在西南地區(qū)建立1—2個垂測臺站， 并根據(jù)該區(qū)域的斷層分布情況， 架設數(shù)臺被動接收垂測儀信號的電離層斜向探測儀， 通過組網(wǎng)對西南地區(qū)上空的電離層進行監(jiān)測， 為分析震前電離層擾動提供數(shù)據(jù)支持．

圖6 垂測數(shù)據(jù)擾動及其與各類事件的對應次數(shù)Fig.6 Numbers of ionosonde disturbancecorresponding to several kinds of events

基于現(xiàn)有兩個臺站的垂測數(shù)據(jù)， 我們一直在開展震前電離層擾動研究和示范性的應用工作． 通過分析普洱站2013年5月23日—2014年12月31日及樂山站2014年1月3日—2014年12月31日的垂測數(shù)據(jù)， 共提取正異常145次， 負異常110次． 如圖6所示， 在這255次電離層異常中， 與磁暴相關的事件有60次， 與亞暴相關的事件有54次， 與太陽活動相關的事件有68次． 在排除空間天氣事件的影響后， 通過對比M6.0以上地震位置及其發(fā)震時刻， 本文初步認為可能有14次異常與地震有一定的關系． 盡管如此， 但是在排除上述影響后， 仍有59次異常找不到擾動源， 占擾動總次數(shù)的23%， 尚需深入研究. 進一步探討巖石圈-大氣層-電離層的耦合機制， 逐漸探索臨震電離層擾動的時空特征, 是我們近期的研究方向.

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Vertical ionosonde net and its data application in southwestern China

1)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China2)ElectronandInformationSchool，WuhanUniversity，Wuhan430072，China3)LeshanNormalUniversity，SichuanLeshan614000，China4)EarthquakeAdministrationofPu’erCity，YunnanPu’er665000，China

In order to monitor the ionospheric change in southwestern China， two stations were established in Pu’er City of Yunnan Province and Leshan Normal University of Sichuan Province jointly by Institute of Earthquake Science， China Earthquake Administration and Wuhan University. Based on the vertical ionosonde data from the two stations and space weather events， we used the moving average method with different threshold to extract ionospheric perturbation， and selected median±1.5Std and median±IQR as the threshold at the stations Pu’er and Leshan， respectively. Furthermore， using this method， we analyzed the data before NepalMS8.1 earthquake occurred at 14:11 on 25 April 2015. The results showed that there were positive anomalies in April 24 at the two stations Pu’er and Leshan， and negative anomalies lasting for three hours at Leshan station before the Nepal earthquake. According to our plan， besides the two stations， one or two vertical ionosonde stations and several oblique ionosondes will be set up in southwestern China， which will monitor the ionosphere over the region， and provide data for analyzing seismo-ionospheric disturbance.

vertical ionosonde; anomaly extraction; NepalMS8.1 earthquake

國家國際科技合作專項(2014DFR21280)、 國家自然科學基金(41511130032)和亞太空間合作組織國際科技合作項目“亞太地區(qū)地基電離層監(jiān)測及地震擾動特征研究”(APSCO-SP/PM-EARTHQUAKE)共同資助.

2015-10-28收到初稿， 2015-12-16決定采用修改稿.

e-mail: liujingeva@163.com

10.11939/jass.2016.03.007

P352.7

A

劉靜, 姜春華, 鄧遲, 楊國斌, 張學民, 婁文宇, 楊春華. 2016. 我國西南地區(qū)電離層垂測網(wǎng)數(shù)據(jù)應用研究. 地震學報, 38(3): 399--407. doi:10.11939/jass.2016.03.007.

Liu J, Jiang C H, Deng C, Yang G B, Zhang X M, Lou W Y, Yang C H. 2016. Vertical ionosonde net and its data application in southwestern China.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 399--407. doi:10.11939/jass.2016.03.007.