汶川Ms8_0地震前电离层TEC异常分析_祝芙英

第28卷第6期2008年12月

大地测量与地球动力学

JOURNAL OF GEODESY AND GEODY NAM I CS

Vol.28No.6

　Dec.,2008

文章编号:167125942(2008)0620016206

汶川M s8.0地震前电离层TEC异常分析3

祝芙英1,2)　吴　云1,2)　林　剑1,2,3)　周义炎1,2)　熊　晶1,2)　杨　剑1,2)

1)中国地震局地震研究所,武汉　430071

2)地壳运动与地球观测实验室,武汉　430071

3)武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉　430079

摘　要　基于中国地壳运动观测网络的GPS观测数据,解算得到了汶川M s8.0地震前中国区域上空电离层TEC 分布图。用两种方法的研究显示,在相同时间和空间电离层TEC存在显著的异常扰动,即震前1～6天(除5月9日电离层TEC出现异常增加外)时间内多次出现显著的TEC异常减少,而且电离层TEC的异常驼峰有向磁赤道漂移的趋势,由于距离发震时刻较近,排除其他因素后认为该异常可能源于汶川M s8.0地震引起的电离层效应。

关键词　GPS;总电子含量(TEC);电离层异常;汶川地震;前兆

中图分类号:P228.4 文献标识码:A

STU DY O N I O NO SPHER I C TEC ANOM ALY PR I O R TO

W ENCHUAN M s8.0EARTHQUAKE

Zhu Fuying1,2),W u Yun1,2),L in J ian1,2,3),Zhou Yiyan1,2),Xi ong J ing1,2)and Yang J ian1,2)

1)Institute of S eis m ology,CEA,W uhan　430071

2)C rustal M ove m ent L abora tory,W uhan　430071

3)R ea rch Center of W uhan U niversity,W uhan　430079

Abstract　An M s8.0earthquake struck W enchuan in Sichuan p r ovince on May12th2008and had resulted in severe da mage.On the basis of the GPS observati on data fr om the reference stati ons of CrustalMove ment Observa2 ti onal Net w ork of China,the continuous31day TEC values over whole China were computed,exa m ined and com2 pared with t w o statistical analysis method,both the results sho wed that the i onos pheric TEC anomaly did exist1-6 days p ri or t o the earthquake in the regi on,the apparent anomal ous reducti on of TEC occurred on most of these days excep t the May9th on which the TEC value anomal ously increase evidently,and it was als o shown that the anoma2 l ous crest of the TEC moved t oward equat or.Seeing the ti m e was cl ose t o the moment when the earthquake oc2 curred,it can be concluded that the existent i onos pheric anomaly is possibly related t o the earthquake after exclu2 ding all the other possible fact ors.

Key words:Gl obal Positi oning Syste m(GPS);Total Electr on Content(TEC);i onos pheric anomaly;W enchuan M s8.0earthquake;p recurs or

3收稿日期:2008210217

基金项目:“863”课题(2007AA12Z169);国家自然科学基金(40774014);地震科学联合基金(106006)

作者简介:祝芙英,男,1980年生,硕士,主要从事飞行器精密定轨及应用方面的研究.E-mail:zhufy00@

　第6期祝芙英等:汶川M s 8.0地震前电离层TEC 异常分析

1　引言

地震预报特别是短临预报仍然处于探索阶段,为了推进地震预报研究,许多科学家不断地探索地震监测预报的新方法,其中地震孕育期电离层扰动以及地震电离层耦合关系的研究成为热点之一[1-9]。目前,全世界有20多个国家和地区进行地

震电离层前兆研究[1-19]

,研究表明:由地震引起的电离层变化不仅确实存在,而且在震级大于5级地震发生前的几天到几个小时内会发生电离层扰动。汶川M s 8.0地震发生后,我们利用中国地壳运动观测网络的GPS 观测数据,解算得到了中国区域上空的电离层TEC 值,然后分别采用滑动均值作背景,用标准差作检测资料和用滑动中位数作背景,用四分位距作检测资料及两种异常分析处理方法,对汶川大地震临震前一个月的中国区域上空的电离层TEC 资料进行了分析,得到了一些有益结果。

2　电离层TEC 的解算

电离层主要指地球表面上空60～1000k m 的大气层。在GPS 电离层TEC 研究中,电离层被描述为距地面一定高度(H )的单层,考虑到电离层TEC 最密集区域位于地面300～400k m 处,计算中模型高度(H )取350k m 。选球谐函数作为电离层TEC 的拟合模型,球谐系数为:

P 4=P 1-P 2=a (1/f 2

1-1/f 2

2)F 1(z )∑n max n =0∑n

m =0 P nm (sin

β)(a nm cos (m s )+b nm sin (m s ))+b 4

(1)

式中:a =4.03×1017

m s -2

TECU -1

,F 1(z )=1/cos

(z ),Z 为卫星在电离层星下点处的天顶角。β为电离层穿刺点的地理纬度,s 为太阳系经度,s ≈U T +λ-π(U T 为世界时,λ为地理经度),n max 为球谐函

数(SH )的最大度数,b 4为硬件延迟偏差; P nm (sin β)为正交化的勒让德尔函数;a nm 和b nm 为待定的SH 系数[20,21]

。在计算SH 系数时,式(1)中取n =m =5,

采用36参数的球谐函数模型,考虑到硬件延迟偏差的稳定性(一天内可视为常数)会同SH 系数联解,按式(1)通过最小二乘求得SH 的系数及硬件延迟偏差,单天SH 系数和接收机的硬件延迟偏差确定后便可解得当天各个位置不同时刻的TEC 值。

解算时所用的GPS 观测资料来自中国地壳运动观测网络,选取的观测弧段为2008年4月12日—5月22日,数据采样率为30s,观测截至角度为15°。观测台站等共24个,其分布如图1所示(三角形代表GPS 观测站,红色圆圈代表汶川地震震中)。解算后的TEC 值均匀地分布于中国的网格

点上空(网格纬度间隔1°,经度间隔1°

),时间分辨率为2小时。通过计算得到了2008年4月12日—5月22日期间中国区域上空电离层TEC 的经、纬向二维分布图,作为代表,图2给出了2008年5月9日(震前第3天)8:00UT 时的中国区域上空的TEC

分布。由图2可以看出,TEC 随着纬度的减小而增大,即在中国领土上空,TEC 值由北向南递增,最大值约40个TECU

。

图1　GPS 观测站分布

Fig .1　The l ocati ons of GPS stati ons in

China

图2　中国区域上空电离层TEC 分布(单位:TEC U )

Fig .2　The distributi on of the TEC over the Chinese regi on

(unit:TECU )

3　电离层TEC 异常分析

以往的电离层研究

[3,6,14,16]

大多以单一个案发

生的当月平均数或月中位数作为参考的背景资料,用当月的标准偏差检测是否有电离层异常现象发生,由于对照及检测的资料在时间上已经涵盖了震后效应,因此,该方法已经混合了震前、同震及震后的异常现象。为科学合理地提取电离层异常信息,本文提出并采用另外一种统计分析方法,即对电离层TEC 背景资料的处理时采用滑动均值作为背景资料,滑动标准差作为检测依据的方法:

设X ij

K 为图3中第i 、j 号网格的TEC 时间序列

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