原文：http://www.dizhenxb.org.cn/UploadFile/RichHTML/h32erizt.htm
引用本文
马新欣, 林湛, 陈化然, 金红林, 李大虎, 焦立果, 刘晓灿. 2013. 基于COSMIC掩星数据探测汶川MS8.0地震震前电离层异常. 地震学报, 35 (6): 848-855.
Ma Xinxin, Lin Zhan, Chen Huaran, Jin Honglin, Li Dahu, Jiao Liguo, Liu Xiaocan. 2013. Ionosphere anomaly before the Wenchuan MS8.0 earthquake detected by COSMIC occultation data. Acta Seismologica Sinica , 35 (6): 848-855.
基于COSMIC掩星数据探测汶川MS8.0地震震前电离层异常
马新欣1,林 湛2 , 陈化然1, 金红林2,李大虎3, 焦立果1, 刘晓灿1
1) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所
2) 中国北京100036中国地震局地震预测研究所
3) 中国成都610041四川省地震局工程地震研究院
收稿日期：2012-06-15收到初稿， 2012-12-06决定采用修改稿.
基金项目：地震行业专项“山基塔基掩星和三频信标综合观测试验”(201108004)和基本科研业务经费“基于B样条函数建立电离层电子密度分布模型”(DQJB10B26)项目联合资助.
通讯作者：E-mail:linzhan0418@gmail.com
摘要：获取COSMIC掩星2级数据， 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值， 为2008年5月12日汶川MS8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据． 同时应用主成分分析法研究最大电子密度， 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化． 研究结果发现， 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象， 且随高度不同存在一定差异， 主要集中在F2层300—450 km. 主成分分析结果显示， 4月15日—29日19：00—24：00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加． 上述结果表明， 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究．
关键词： COSMIC 球谐函数 最小二乘拟合法 电离层扰动
Ionosphere anomaly before the Wenchuan MS8.0 earthquake detected by COSMIC occultation data
Ma Xinxin1,Lin Zhan2 , Chen Huaran1, Jin Honglin2, Li Dahu3, Jiao Liguo1 Liu Xiaocan1
1) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
2) Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
3) Institute of Engineering Seismology, Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu 610041， China
Abstract: By a least-squares fitting method we calculated the coefficients of spherical harmonic functions， and examined electron density in and around epicentral region of the Wenchuan MS8.0 earthquake based on COSMIC occultation data. At the same time we evaluated the maximum electron density using the principal component analysis, and deduced the temporal variation of the contribution of each principal component. It was found that the enhanced anomalous TEC disturbances over seismogenic zone took place before the Wenchuan earthquake in the layer from altitude of 300 km to 450 km, further more the disturbance changed with height. The third principal component increased significantly during 19:00—24:00 (local time) within 13—27 days (from April 15 to 29) prior to the Wenchuan earthquake. The results showed that there was a clear ionospheric anomaly before the Wenchuan earthquake. Result of this study helps us in understanding the seismic-ionospheric coupling model.
Key words: COSMIC spherical harmonic function least-squares fitting ionospheric disturbance
COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate)系统由6颗相同的微卫星组成， 每颗卫星装载有GPS接收机、 小型电离层光度计(TIP)和三频段信标仪(Tri-Band Beacon)等科学探测仪． 这6颗卫星分布在约800 km轨道高度， 倾角为72°， 相邻卫星轨道平面夹角为30°． COSMIC卫星通过接收GPS卫星L波段信号， 计算电波在电离层传播过程中产生的相位延时量． 利用反演技术， 可计算出电波路径切点处的电子密度． COSMIC掩星观测技术为探测和研究电离层活动规律提供了一条新的途径． 目前岩石圈-电离层-大气层(lithosphere-atmosphere-ionosphere, 简写为LAI)的耦合机理还处于探索阶段， 许多学者开展了地震电离层耦合机理以及震前电离层异常方面的研究(Fenoglio et al, 1995; Huang, 2002; Du et al, 2002, 2011)． Pulinets (2004)分别从近地表过程、 电离层D层效应、 E层效应和磁层效应等4个方面论述地震电离层耦合的物理模型． Hayakawa等(2004)提出了电磁途径、 化学途径和声学途径等地震电磁信号传播途径． Freund等(2004)基于实验室岩石实验基础提出了离子空穴运移假说模型． 但是， 与地震相关的各种电磁效应机理目前还没有统一的解释． 本研究基于上述地震电磁现象认识的基础上， 利用COSMIC星座GPS掩星获得的电离层电子密度数据， 讨论汶川地震前后是否存在电离层电子密度的显著异常变化． 本文基于12阶次球谐函数， 使用最小二乘拟合法计算模型值， 拟合电离层模型， 为考察地震上空电子密度变化提供背景依据． 同时， 应用主成分分析法研究震中邻近区域最大电子密度的各主成分所占能量百分比随时间的变化．
1 数据分析方法 1.1 主成分分析方法 主成分分析法(principal component analysis， 简写为PCA)(Xu, 2004; Zhao， Wan, 2005)是将多个变量通过线性变换重新组合成一组新的线性无关的变量， 同时根据分析的需求选取前几个变量反映原来变量信息的一种多元统计方法． PCA方法可以有效地分离原始数据信号， 剔除噪音和冗余． 因此本文使用PCA方法分离可能与太阳活动和地磁活动相关的信号， 进而考察可能与地震活动相关的信号．
1.2 模型建立 本文采用12阶次球谐函数拟合电离层模型． 首先， 设计网格划分， 网格大小按2°×2°分割成一定数量的网格(如果网格内有多个即值取均值)； 然后， 基于12阶次球谐函数(袁运斌， 欧吉坤， 2002； 章红平， 2006)：
式中， anm和bnm为待估系数， Pnm(cosθ)为缔合勒让德函数， λ为经度， θ为余纬， n=12， 共有待估系数169个， 使用最小二乘拟合法计算球谐系数； 最后， 计算设计区域模型值， 再以模型值作为背景依据， 计算δ， δ=(x0-xm)/xm (x0表示观测值， xm表示模型值)， 以估算模型误差的影响; 以2011年1月1—15日为例， 这段时间地磁场平静， 太阳活动水平很低， 计算得到平均误差为0.17， 最大误差为0.42， 最小误差接近于0， 误差数据为83.3%， 分布在0—0.20区间内．
2 数据处理结果 2.1 数据整理 2008年5月12日14时28分(地方时)四川省汶川地区发生MS8.0地震， 震中位于103.4°E、 31°N， 震源深度约14 km． 本文使用COSMIC掩星2级数据， 应用PCA方法及最小二乘拟合法拟合设计区域电离层模型， 尝试探测汶川地震震前电离层扰动．
应用PCA方法选取2008年3月1日—5月14日地方时最大电子密度数据. 首先， 网格设计为经度98°—108°E和纬度26°—36°N， 网格大小5°×5°， 分割成4个网格， 即Y1， Y2， Y3和Y4， 如图 1所示．
图1(Figure 1)
| 图1 震中(星号)及网格划分 Fig.1 Location of the epicenter (denoted by the star) and mesh generation |
然后， 每个网格内3月1日—5月14日数据以15天为间隔， 分割成5个时段， 再以3小时为间隔将每段数据分割成8个时段， 每个时段如果有多个值则取均值， 共计40个点， 每个数据点为3 h间隔的时均值， 按时间序列表示为
从而得到矩阵
最后， 计算 Y 的主成分信号， 显示时间分割点的各主成分能量百分比变化．
模型建立选取2008年4月27日—5月11日12：00—14：00(地方时)、 200—500 km高度电子密度数据， 以50 km分层拟合模型计算δ. δ局部显示60°—140°E和10°—60°N， 掩星事件分布如图 2所示． 同时选取2008年2月12日—5月11日12：00—14：00(地方时)、 300—350 km高度电子密度数据拟合模型计算δ．
图2(Figure 2)
| 图2 掩星事件分布图 Fig.2 Location of occultation data points observed by COSMIC |
2.2 PCA分析 通常情况影响电离层的因素包括很多方面： 一是太阳活动性， 包括太阳电磁辐射、 太阳黑子数、 耀斑等； 第二是地磁活动水平， 地磁活动引起的电离层扰动一般具有全球性； 此外， 一些火山、 地震活动也会引起电离层扰动(Du et al， 2008； 刘立波等， 2011； 尼鲁帕尔·买买吐孙， 张永仙， 2012)． 对2008年3月1日—5月14日(地方时)最大电子密度数据整理后进行主成分分析， 数据整理后得到时间分割点的各主成分能量百分比变化如图 3所示， 图中横坐标表示日期， 纵坐标表示各主成分能量百分比．
图3(Figure 3)
| 图3 各主成分所占能量百分比(P)随时间变化 Fig.3 Temporal variation of percentage (P) of each principal component |
由图 3可看出第一主成分能量百分比 绝大部分占据60%以上， 第二主成分能量百分比绝大部分占据10%—20%， 第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和稳定在80%左右， 认为可能包含着太阳活动和地磁活动的相关信息． 第三主成分能量百分比在10%左右， 可能包含着局部的扰动信息， 包括孕震区产生电磁辐射引起电离层扰动等. 其它主成分能量百分比占据比例非常小， 可能反映随机的微扰动信息， 本文只针对前3个主成分讨论．
各主成分所占能量百分比随时间变化发生波动. 4月15日—29日19：00—24：00(地方时)时间段第一、 第二主成分能量百分比明显降低， 第三主成分能量百分比显著增加. 在其它时间段第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和稳定在80%左右. 考察空间活动水平， 这段时间太阳活动处于低水平， 无强烈磁场扰动， 可以排除空间活动的影响， 说明4月15—29日19：00—24：00(地方时)这段时间震中周围发生了局部的电磁扰动. 震前第三主成分的明显增加可能是地震孕育的一种体现．
2.3 模型分析 目前关于背景场计算和地震异常判断的方法有很多种． Chun等(2009)使用COSMIC掩星数据， 以震前6—20天数据作为背景值， 以震前5天数据作为考察值； Kakinami等(2010)以COSMIC掩星经验模型值作为背景值， 以观测值作为考察值． 本文选择基于球谐函数计算的模型值作为背景值， 以观测值作为考察值， 使用最小二乘数据拟合法计算得到模型值， 然后再计算δ． δ主要分布在0—0.2区间， 少数分布在0.2—0.4区间. 这段范围可能由模型误差引起， 不作为判断电离层扰动的依据．
研究2008年4月27日—5月11日12：00—14：00(地方时)、 高度200—500 km的电子密度数据， 以50 km间隔分割成6层， 显示经度60°—140°E和纬度10°—60°N范围内δ变化如图 4所示．
图4(Figure 4)
| 图4 震中(星号)及4月27日—5月11日12：00—14：00(地方时)高度200—500 km的δ分布图(以50 km为高度间隔) Fig.4 Location of the epicenter (denoted by the star) and the variation of δ in every 50 km altitude interval from 200 km to 500 km altitude during 12：00—14：00 (local time) within 15 days (from April 27 to May 11, 2013) prior to the Wenchuan earthquake |
计算结果表明， 震前F2层300—450 km震中邻近区域电离层扰动显著增强， 扰动增强的中心区域出现在震中东北部， δ大于0.6， 其它区域没有如此显著增强． 进一步研究300—350 km高度电离层电子密度变化， 这一层扰动增强显著. 分析2008年2月12日—5月11日12：00—14：00(地方时)、 高度300—350 km震前3个月的电子密度数据， 以15天为间隔， 显示60°—140°E和10°—60°N范围内δ的变化， 如图 5所示． 计算结果表明， 4月27日—5月11日相对于2月12日—4月26日在102°—112°E和34°—42°N范围内δ变化显著增强， 说明震前15天在震中东北部区域电离层存在扰动显著增强现象． 2008年4月27日—5月11日太阳活动处于低水平， 地磁场平静， 因此出现的异常变化不太可能是空间活动造成的， 震中邻近区域出现的异常可能与地震活动存在一定关系． 震前电离层上空出现的扰动随着高度的变化存在一定差异， 可能受到地震孕育过程电磁信号的传播特性与地震电离层耦合作用的影响．
图5(Figure 5)
| 图5 2008年2月12日—5月11日12：00—14：00(地方时)高度300—350 km的δ分布图(以15天为间隔). 星号表示汶川地震的震中 Fig.5 Variation of δ at every 15 days from 300 km to 350 km altitude during 12：00—14：00 (local time) within three months (from February 12 to May 11) prior to the Wenchuan earthquake. The star denotes the epicenter of the Wenchuan earthquake |
关于汶川地震， 很多学者研究发现震前电离层存在电磁扰动. Zhao等(2008)发现5月9日武汉台、 厦门台F2层峰值电子密度显著增强， 并且5月9日震中上空区域和对应的磁共轭区电离层总电子含量(TEC)明显增强． Liu(2009)基于地基GPS数据研究TEC时空分布， 发现震前6—4天， 地震上空电离层TEC明显减小； 而在震前第3天， 地震上空电离层TEC显著增强． Yu等(2009)发现， 5月9日地震上空东南部区域TEC明显增强， 同时在南半球磁力线共轭区也出现了TEC增强现象． Kakinami等(2010)以COSMIC掩星经验模型值作为背景值， 研究发现汶川震中邻近区域在震前第3天出现最大电子密度显著增强现象． 祝芙英等(2009)和Zhou等(2010)发现， 汶川地震前4月29日和5月6—7日震中上 空垂直方向上的电子含量(VTEC)减小． 王武星等(2009)研究中国大陆地磁场低点位移发现4月24日和5月9日出现地磁场低点位移异常． 本文通过PCA分析方法和空间分布分析， 均发现震前电离层存在异常扰动. 但是在处理分析COSMIC星座GPS掩星获得的电离层电子密度数据中还存在一些问题， 比如， 每天的掩星事件数量不够多， 数据的精度还有待于进一步提高． 同时由于数据精度不足， 也降低了PCA分析方法的可靠性． 地震电离层耦合关系是复杂的物理和化学过程， 本文只针对现象进行了研究分析， 对地震电离层的耦合机制还有待于更深入的研究．
3 结论 地震与电离层的耦合关系虽然有很多物理解释和理论模型， 但还需要进一步验证． 本文获取COSMIC掩星2级数据， 基于球谐函数求解模型 值作为地震上空电子密度变化的参考背景， 同时应用主成分分析法分析了震前电离层最大电子密度数据. 结果显示， 震前15天在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象， 集中在F2层300—450 km； PCA结果显示， 4月15日—29日19：00—24：00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加． 上述结果表明， 震前电离层震中邻近区域确实存在电离层异常扰动现象， 且随高度不同存在一定的差异， 排除空间因素影响， 认为可能是地震孕育时局部产生电磁扰动的一种表现． 本文仅针对现象进行了考察和初步探讨， 鉴于LAI耦合机理的复杂性， 还有待更深入地研究．
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,当Kp指数达到6或以上时，我国境内有可能观察到极光；当前极光活动水平
，极光为9时漠河可能见极光，
级，当地磁暴级别达到G2或以上时，我国境内有可能见极光
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