论文推荐︱姚宜斌：2015年尼泊尔地震的震前电离层异常探测

      本文提出了一种基于奇异谱分析的电离层异常探测的方法。通过对尼泊尔地震震中周围GIM格网点TEC时间序列的探测，发现在2015年4月23日震中东部区域出现电离层正异常。进一步利用二维电离层地图分析异常空间分布，发现出现电离层正异常的区域为25°N-37.5°N，90°E-110°E，时间为2015年4月23日UT9:00-15:00。利用中国陆态网数据计算异常区域卫星穿刺点轨迹STEC变化情况，发现2015年4月23日穿刺点轨迹进入异常区域后STEC值比前后几天明显增大，而离开异常区域后又恢复正常。采用CIT(computerized ionosphere tomography)方法详细地呈现了电离层异常的三维形态，发现4月23日UT9:00-15:00在震中东部区域出现电离层正异常，峰值位于约30°N，115°E，高度范围为100~500 km，且异常峰值随高度变化与电离层本身垂直密度分布规律相一致。

2015年4月25日，尼泊尔发生了M_S8.1级大地震，震中位于28.147°N，84.708°E，震源深度为15 km。地震是对人类造成伤害最大的自然灾害之一，但由于地震产生原因的复杂性，地震预报一直处于探索阶段^[]。许多学者致力于研究震前地质构造变化以及与地震有关的其他震前异常现象，其中震前电离层异常是研究热点之一。

1964年美国阿拉斯加大地震时，文献^[]发现在震中区上空出现了电离层异常扰动，第一次将电离层异常与地震联系到一起。文献^[]发现在1966年Tashkent地震时电离层TEC有增加的现象。文献^[]发现在1969年Kurile岛地震期间电离层出现扰动异常。文献^[—]发现1979—1981年间发生的大地震之前电离层参数有扰动现象，随后统计了50个M>5.0的地震期间电离层变化情况，结果表明电离层F₂临界频率(f₀F₂)会明显降低，并且电离层异常区域与震区地理位置相对应，但并不重合。文献^[]发现1999年Chi Chi大地震引起的同震电离层扰动现象，并利用波束形成和光线追踪技术确定了CID(coseismic ionospheric disturbances)传播速度以及发源地位置。文献^[]利用电离层台站数据和地磁台网数据对比分析了1997年玛尼7.5级地震和2001年昆仑山口西8.1级地震前电磁异常和电离层异常情况。分析结果表明，两次地震前电磁异常和电离层异常空间分布均具有较好的一致性，震中周围出现明显的电离层f₀F₂异常。

传统电离层观测手段主要有电离层探测仪、非相干散射雷达等。但是这些技术成本高且只能获得站点上空电离层信息，不能对电离层进行长时间、大范围监测。GNSS技术作为一种全天候、全自动的高精度观测手段，能够准确获得信号传播路径上的TEC值，并且在全球范围内共有数千个GNSS站连续观测，相比于其他观测技术，其时空分辨率大大提高。文献^[]最早利用GPS技术对1994年Northridge地震期间电离层进行探测，发现震后几分钟出现了电离层TEC扰动。文献^[]利用地基GPS以及COSMIC数据对汶川地震期间TEC以及电离层F₂层峰值电子浓度(N_mF₂)进行功率谱分析，发现TEC和NmF₂时空分布变化存在电离层震前扰动和同震响应，并且TEC震后的异常变化相比震前更加显著。文献^[]分别利用Demeter卫星和GPS对四个大地震电离层异常扰动进行对比分析，两种观测技术获得的电离层正负异常变化能够很好地吻合。

基于GNSS技术有多种电离层异常分析方法。文献^[]等利用四分位距法和滑动时窗法分析了汶川地震电离层扰动。文献^[]利用GIM分析了2011年日本Tohoku Oki地震电离层异常，发现地震前第3d震中偏向赤道方向电离层有明显正异常，在赤道共轭区域也存在正异常。文献^[]利用计算GPS卫星信号电离层穿刺点轨迹STEC的方法，分析了2007年Bengkulu地震期间电离层变化情况，文献^[]分析了2011年日本Tohoku-Oki地震电离层变化情况，均发现了震前TEC正异常。文献^[]利用GIM数据对2002—2010年全球范围内的736次M≥6.0地震前电离层电子含量做了统计分析。结果表明，震前1~21d内电离层异常出现频率与地震震级大小以及震源深度有关。近年来，随着全球GNSS观测站的增多，电离层层析技术(CIT)逐渐得到发展和完善，成为一种能够重建三维甚至四维电离层形态的新方法^{[, , , , ]}。文献^[]利用电离层层析技术分析了中纬度地区夏季夜间电离层异常现象。文献^[]利用GPS和GLONASS观测数据建立了电离层模型，分析了俄罗斯地区电离层情况。文献^[]基于日本高密度的GNSS监测网络GEONET建立了电离层三维模型。

本文提出利用奇异谱分析进行电离层异常探测的新方法。对尼泊尔地震震中周围格网点TEC时间序列进行异常探测，并结合太阳活动和地磁活动情况，初步认定2015年4月23日在震中东部区域出现电离层正异常。进而利用二维电离层地图以及电离层3DCIT技术对此次异常的时空变化进行研究。

卫星穿刺点轨迹示意图

电离层空间离散化格网示意图

电离层异常区域示意图

电离层地图异常分布

本文提出利用奇异谱方法对震前TEC时间序列进行异常探测。利用GIM提供的全球电离层地图数据，对震中附近格网点探测结果表明，2015年4月23日在震中正东方向出现大范围电离层正异常。同时利用电离层地图对电离层异常区域进行探测，确定了异常出现的时间为2015年4月23日UT9:00—15:00，主要分布在25°N—37.5°N，90°E—110°E，异常区域整体呈椭圆形。为了进一步验证该结论的正确性，本文利用中国大陆构造环境监测网络西藏地区测站观测数据计算4月21日至4月27日异常区域穿刺点轨迹STEC随时间变化情况，同样在上述区域UT9:00—15:00出现了电离层正异常。

为了更加精细、立体地研究电离层的时空分布，本文利用CIT技术对15°N—40°N，75°E—115°E，100~500 km范围内电离层进行反演，以2015年3月26日至4月9日反演结果作为背景场，对4月23日反演结果进行异常探测，探测结果与上文中奇异谱分析以及卫星穿刺点轨迹STEC方法的探测结果基本吻合。三维层析结果进一步反映出电离层异常随高度的变化情况：电离层异常出现在4月23日UT9:00—15:00，峰值位置约为30°N，105°E，主要分布在200~400 km高度范围内；100~300 km随着高度增加，异常峰值逐渐增大，异常范围扩大；300~500 km，随着高度增加，异常峰值逐渐减小，异常范围缩小，异常随高度变化规律与电离层电子密度垂直分布规律相一致。CIT反演结果从三维角度提供了电离层异常的空间分布情况，为分析此次电离层异常与地震之间的关系提供了进一步的参考。

基金项目：国家自然科学基金(41274022;41574028);湖北省杰出青年科学基金(2015CFA036).

第一作者简介：姚宜斌(1976-),男,教授,研究方向为测量数据处理理论与方法、GNSS空间环境学。E-mail： [e-mail]

通信作者：翟长治,E-mail:[e-mail]

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