GPS数据的地震前电离层TEC异常研究分析

GPS数据的地震前电离层TEC异常研究分析

刘善虎

刘善虎厦门地震勘测研究中心邮编：361021

摘要：地震预测目前是世界上一个亟待解决的科学难题。我国是世界上地震多发国家之一，加强地震监测能力的研究对提高我国防震能力，维护人民生命财产安全具有重要的意义。由于地震发生前电磁场效应现象比较明显，本文基于GPS观测数据，对地震电离层(TEC)的异常变化情况进行研究分析。

关键字：GPS；TEC；异常；地震

一、前言

地震预测目前是世界上一个亟待解决的科学难题。由于地震形成于地下较深处的复杂地质环境下，人们对地震的形成机理缺乏足够的认识，因此，地震预测水平的提高面临着巨大的挑战。我国是世界上地震多发国家之一，形势的严峻性使得我国需要加强地震监测能力的研究，使用新的观测技术以弥补目前地震观测过程中的不足。这对提高我国防震能力，维护人民生命财产安全具有重要的意义。

近几年来，科学家们发现地震发生前电磁场效应现象比较明显，说明地震过程并不只是地球岩石圈的单一运动，也能够透过电磁场效应反映到大气层、电离层上。根据这一机理，本文基于GPS观测数据，对地震电离层(TEC)的异常变化情况进行研究分析。

二、GPS监测技术简介

（一）GPS

全球定位系统(GPS)是一种应用非常普遍的全球定位测量系统，该系统主要包括三部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备。GPS是基于GPS信号进行定位测量的，GPS卫星信号主要包括三种分量，即载波、测距码以及数据码，这些信号都是基于一个基本频率的控制产生的。目前在GPS定位观测技术中，被广泛采用的观测量主要包括码相位观测量与载波相位观测量两种。

（二）应用GPS反演TEC

电离层作为一种弥散介质能够对电磁波的传播产生影响，如果所有自由电子的含量都在同一个单层面上进行表示，就可以应用电离层对电磁波的折射效应和GPS测量数据对信号传播路径上的电子含量(TEC)进行反演，这样就能够对电离层的电子浓度变化进行监测。GPS反演TEC主要包括数据读取和TEC解算两部分，具体的实现流程如下图所示：

图1GPS数据计算TEC实现流程

三、TEC异常研究分析

（一）TEC异常检测方法

常用的TEC异常检测方法包括如下两种：

1、包络线法

包络线主要是指TEC时间序列曲线上异常判断的上峰值点与下峰值点之间连接的两条曲线，它代表的数值是TEC时间序列的异常检验阈值，通常取标准偏差的k倍(k为自然数)。

具体实施过程中，首先要对滑动窗口的长度进行指定，通常选择21天。然后通过滑动窗口就能够对当天和10天的值进行计算，并进行滑动平均。具体公式如下所示：

其中，t为时间，i表示超过滑动窗口限度的天数，k表示标准偏差倍数。

2、互相关分析法

互相关分析法是基于孕震区产生的。在大地震发生之前，以地震为圆心的大面积区域内中等地震的发生率会显著增加，孕震区的半径和震级之间存在经验关系式：。而在孕震区周围范围内，太阳和地磁的活动与TEC的变化具有一定的相关性，而地震会对这种相关性产生影响，造成不同站点的相关系数变化。每天两个测站间的TEC相关变化系数公式为：

式中，1和2为不同测站的编号，f表示TEC值，k表示每天TEC采样数，af表示每天TEC的均值，而表示对应的标准偏差。

（二）TEC异常分析实例

本文对2004年12月26日印度尼西亚苏门答腊岛地震中的7个IGS观测站数据进行分析。根据美国地质调查局的数据，2004年12月26日0时58分53秒在印尼苏门答腊岛附近海域发生9.1级强地震。该地震同时引发海啸，波及印度洋沿岸的十几个国家，并造成近30万人死亡，经济损失无法估计。

我们选择了分布在印度洋沿岸并与震中距离较近的7个IGS站的地震发生前20天的观测数据进行分析。

1、数据选取

对于其中任何一个GPS监测站来说，使用双频GPS得到GPS卫星和测站之间的信号传播路径上的TEC，通过对路径上的TEC和相应电离层轨迹进行分析，就能够得到清晰的TEC变化情况。

在实际的数据选取过程中，我们应用滤波技术，这样能够有效的去除在TEC扰动过程中包含的其他干扰因素的影响。具体的选取方式为：首先对研究区的范围和研究区上空的GPS信号进行确定，然后选取不同时段，并对不同GPS卫星相对应的电离层穿刺点位置和TEC进行计算，最后应用Neyman-Pearson信号探测方法，对震前电离层的TEC异常可能性进行初步的定量分析。

2、VTEC计算

应用GPS对电离层进行反演时，通常使用单层球壳模型，也就是把电离层看成一个高度为h的无限薄球壳，TEC就是球壳上的电子量，本文将高度设为400km。

TEC的计算公式如下所示：

其中，、为GPS信号的两个不同频率，、为两频率信号上的载波相位观测值。因此，VTEC计算公式为：

其中，Z为卫星信号的传播路径和球壳交点处的天顶距。

应用VTEC区域性电离层投影模型，可以对上空VTEC的分布进行计算，计算公式如下：

其中，和分别为测区中央的地理纬度和中央时刻的对应太阳时角；为泰勒展开系数。

为了对电离层的异常现象进行识别，在具体的分析过程中，需要应用统计分析方法。根据分析结果，我们选取6日到20日的电离层平静期VTEC平均值，同时假定VTEC服从数学期望U、方差为R的正态分布，这样我们就可以设定VTEC区间的区间范围为(U-2R，U+2R)，如果计算结果超出此区间，则认为在95%的置信水平下，该点发生TEC异常的情况。

3、计算结果分析

（1）地震当日TEC的变化情况

根据计算结果可以发现，随着地球的自转，本区域的电离层TEC出现从小到大再变小的周期变化现象，该规律和该地区的昼夜交替情况一致，与受到太阳活动影响的电离层TEC变化规律一致。

（2）地震发生前的TEC异常情况

电离层的活动主要受到太阳和地磁活动影响，如果太阳和地磁的活动相对平静，那么一段时间内TEC不会发生太大的变化。2004年的太阳活动比较平静，也未出现明显耀斑的情况，12月份的太阳活动水平较低。我们计算了12月6日到29日期间时间间隔1小时下的TEC，选取离震中最近的一点，并同时求得这一点在6日到20日这一电离层平静期内的TEC平均值U和方差R。通过分析可以发现，地震发生前23日、24日和25日电离层TEC出现明显的减少，大部分时间段内都超过了下边界，这说明出现了非常明显的电离层异常情况，计算中23和25日非常突出。在26日的地震发生以后的短时间内TEC值还处于异常的状态下，直到27日TEC值才逐渐的增加到正常值，同时电离层也恢复到平静。

四、结论

应用GPS数据对地震前电离层TEC进行解算，不仅具有高精度和高时空分辨率的特点，而且配合电离层监测数据进行分析，就能够对局部地区电离层TEC的精细变化进行分析，将该技术应用到我国监测技术中来，能够弥补目前地震观测过程中的不足，对提高我国防震能力，维护人民生命财产安全具有重要的意义。

参考文献

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