華南電離層ec擾動特征分析

1基于gps的tec測量電離層擾動主要是指電離層中離子濃度的變化。由于它直接影響地面和衛星的通信，已成為研究的重點。除了太陽活動、地磁運動和子時線沿線移動的中性風外，電離層的擾動還與中強地震有關。例如，1985年3月27日美國發生的嘉陵地震和1995年1月15日日本發生的千岡地震。2008年5月12日，中國四川四川汶川發生了大地震。根據這些地震案例研究，在中和強震易發階段，巖石圈和電離層之間存在可能的耦合關系。此外，日本的日常飲食也可能導致電離層擾動。反映電離層擾動的主要參量有,電離層F2層最大等離子體的頻率(f0F2),偶發E層頻率(f0Es)以及電離層電子濃度總含量(TotalElectronContent,TEC).由于GPS衛星探測電離層技術的應用和發展,基于GPS的TEC測量已成為研究電離層的一個重要方法.特別是在全球低緯赤道區域,白天電離層TEC按緯度分布于地磁赤道,呈現赤道異常(或稱Appleton異常),這種赤道異常特征經Zakharenkova等研究,發現在地震前幾天會顯著變化,其峰值在地震前會向地磁赤道漂移.華南地區地處低緯赤道區域.位于該區域內的臺灣海峽地震最為活躍,由地震引起的電離層擾動也較明顯.處于華南地區的廣州其地理緯度和經度分別為22.5°—24°N,113°—114.5°E,并建有位于廣州五山、番禺、花都、從化、增城、南沙、蘿崗的8個地面GPS基準站與中心處理站構成的GPS-TEC監測網,如圖1(a)所示.該監測網的空間監測范圍可達到10°—35°N,100°—125°E,如圖1(b)所示.因此,利用廣州GPS-TEC監測網,可以對華南地區的電離層進行研究,探討電離層擾動的各種可能的機理.需要指出的是,電離層赤道異常的北駝峰(地理緯度25°N左右)位于該監測范圍內,該北駝峰對于來自各種擾動源的電場反應強烈.因此,可以通過探測北駝峰附近電離層TEC的變化研究電離層擾動和異常源的關系.表1給出了2009年6月1日至7月30日之間,華南地區及其鄰區發生的5個5級以上地震,除此之外,還發生過一次日全食事件.為此,本文利用2009年6至7月廣州GPS-TEC監測網提供的TEC數據,初步探討了華南地區電離層TEC擾動與發生的地震以及日全食之間可能的耦合關系.2網格劃分和數據統計廣州GPS-TEC監測網提供了2009年5月20日至7月27日(6月30日及7月28至30日之間由于儀器故障等原因數據缺失)的TEC原始數據,其數據采樣率為15s.分析所用數據為VTEC,即垂直TEC,這里定義V為VTEC,T為TEC,α為星下點處衛星的高度角,則有V=Tcosα.對轉換后的VTEC數據繼續采樣,采樣率為30s,并去除衛星傾角小于30度的測量數據,減小由電離層水平梯度引起的測量誤差.然后對所采得的VTEC數據進行時序分析和空間異常分布分析.在進行時序分析時,時間分辨率為15s,即每天選取24×4=96個不同時刻,使用滑動窗口進行數據處理.同理,進行空間異常分布分析時,將圖1(b)所示的廣州GPS監測網的監測范圍按1°×1°的分辨率進行網格劃分,并在每個網格點上使用滑動窗口.本文所用的滑動窗口其處理數據來自前15天當中8個站所有監測到的數據.所謂滑動窗口,是動態利用前15天當中8個站所有監測到的數據計算每天96個時刻,以及計算空間分布中各節點上的平均值μ、標準差σ及上、下邊界值.上邊界值定義為μ+1.34σ,下邊界定義為μ-1.34σ.以此為基礎去分析每天各時刻或空間分布各節點上的異常值ΔX.如果滿足μ-1.34σ<X<μ+1.34σ,則ΔX=0:如果滿足X>μ+1.34σ,則ΔX=X-(μ+1.34σ):如果滿足X<μ-1,34σ,則ΔX=X-(μ-1.34σ).計算得到的正、負異常用來反映電離層TEC的擾動.這種分析和統計方法參見文獻.由于強太陽活動和強地磁活動能引起比地震更強的TEC擾動,因此,有必要考慮相應時間段內的F10.7和Kp地磁指數分布.圖2是2009年6至7月太陽射電流F10.7和地磁Kp指數日分布圖(數據來源于NOAA).從圖2(a)可以看出,2009年6至7月F10.7分布均處于70sfu(太陽通量單位),顯然這段時期內太陽活動是平靜的.圖2(b)顯示,2009年6月24日、25日和29日三天地磁指數達到4以上,其他時間段地磁Kp指數在1～2之間.而圖2(c)指出,2009年7月22日地磁Kp指數達到5以上,其他時間地磁Kp指數在3以下.這說明除2009年7月22日外,6-7月太陽活動和地磁活動是平靜的,對電離層TEC擾動影響不大.3tec數據分析3.1波前tec的擾動圖3給出了華南地區電離層2009年6月15日至7月26日VTEC和ΔVTEC日變時序狀況.圖3(a)(c)中實線、點線和虛線分別表示的是該時間段內TEC日觀測值、上邊界及下邊界值.圖3(b)(d)給出了相應時間段內的ΔVTEC日變幅度時序狀況.從圖3(a)和(c)可以看出,2009年6月17日至22日TEC的日變幅度(定義為當日TEC最大值減去最小值)趨于穩定,6月23至27日呈微弱上升趨勢,6月28至30日期間,即6月28日臺灣以東海域5.1級地震和6月30日四川綿竹市5.6級地震發生期間,TEC的日變幅度下降.但7月9日、7月14日及7月26日三個地震孕育期間(見表1),其TEC的日變幅度變化趨勢基本相同,即震前TEC的日變幅度增加,震前1天或發震當天TEC的日變幅度減小.從圖3(b)(d)可以看出,對于6月28日和30日的兩次地震,ΔVTEC在震前5天和發震的當天,其異常值為負,震后異常值為正.7月9日的云南楚雄地震,震前為正異常,發震當天ΔVTEC為負異常.7月14日臺灣花蓮海域地震發震前5天出現負異常,到震前2天正異常和負異常同時出現,而發震當天出現正異常.7月26日臺灣南投縣5.3級地震、震前4天出現正異常,到震前1天及發震當天ΔVTEC變為負異常.顯然,2009年7月各個地震孕育期間TEC的擾動變化規律不大相同.3.2震前不同季節點道環食引起tec空間異常圖4顯示的是2009年6月28日臺灣以東海域5.1級地震、6月30日四川省綿竹市5.6級地震期間電離層TEC異常日變空間分布.圖4(c)中五角星表示臺灣以東海域5.1級地震震中位置.圖4(a)和(b)顯示了電離層TEC在6月28日地震前兩天出現負異常到正異常的變化.地震發生當天空間正異常消失,負異常出現并延續到29日,如圖4(c)(d)所示.6月30日在四川省綿竹市又發生了一次5.6級地震,但6月30日沒有數據.其震后兩天即7月1日和2日出現正異常到負異常的變化,如圖4(e)(f)所示.圖5給出的是2009年7月的三次地震孕育期間(震前兩天和震后4天)TEC空間異常日分布圖.圖5(b)(e)(i)中的五角星分別表示相應的三個地震事件的震中位置.圖5(a)(b)(c)表明,7月9日云南楚雄M6.0級地震震前兩天空間分布為正異常,發震當天和震后1天空間分布以負異常為主.圖5(d)(e)(f)表明,7月14日臺灣花蓮海域M6.7級地震期間,震前兩天(見圖5d)、發震當天和震后2天內(7月16日)空間分布為正異常(見圖5e),7月17日開始出現負異常并延續到7月19日(見圖5f).7月26日發生的臺灣南投縣M5.3級地震期間(見圖5i),震前2天出現正異常,發震當天出現負異常.顯然,2009年7月的三次地震,在其各自孕育期間TEC空間異常分布不盡相同,且不同于6月28日地震期間的TEC空間異常分布(見圖4).值得指出的是,7月22日發生了一次日全食,且日全食帶在早晨08:00LT自西向東經過中國西藏、云南、四川、重慶、湖北、湖南、河南、安徽、江蘇、江西、浙江、上海等地區.從圖5(f)可以看出,華南地區電離層TEC在日食前的7月19至21日出現的是負異常,但7月22日日食當天出現的是正異常(見圖5g),且一直延續到24日(見圖5h).TEC變化代表電離層電子濃度發生變化.需要注意的是,這種變化特征與文獻得到的結論是不相符合的.文獻分析1987年9月23日日環食引起的電離層電子濃度變化結論為,日食當天,日食前期(初虧至食甚),電離層電子濃度下降,到食甚后下降達到極值,然后電子濃度回升,直到日環食消失后逐步恢復到正常.4關于tec擾動的討論利用廣州GPS觀測網在2009年6至7月監測到的TEC數據,分析了表1所列的地震事件和日全食事件對華南地區電離層TEC的擾動影響.根據Dobrovolsky等提出的地震孕育區域半徑公式R=100.43M(R為以地震震中為中心的地震孕育區域半徑,M為震級)以及表1提供的各地震震中位置,計算可知,表1提供的各地震孕育區域均包括了圖1(b)所示的監測范圍.再根椐圖2提供的太陽、地磁活動處的平靜環境條件,可以推斷,表1所提供的各地震事件在其孕震期間對華南地區電離層TEC擾動是有影響的.因此,本文的分析是可行的.但多數資料分析表明,單個中強以上地震事件對電離層TEC擾動的影響是,地震發生前一周內、發震當天及震后一周內電離層TEC出現負異常.本文分析的是2009年6至7月多個地震相鄰事件.其中6月28日的地震孕育期間,TEC在時序分布上顯示出震前一周內日變幅度下降,ΔVTEC出現負異常,它和TEC對單個地震事件的響應特征相似.但在空間分布上,存在正異常到負異常的波動.對于2009年7月出現的三次時間上相鄰的地震,其TEC擾動的時序和空間分布特征并不具有確定的響應特征,并且相互之間存在差異.主要表現為,震前出現的是正異常,發震當天或震后有可能為正異常,也有可能為負異常.很難從響應特征上確定異常是由哪一次地震激發而引起的.推測各地震相互之間存在耦合關系.TEC對7月22日發生的日全食事件的響應特征,即日食期間TEC擾動為正異常,上文已指出這與文獻的結論不相符合,同時也與文獻分析的結論不相符合.文獻和文獻研究認為,日食期間,日食區電離層獲得的太陽通量減少,使得離子產生率迅速下降,日食區上空電子濃度要比非日食區大幅度減少.本文分析認為,廣州地區觀測到的正異常現象不能單純考慮太陽通量減少這一因素,還應考慮到廣州處于赤道異常的北駝峰區,不處于日全食中心食帶內.磁赤道上空由于日全食會引起等離子體溫度下降,并導致等離子體從高處下降及沿地磁場雙極擴散引發噴泉效應,也就是說,空間等離子體沿地磁力線向兩側加劇遷移.因此,磁赤道異常北駝峰區電子濃度將上升.另外,7月22日當天地磁Kp指數達到6以上(見圖2c),地磁活動對TEC擾動的影響也不能忽略.加之7月22日日食后一周內在觀測區域內發生了臺灣南投縣5.3級地震,日全食當日的TEC擾動也要受該地震孕育的影響.因此本文認為,正異常有可能是地磁活動、地震活動