汶川地震同震电离层扰动研究

利用中国大陆陆态观测网(CMONOC)的下关、 昆明和庐州GPS台站, 对汶川地震引起的同震电离层扰动(CID)进行研究。 通过对GPS原始观测数据进行处理证实汶川地震存在5个明显的同震电离层扰动(CID)现象。 根据GPS TEC时间序列和走时, 得到在电离层高度CID的水平传播速度为1.1 km/s, 属于震中区地表抬升引起的声波在电离层中传播速度; 同时, 也得到次一级CID传播速度接近0.7 km/s, 认为可能是重力波。 在此基础上, 利用射线追踪模型寻找震中位置发现, 当CID水平传播速度为1000 m/s时, 发震时刻对应的标准偏差能达到最小值19.55 s, 相应的CID起源位置是30.8°N, 103.15°E, 距离实际震中西南方向33.6 km。     

利用日本GPS网探测2011年Tohoku海啸引发的电离层扰动

海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s^-1以及170 m·s^-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s^-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性.     

地震电离层响应异常时空演化统计特征

本文利用DEMETER卫星运行约6.5年总离子浓度数据和期间全球发生Mw 4.8以上地震参数,自动检测距震中1500 km范围内、震前15天出现电离层扰动,统计电离层扰动异常随地震临近在时间、空间上的演化特征以及异常变化幅度随震级变化规律.数据处理过程中通过控制K_p指数以去掉部分因太阳活动引起的电离层扰动.统计结果显示,地震探测率及电离层响应异常幅度随震级增大而增高.大地震能引起强电离层扰动,扰动幅度可超过背景值1倍以上.全球范围,电离层存在变化活跃区,小幅度电离层扰动趋向于背景变化.北半球中低纬度地区是有利的地震电离层响应监测区.地震相关电离层扰动异常出现频次随地震临近而增高,主要出现在震前一周.空间上,扰动有随地震临近向震中运移的趋势.     

DEMETER卫星监测到的海地地震前电离层扰动

本文利用法国DEMETER卫星观测到的电离层数据, 对2010年1月12日加勒比海地区海地太子港附近发生的M_S7.1地震震前电离层扰动进行了探索性研究。 通过对电磁场频谱、 等离子体数密度、 温度等物理参量的分析, 探讨了电离层变化与地震的关系。 研究结果表明, 海地地震前出现的异常电磁现象的空间效应是清楚的, 震前几小时磁赤道峰存在剧烈扰动, 震中附近电场分量E₁₂低频谱密度有增强现象。 临震前1天和临震前3天在震中＋5°范围电子数密度(N_e)出现异常, 震前8天氧离子(O⁺)数密度在震中上空出现了异常现象。 震前震中区上空电磁场VLF在40 Hz和120 Hz等低频点出现清晰的电场异常扰动, 震前出现的这种变化可能与地震有关。     

苏联的MACCA研究计划

MACCA计划是研究在地震声出现时大气层和磁层的联系,MACCA是由该项目的俄文字头组成它是一个包括实验和理论分析的综合研究项目,旨在建立三种介质——大气层、电离层和磁层——相互作用的动力过程模式,这个过程发生在低层大气出现强烈能量释放的时候,建立这类模式是发展太阳-地球物理基础研究的需要;是为理解由地震、火山和气象现象以及人类活动引起的电离层和磁层效应的需要。 1964年3月28日在美国的阿拉斯加发生了8.4级地震,地震引起了电离层的扰动,在许多地方都观测到了,最远的距离约5000 km,在离震中不到1000 km的阿达克观     

利用中国GPS站网对地震波引发的大尺度电离层扰动的观测

地震瑞利波在沿地表传输时衰减很慢,其能量在远离震中的区域仍然能够激发大气和电离层扰动.本文利用中国境内的GPS接收机网络观测电离层总电子含量(total electron content,TEC),分析了 2011年日本地震后在中国区域上空产生的电离层扰动.研究发现,瑞利波的能量从地面经大气耦合传输到电离层高度,导致在中国区域上空电离层出现与瑞利波传播同步的TEC扰动.利用中东部的稠密接收机网络,还揭示了扰动的大尺度二维空间结构:瑞利波经过后产生的TEC扰动呈条带状,在中纬度地区沿西北—东南方向排列,而在低纬度大致为东西方向.条带的转向可能与地磁场作用下的中性-离子耦合过程有关,大气波动导致的等离子扰动倾向于沿磁力线方向(向南)传播,从而形成垂直磁力线方向(东西)的波前结构.这是首次在远离震中的区域使用GPS站网研究地震波耦合电离层扰动的大尺度二维空间结构.     

2018年8月5日印度尼西亚地震震前电离层异常特征

基于2018年8月5日印度尼西亚地震震中（116.45°E,8.33°S）附近的澳大利亚达尔文站和位于震中磁力线共轭区域的武汉站的电离层测高仪观测数据,以及相同区域全球卫星导航系统接收机的观测数据,对该地震震前的电离层异常扰动特征进行了分析。结果显示,震前同时观测到了电离层F₂层临界频率（f_oF2）和总电子含量（TEC）时间序列的异常。基于岩石圈-大气层-电离层直流电场耦合模式和美国国家大气研究中心的热层-电离层环流耦合模式（NCAR/HAO TIEGCM）对震前震中及其对应磁力线共轭点区域的电子密度异常进行了模拟,模拟结果表明,在地震异常电场的作用下,地震区域及其对应半球的磁共轭区域的TEC和电离层F₂层峰值电子密度N_mF2发生了明显扰动。      

基于载波相位平滑伪距与精密单点定位获取的TEC在GNSS电离层层析中的对比分析

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)建立电离层层析(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)模型反演电离层的结构,并探测和研究电离层的活动及其变化规律是目前的研究热点,其中相位平滑伪距(Carrier Phase Smoothing Pseudorange, CPSP)和精密单点定位技术(Precise Point Positioning, PPP)是两种主要的电离层电子含量(Total Electron Content, TEC)获取方式,但这两种方法对电离层层析的性能影响,目前尚未有研究进行比较分析.有鉴于此,本文利用欧洲区域2017年9月7、8两日的GNSS数据,分别基于CPSP和PPP获取TEC进行电离层层析反演并分析比较其精度,这两种反演方法分别称为CPSP-CIT和PPP-CIT.其结果显示,CPSP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.9292×10¹¹ el/m³、PPP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.6915×10^1...     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

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M_S8.0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.      

等离子体参量的空间探测分布及汶川地震前后的扰动分析

近年来国内外对震前电离层异常扰动进行了大量研究,新的观测证据显示,地震活动前的电离层扰动确实存在,而且在震级大于5级的地震发生前几天到几个小时内的孕震区上空会发生显著电离层扰动。大量工作多是基于地基的空间探测,如,通过雷达测高仪探测的电离层F2层的临界频率扰动和偶发ES层变化,以及通过GPS地面接收器探测的电子浓度总含量扰动等。     

2016年缅甸M7.2地震前中国区域电离层TEC扰动的时空分布

基于GPS TEC数据, 以2016年4月13日发生在缅甸的M7.2地震为例, 通过限定上、 下阈值的扰动提取方法分析了地震电离层效应在中国区域的时空分布。 结果显示, 该地震前2~4天, 中国区域的TEC扰动为地震电离层前兆; 其中4月11日(震前2天)电离层扰动受地震的影响最大, 扰动范围可达2816 km; 同时还发现4月11日异常最明显的区域在震中偏北方向(中国南部), 单独提取该区域经度链上的JPL TEC数据, 发现异常区域内北驼峰北移的现象, 并用静电场理论对异常区域向北偏移的物理机制做了分析解释。     

基于Swarm卫星数据的一次地震电离层现象辨识

为进一步探索基于多颗卫星观测数据的地震电离层现象识别,利用Swarm星座三颗卫星观测的电子密度数据和磁场数据,对已报道的2017年11月12日伊朗M_W7.3地震震前第9天震中附近的一次地震电离层扰动现象进行辨识。通过分析三颗卫星相邻轨道的电离层扰动特征,获得了异常扰动存在的空间范围;利用Swarm星座三颗卫星轨道的时间和空间差异,计算出异常扰动在空间中可能的传播特征;使用同步观测的磁场数据判断其电磁辐射特性。最终根据现有对地震电离层耦合的认知,并结合分析的结果,认为该扰动为非震源发出的声重波扰动,非沿纬向传播的电离层行波扰动,非同步电磁辐射引发扰动,而是与伊朗M_W7.3地震孕育活动无关的一次高纬度强烈电离层活动所引起的扰动变化。      

利用地基GPS观测数据研究与地震有关的电离层异常

利用中国大陆GPS连续站观测数据, 根据电离层单层模型, 计算得到中国大陆上空电离层电子总含量TEC(Total Electron Content)值的时间序列。 选取2001—2008年发生在中国大陆地区的11个M_S≥6.0地震, 分析了这11个地震前后TEC值时间序列的变化特征。 分析结果显示, 地震活动期间距离震中700 km以外的GPS连续观测站上空TEC值的异常现象不明显, TEC值变化基本在0.5 TECU之内。 11个震例中有6个震例TEC值出现了负异常现象, 主要表现在震前1～5 d, 并且观测站距离震中越近, TEC值变化越明显, 少数震例在地震发生期间TEC值明显增加。 研究认为, 利用GPS连续观测数据研究与地震有关的电离层前兆是可能的。     

2019年长宁M_S 6.0地震前后电离层垂直电子总含量（VTEC）异常扰动分析

2019长宁发生M_S 6.0地震,利用CODE全球电离层格网数据、中国地壳运动观测网络GPS数据、震中区域GPS数据,分别计算全球、中国区域垂直电子总含量(VTEC)异常分布及震中区域站点VTEC时间序列,揭示此次地震发生前后不同空间尺度电离层异常扰动变化。结果表明:地震发生前3天(6月14日),长宁震区上空出现连续电离层异常扰动现象,异常空间分布呈现向磁赤道偏移趋势。VTEC结果的时、空尺度变化反映,本次电离层扰动可能与长宁地震孕震过程有关,可为川滇区域临震电离层异常扰动监测及地震分析预报提供震例依据。     

基于张衡一号卫星监测的2021年青海玛多7.4级地震前电离层效应

本次研究围绕张衡一号(ZH-1)卫星监测到的2021年青海玛多M_S7.4地震前的电离层效应,采用上下四分位距法和小波变换法处理ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)探测到的电子密度N_e和等离子体分析仪(PAP)探测到的离子密度N_i(He⁺和O⁺)数据,经分析发现N_e、 He⁺密度和O⁺密度在震前7天(2021年5月14日)和5天(2021年5月16日)出现同步异常。在此基础上,基于地球物理异常多项证据,分析认为2021年玛多M_S7.4地震孕育过程包括应力扩张早期、应力扩张晚期和临震加速期,该地震可能通过岩石圈—大气圈—电离层耦合模型的声重波、电磁波通道影响了电离层。     

磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在美洲扇区的GPS网观测

利用国际IGS网和美国CORS网提供的GPS TEC观测资料,构建了北美地区的二维TEC扰动图像,分析研究了2012年7月14日一次强磁暴期间大尺度电离层行进式扰动在北美地区的二维结构以及扰动沿着70°W左右的子午线在南北半球的分布与传播特性.研究结果表明,磁暴急始开始90分钟后,伴随着一次亚暴的膨胀相,在北半球发生了一次大尺度电离层行进式扰动事件.该扰动在北美地区形成幅度1.2~2.2 TECU,宽度达4000 km的等相面,以190°的传播方位角,西南向传播了2000 km,扰动的周期和水平相速度分别为40~60 min,500 m/s.通过台链观测发现,该扰动向西南方向一直传播到约30°N,在传播过程中,扰动的绝对振幅在55°N至42°N之间逐渐增强并达到最大值2.2 TECU,在42°N以南逐渐衰减.通过对相关时间段内北美亚极光带地磁观测数据的分析发现,在65°N至85°N、100°W至150°W之间,地磁场水平分量在LSTID发生前出现明显变化,显示极光电集流增强,这一区域是北美地区观测到的LSTID事件最可能的源区.北半球的电离层扰动消失之后约1小时,通过南半球GPS台链观测到南向电离层扰动,该扰动的绝对振幅为1.8 TECU,相速度为400 m/s左右,传播范围局限在16°S至20°S.在南北半球的低纬赤道区,台链观测没有发现与北美LSTID关联的电离层扰动.根据台链上扰动传播的中断,我们认为,南半球台链观测到的电离层扰动并不是北半球LSTID直接跨赤道传播到南半球的结果,而是北半球电离层扰动在赤道地区的耗散过程中形成的二次扰动引起的.     

大尺度电离层行扰的GPS观测

利用日本境内的高空间分辨率的双频GPS台站资料,观测研究了发生于2000年7月中旬太阳强活动期间的一次大尺度电离层行扰. 结果表明:在7月15日11:00UT-1:00UT期间观测区域的电离层中出现了大尺度电离层行扰. 在15:00UT之前,扰动周期为2h左右,在15:00UT以后,扰动周期为1h左右;总电子含量扰动幅度的变化范围约为1-2TECU;通过对15:00-17:00UT之间总电子含量扰动曲线同相位点的分析,发现这期间的电离层行扰的扰动速度约为600-700m/s,扰动波长在2200km左右,扰动传播的方向几乎沿着经线从高纬向低纬传播. 该行扰与此次强太阳活动有直接的关系,因其发生在7月15日的磁暴急始之前数小时,因此与磁暴本身没有因果关系,应与磁暴之前先期到达地球空间的高能质子流有关.     

震前电离层TEC异常探测新方法

本文提出一种利用时间序列法(ARIMA模型)进行震前电离层异常探测的新方法.首先,对比分析了该方法与传统探测方法(四分位距法、滑动时窗法)预测TEC背景值的精度.结果表明,时间序列法预测背景值的精度要明显高于传统方法,且预报背景值的平均偏差要比传统方法小2倍左右,说明传统探测方法预测的背景值具有较大系统偏差.为更准确地探测震前电离层扰动,除了得到准确的参考背景值,还需得到更加合理的探测限值,由此本文提出一种更为合理的限差确定策略.最后,以2012年1月10日苏门答腊岛7.2级地震为例,利用该方法分析了其震前电离层的异常扰动情况,并验证了该方法的有效性,实验结果表明:在震前第13天、第8~9天、第1~2天和地震当天电离层均会发生较为明显的异常.而且,其正异常(观测值高于正常值)一般发生在震中以北,距发震时间相对较远;负异常(观测值低于正常值)则在震中各方向均会出现,且距发震时间较近.同时,通过对异常结果分时段统计,发现在发震时刻前,距发震时刻越近的时段发生异常的频率越高,此规律将会对未来更为准确的预报发震时段提供重要参考.     

中国6.0级以上地震临震电离层扰动时空分布特征研究

基于GPS TEC数据,对1998年11月1日-2010年12月31日中国大陆M_S≥6.0地震临震电离层扰动进行了研究.分析发现,震中上空及周围的东、南、西、北4个方向震前15天到地震当天时序变化趋势较相似,5个方向都观测到了震前3-5天负异常稍高于正异常的现象.按震中±10°、±20°、±30°不同空间尺度分析震前0-15天TEC变化,研究表明临震电离层异常最明显的区域并不位于震中的正上空,而是向磁赤道方向偏移,空间影响尺度大约为±15°左右;正异常在震前14天、10天震中西南方向出现不同程度的高值区,负异常在震前5天震中东南方向较明显.最后,应用静电场假设对这些现象进行了解释.     

利用GPS网观测反射海啸波引发的电离层扰动

震中产生的海啸波传播到海岸或者遇到水下障碍时会发生反射,从而形成反射海啸波.本文利用稠密的日本GEONET网,首次在电离层扰动图中观测到2011年3月11日Tohoku地震引发的反射海啸波信号.观测到的电离层扰动与海平面的反射海啸波具有相似的波形、水平速度、方向、周期以及到达时间等传播特征,表明观测的电离层扰动为反射海啸波所引起,本文的观测结果表明反射海啸产生的大气内重力波也能向上传播到电离层与等离子体作用.