2019年四川长宁MS6.0地震前电离层TEC异常分析

2019年6月17日四川宜宾市长宁县发生MS6.0地震.为了检测地震电离层电子浓度总含量(TEC)异常变化,采用自回归滑动平均模型(ARIMA)和先知(Prophet)两种方法来描述TEC时间序列,检测长宁地震前后TEC异常变化.地磁指数Kp,Dst,Ap和F10.7用于区分与太阳—地磁活动等空间因素相关的其他异常.结果显示,使用ARIMA方法,除了在地震发生前13天5:45 UTC检测到TEC数据时间序列中的显著电离层异常外,其他电离层异常变化全部发生在震后2～6 d;而使用Prophet方法在地震发生前16天7:45 UTC、13天9:30 UTC、5天8:30 UTC以及3天09:30 UTC检测到多处异常现象.综合分析表明,使用Prophet方法比ARIMA更易检测出震前异常.同时,Prophet由于其非线性学习的能力相对较强可作为地震电离层异常检测的鲁棒预测工具.     

Prophet时序预测模型在电离层TEC异常探测中的应用

提出一种基于Facebook 开源的Prophet预测模型进行电离层TEC异常识别的新方法。 首先, 对比分析了该方法与传统时间序列预测方法(ARIMA模型等)预测电离层TEC建模背景值的精度, 以及与经典电离层TEC异常识别方法(滑动四分位法)提取前面对应一致的电离层TEC背景值的精度。 结果表明, Prophet预测模型预测建模背景值的精度要明显优于其他方法, 且预测的建模精度比ARIMA模型等方法高2.55倍左右, 比滑动四分位法高10.74倍左右。 同时, 在最佳预测建模区间时, 其精度值大小比较依次为RMSE_IQR=10.5841>RMSE_ARIMA=3.2780>RMSE_Prophet=0.8469, 说明传统探测法预测建模背景值时具有较大的不足。 随后, 以2017年8月8日九寨沟7.0级地震为例, 利用该方法分析了电离层TEC异常扰动情况, 并对比验证了该方法的有效性和准确性。 实验结果表明: 在震前第10 d和第2 d电离层TEC发生较为明显的负异常, 第7 d电离层TEC发生较为明显的正异常。 对比实验表明, Prophet预测模型的有效性和准确性明显优于滑动四分位法。     

基于GPS探测汶川地震电离层TEC的异常

利用球谐模型和中国地壳运动观测网络及IGS（International GNSS Service）基准站的GPS观测数据,分别计算了中国区域及全球电离层电子总含量（Total Electron Content,TEC）,采用了不同的统计分析方法,对汶川震中上空及邻近区域的TEC进行检查.结果发现：震前后一个星期,孕震区上空连续出现电离层异常扰动,其异常形态具有共轭结构,且呈现向磁赤道漂移趋势.     

利用全球电离层地图分析芦山地震电离层异常变化

近年来,作者们经过长期的分析研究后发现,采用迭代法分析电离层数据时获取的电离层TEC异常与中强地震发生具有较好的空间对应关系,并根据总结的异常特征在地震中长期监测预报方面取得了一定的进展。本文在迭代法分析预报确定异常区域的基础上,采用滑动四分位法对预测区域发生的中强地震前后短时间序列内的电离层TEC数据进行分析,剔除干扰因素后找到较为明显的电离层TEC变化异常。综合利用两种分析方法判断中强地震前后电离层TEC异常,从而为地震前兆研究提供一个新的思路。     

玉树M_S7.1地震前电离层异常扰动分析

本文基于美国JPL实验室提供的全球电离层GPS TEC(GIM)数据和COSMIC掩星探测电子密度剖面,利用滑动四分位异常检测方法,综合分析了2010年4月13日青海玉树MS7.1地震前后15天内电离层异常的时空变化情况。研究结果表明,震前11天电离层TEC开始出现扰动异常,4月13日出现了明显的TEC增强现象,且峰值电子密度也存在相似的变化趋势,综合考虑空间活动水平等因素,认为这些异常很可能与玉树地震有关。     

2011年3月24日缅甸地震期间电离层TEC异常分析

基于IGS提供的2011年3月全球TEC数据,利用滑动时窗进行异常识别的方法,分析电离层赤道异常区TEC在缅甸地震期间的异常情况。结果表明：在震前10 d内,地震上空电离层TEC出现了明显的异常扰动,电离层异常北驼峰在16日至18日期间出现了明显的较大区域负异常现象,且在18日时北驼峰明显向磁赤道漂移,负异常在19日时基本消失;而在地震发生的当天和震后一天出现了小范围的正异常,随后正异常消失。在地震期间地磁活动水平总体都相当平静,且太阳处于一个相对较稳定的中低活动水平,电离层出现的异常很可能与此次缅甸地震有关。     

四川及周边地区TEC异常与印度尼西亚地震关联性研究

使用中国地壳运动观测网络和美国喷气动力实验室的GPS TEC数据,通过滑动四分位法,对2019年8月2日印度尼西亚苏门答腊岛南部海域6.8级地震进行分析,研究印度尼西亚地震与四川及周边地区TEC异常的关联性.基于对四川及周边地区以及全球TEC的监测,我们发现在2019年7月25日(震前一周),印度尼西亚地震震源区及其北半球的磁共轭区域曾发生不同程度的TEC异常扰动现象.结合2011-2019年四川及周边地区GPS TEC数据与印尼6.0级以上地震目录统计分析发现,大部分印尼6.0级以上地震会在四川及周边地区出现TEC异常扰动现象.在时间上,异常集中在震前10 d至震后4 d的范围内,主要发生在地方时6:00-11:00,在7:00(LT)和10:00(LT)两个时刻形成两个峰值,而在夜间出现相关的异常最少;在空间上,在四川地区存在TEC异常的印尼强震集中在印尼西侧,印尼西侧与四川地区TEC异常表现出良好的关联性,且TEC异常扰动现象面积约为32×104 km2,异常面积巨大,易于监测.研究结果表明,四川及周边地区TEC异常与印尼6.0级以上强震具有很好的时空关联性,结合全球TEC异常分布可以对印尼地区地震监测发挥重要作用.     

2012年4月11日苏门答腊Ms8.6地震前电离层TEC异常变化

基于IGS提供的GPS TEC资料和中国地壳运动观测网络提供的GPS数据解算的单站VTEC数据,采用统计分析处理方法,对2012年4月11日苏门答腊北部Ms8.6地震震前电离层TEC资料进行处理分析,结果表明:在震前5-6天以及地震当天,震中上空附近出现显著的电离层TEC异常扰动,异常形态有正有负,表现为先异常减小后异常增大最后变小,异常增大主要发生在下午至黄昏时段,即12:00-16:00 LT,持续时间约4小时.排除太阳活动和地磁扰动的影响后,4月5日出现的电离层TEC异常增大及呈现出共轭结构以及地震当天出现的异常扰动,可能与此次地震有关.     

福建省震前地基GPS TEC与掩星电子密度研究

从联合地基GPS,IEC数据和掩星电子密度剖面中,有可能检测和识别出由地震波激发而引起的电离层扰动。通过研究福建省近年已发生地震的震前地基GPS TEC与掩星电子密度,获得地震的电离层效应．为今后本省的地震预报提供前兆依据。     

汶川M_s8.0地震前电离层VTEC的异常变化

利用地基GPS观测资料反演的垂直电子总含量(VTEC),本文考察了2008年5月12日汶川M_s8.0地震期间的电离层变化.在考察过程中,以前10天的VTEC均值和伴随的2倍标准偏差作为参考来识别电离层异常.最终的考察分析结果表明:(1)VTEC的异常增加出现在5月3日和5月9日,而VTEC的异常减小出现在4月29日和5月6日;(2)所有这4天的电离层VTEC异常持续时间均超过了4 h,且异常自东向西漂移;(3)相对于电离层的非扰动状态,在5次电离层异常的峰值时刻,震中附近VTEC增加或减小超过30%的空间区域沿经、纬向分别超过了4000 km和1500 km.鉴于地震期间的日-地空间环境和电离层VTEC异常特征,我们认为,5月3日下午和5月9日的VTEC正异常可能是本次汶川地震的电离层前兆.     

Analysis of observations backing up the existence of VLF and ionospheric TEC anomalies before the Mw6.1 earthquake in Greece,January 26, 2014

The present work integrates ground-based ionosphere measurements using very-low-frequency radio transmissions with satellite measurements of the total electron content to draw common conclusions about the possible impact that the Mw6.1 earthquake that took place in Greece on January 26, 2014, had on the ionosphere.Very-low-frequency radio signals reveal the existence of an ∼4-day anomaly in the wavelet spectra of the signals received inside the earthquake preparation zone and a significant increase in the normalized variance of the signals prior to the earthquake (approximately 1 day before).Through total electron content analysis, it was possible to identify a clear anomaly from 15:00 until 20:00 UT on the day before the earthquake that appears again on the day of the earthquake between 07:00 UT and 08:00 UT. The anomalous values reach TEC1Sigma ∼4.36 and 3.11, respectively. Their spatial and temporal distributions give grounds to assume a possible link with the earthquake preparation. The geomagnetic, solar and weather conditions during the considered period are presented and taken into account.This work is an initial and original step towards a multi-parameter approach to the problem of the possible earthquake-related effects on the ionosphere joining observations made from both ground stations and satellites. A well-founded knowledge of these phenomena is clearly necessary before dealing with their application to earthquake prediction purposes.     

中国区域电离层TEC与月均值偏差的空间相关性研究

本文利用美国喷气动力实验室(JPL)提供的电离层总电子含量(TEC)的地图网格产品,计算了中国区域上空电离层TEC与月均值偏差及其空间相关系数矩阵,从而分析了TEC与月均值偏差空间相关性的分布特征,根据统计学中定义的相关距离提取了这种偏差在经、纬度方向上的空间特征尺度.并以2008年和2011年为例,着重考察了TEC月偏差的空间特征尺度与太阳活动水平、地磁条件和季节变化之间的关系.结果发现,TEC与月均值偏差的空间相关性呈现椭圆形高斯分布的特征,沿纬线方向的特征尺度大于沿经线方向,不同纬度区域偏差的空间相关性特征差异明显,高纬的特征尺度在两个方向上均小于低纬,而不同经度区域在相同地方时条件下表现差异不大;两个方向的特征尺度在白天、太阳活动水平高和地磁活动剧烈时均存在增大的现象.     

电离层春秋分不对称的地方时依赖

利用全球203个电离层测高仪台站的F_2层临界频率(f_oF_2)和E层临界频率(f_oE),以及美国喷气推进实验室(JPL)提供的电离层总电子含量(TEC)地图数据统计分析了电离层春秋分(March Equinox and September Equinox,ME and SE)不对称的特点.基于电离层参量随年积日(Day of Year,DoY)和太阳活动指数F_(10.7)变化的傅里叶级数模型,对f_oF_2、f_oE及TEC数据分别进行最小二乘法拟合,将电离层参量归算到低太阳活动(F_(10.7)=80)、中等太阳活动(F_(10.7)=150)和高太阳活动(F_(10.7)=200)水平.该方法定量分离了实际观测数据中包含的电离层参量随季节和太阳活动的变化,因而得到了更为定量、精确的电离层春秋分不对称性特征.分析了不同地方时(LT)的春秋分不对称性指数(Asymmetry Index,AI)和春秋分差值Δ(=ME-SE)的全球分布特征与太阳活动依赖性.结果表明,foE日出时全球主要表现为9月分点值高于3月分点值,午后春秋分不对称性几乎消失,而日落时则反转为3月分点值高于9月分点值;f_oF_2日出时除少数地区外也主要表现为9月分点值高于3月分点值,而其他时段则相反;TEC日出时低太阳活动时的全球及中高太阳活动时的低纬地区表现为9月分点值高于3月分点值,而其他时段则相反.fo_E春秋分不对称性受太阳活动影响较弱,而f_oF_2和TEC的春秋分不对称随太阳活动有明显的变化,其3月分点值相对于9月分点值增加.计算了F_2层峰高(h_mF_2)处对应的氧氮浓度比([O]/[N_2],由大气模型NRLMSISE-00计算得到)和h_mF_2的春秋分不对称性,提取了TEC年变化的幅度及相位信息.氧氮浓度比和h_mF_2的春秋分不对称性能够部分解释电离层的春秋分不对称性,而TEC春秋分不对称的全球分布特征可以用TEC年变化的相位的全球分布解释.     

2004年11月强磁暴期间武汉电离层TEC的响应和振幅闪烁特征的GPS观测

本文利用设在武汉(114.36°E,30.53°N,磁纬19.4°)的GPS电离层TEC和电波闪烁监测仪的测量数据,分析了2004年11月强磁暴期间TEC的响应以及电波闪烁和TEC起伏的特征.结果表明,在这次强磁暴期间,武汉及其邻近地区电离层TEC的响应以正暴相为主,正暴相分别出现在两次主相期间,最大正偏离达到50 TECU.这次磁暴另一个重要影响是主相期间L波段振幅闪烁的活动性及其强度显著增强.S4指数最大接近1.0.伴随增强的闪烁活动,多次观测到深度耗尽的等离子体泡与TEC起伏,TEC变化率的标准差ROTI指数也显著增强.分析揭示, ROTI指数与S4指数呈正相关,相关系数达到0.97.线性回归计算得到,ROTI和S4的比率为9.64.     

联合半参数和长短期记忆神经网络的全球电离层TEC短期预报

半参数球谐函数(Semiparametric Spherical Harmonic, Semi-SH)模型能减少电离层预报模型误差以及残余周期带来的系统误差.但是半参数球谐函数模型中窗宽参数的选取会带来一定的估计偏差, 本文利用长短期记忆神经网络(Long-Short Term Memory Networks, LSTM)在非平稳性时间序列预报中的良好适应性, 提出了一种联合Semi-SH与LSTM (Semi-SH-LSTM)的全球电离层TEC短期组合预报模型, 适用于1—5天的短期预报.Semi-SH-LSTM模型通过预报球谐函数系数解算全球电离层TEC, 利用二次多项式和半参数核估计方法分别拟合球谐系数趋势项和周期项, 最后基于LSTM对拟合残差进行补偿预报.本文利用欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe, CODE)球谐函数系数产品, 采用单天预报和多天预报两种实验方案验证Semi-SH-LSTM模型的有效性.实验结果表明, 相比于Semi-SH模型和综合半参数与自回归模型, Semi-SH-LSTM模型的单天全球TEC预报残差RMS值分别提升了12.6%和13.1%;误差小于1 TECU占比分别提升了4.9%、4.6%.基于Semi-SH-LSTM模型的多天全球TEC预报残差RMS值分别提升了10.5%和8.5%, 误差小于1 TECU占比提升了3.9%和3.2%.同时, 半参数LSTM组合预报模型每预报一天耗时约在2 h以内.

     

基于长短时记忆神经网络的中国地区电离层TEC预测

电离层总电子含量(Total Electron Content,TEC)作为描述电离层形态、结构及变化的重要参量,一直是近地空间环境中重要的研究对象之一.本文利用太阳活动与地磁活动参量,结合欧洲定轨中心(Center for Orbit Determination in Europe,CODE)的TEC数据,给出了一种基于长短时记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络的电离层TEC短期预测模型,并将其应用于2015年中国单站和区域电离层TEC提前1 h的预测中.单站TEC预测结果显示：LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差为2.572 TECU (1 TECU=10 ¹⁶el/m²),比国际参考电离层(International Reference Ionosphere,IRI)2016模型、反向传播(Back Propagation,BP)神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差小5.183 TECU和0.667 TECU;在电离层扰动期与宁静期,LSTM神经网络模型预测的TEC与CODE-TEC的均方根误差分布在1.653~3.532 TECU,均方根误差明显小于IRI-2016模型、BP神经网络模型与CODE-TEC之间的均方根误差.中国区域预测结果显示：LSTM神经网络模型预测值与CODE-TEC值的均方根误差为2.721 TECU,比BP神经网络模型小0.716 TECU,其误差绝对值小于5 TECU的比例为92.83%,比BP神经网络模型的比例高5.77%,并且LSTM神经网络模型能更好地预测赤道异常区TEC的变化特征;同时,LSTM神经网络模型的预测值与CODE-TEC值具有较好的相关性,其相关系数达到0.989.整体而言,LSTM神经网络模型不仅能够准确反映中国地区电离层TEC时空变化特征,而且预测精度明显优于传统BP神经网络模型.

     

电离层GPS掩星观测改正TEC反演方法

电离层掩星观测中,当低轨卫星（LEO）轨道高度较低时,轨道以上的电离层电子总含量（TEC）对掩星反演的影响不能忽略.目前,一般采用指数函数等外推方法来处理该问题,对反演结果可能引起较大误差.为提高电离层掩星反演精度,本文研究利用LEO处于非掩星一侧GPS观测数据的改正TEC新反演方法.用三维射线追踪程序计算出电离层掩星观测模拟数据,分别应用改正TEC方法和外推方法进行反演,将反演结果与所用模式值进行比较.结果表明：对于轨道高度约800km的GPS/MET掩星模拟数据,外推方法和改正TEC方法反演结果都与模式值基本一致;对于轨道高度约400km的CHAMP掩星模拟数据,外推方法误差较大,改正TEC方法反演结果与模式值相符得较好.将改正TEC方法应用于GPS/MET实测数据的反演,取得了合理的结果.这些说明,改正TEC算法是一种有效的电离层掩星反演方法,尤其是对于轨道较低的LEO的电离层掩星观测反演特别有用.     

国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织（International GNSS Services,IGS）发布的全球电离层TEC格网（Global Ionospheric Map,GIM）是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示：随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5~3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高（约4.0~4.5TECu）,但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.

     

A theoretical model for change of shape of spring-water radon anomalies with epicentral distance

A model for radon anomalies before earthquakes, with a relatively fast increase in radon concentration at the beginning of the anomaly, is postulated. A calculation based on this model shows that a parameter can be deduced from the form of the radon anomalies, which depends on the epicentral distance of the measurement point. After adjustment of some parameters the model calculation is in good agreement with observed earthquake precursor anomalies.