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.     

综合分析方法在中强地震前后电离层TEC异常分析中的应用

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。     

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.     

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。     

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.     

借助连续的GPS TEC测量记录到的地震前电离层异常

本文旨在通过全球定位系统（GPS）地面接收器得到的总电子含量（TEC）来研究地震发生前的电离层异常．利用连续15天的TEC中值和相关的四分位距（IQR）作为参考来识别1999年9月到2002年12月之间台湾地区20个M≥6．0的地震发生前的异常信号。结果表明在其中的16个地震发生的前5天18：00—22：00LT（LT=UT＋8h）之间出现了电离层异常。80％的成功率表明用GPSTEC记录大地震前的电离层异常是有效的。     

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.     

台风“鲶鱼”期间电离层TEC变化异常分析

为了分析台风中心区域的电离层异常扰动过程,本文利用CODE提供的全球GIM电离层TEC网格数据,借助滑动四分位距法对2016年超强台风"鲇鱼"发生期间的电离层TEC异常进行了探测和分析.对超强台风"鲇鱼"发生的7个时间段电离层时间序列进行了异常值探测,发现在台风发生前2天,电离层TEC出现异常.此次电离层TEC异常主要发生在当地时间的02:00到12:00,持续时间长达十个小时,台风中心区域最大异常值达到12TECU.台风中心区域附近上空和对应的磁赤道共轭区上空的电离层均出现异常现象,两区域异常现象基本呈现相同变化趋势,而台风中心区域的电离层异常扰动现象很可能是此次台风发生的前兆之一.     

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。     

中国电离层TEC同化现报系统

数据同化是在基于物理机制的背景模型上,融合时空不规则分布的观测数据的一种现报方法.同化能够有效弥补数据的时空局限和模型的精度偏差,使二者相互匹配从而获得更加合理可信的模拟效果.本研究利用电离层数据同化方法,针对中国及周边区域（15°N—55°N,70°E—140°E）构建了电离层总电子含量（TEC）同化现报系统.系统使用国际参考电离层（IRI）作为背景场,利用中国科学院空间环境监测网和国际GNSS服务组织（IGS）的部分地基GNSS台站数据作为观测值,并采用三维变分与Gauss-Markov卡尔曼滤波相结合的算法进行背景场和观测值的数据同化,生成覆盖中国及周边区域的电离层TEC和GPS单频接收机延迟误差的格点化准实时现报地图,并在中国科学院空间环境预报中心（http://sepc.ac.cn/TEC_chn.php）网上发布,每15 min进行更新.该系统是我国基于同化算法的电离层现报系统之一,已用于中国及周边区域的电离层环境实时监测,可为卫星导航、雷达成像、短波通信等科学研究和工程应用提供相对及时、准确、有效的电离层TEC和误差修正信息.     

利用陆态网络实时监测电离层TEC及在地震监测中的应用分析

中国大陆构造环境监测网络(陆态网络)是中国最大的GPS综合服务网络,该网络包括260个分布全国的GPS基准站。本文首先介绍了利用GPS研究电离层TEC的基本原理与方法,然后阐述了陆态网络电离层TEC监测系统的数据处理及产品发布的详细流程,最后分析了震前电离层异常现象与地震发生的耦合关系,并利用陆态网络电离层TEC监测系统的产品分析了四川省芦山7.0级地震的同震电离层扰动现象。     

Ultra-low-frequency (ULF) and total electron content (TEC) anomalies observed at Agra and their association with regional earthquakes

Employing a three-component search coil magnetometer (f = 0.01–30 Hz) the ultra-low-frequency (ULF) magnetic field observations have been taken in a noise free rural site at Bichpuri, Agra, India since 20 April 2007. We have analysed 7 months of night time data from 01 May to 30 November 2007. The data show seven occurrences of ULF bursts with periods ranging from a few minutes to an hour in a wide frequency range up to 15 Hz. The occurrence of such ULF bursts has been statistically analysed. The polarization parameter analysis shows that two of these bursts occurred from sources in the ionosphere and magnetosphere (Z/X < 1). It is further seen that four bursts correlated very well with some regional earthquakes (M > 4.5), which occurred at distances less than 628 km from the observation site at Agra. In some cases the bursts occurred 1–3 days prior to the main shocks.Since earthquakes are also known to perturb the ionosphere, we have analysed total electron content (TEC) data obtained from a GPS receiver stationed at Agra since June 2006. Analysis of the data for the same period as the magnetic field observations shows that there existed TEC anomalies on all the days when ULF bursts occurred. The TEC anomalies show enhancement and depletion in the data in all cases. While the mechanisms of the ULF and TEC anomalies are not well known, it is expected that the ULF bursts occurred due to microfracturing of the earth's crust during stress accumulation and that the TEC anomalies occurred as a result of the electric field induced in the ionosphere during such processes.     

Ionospheric and geomagnetic disturbances during the 2005 Sumatran earthquakes

This paper investigates the ionospheric and geomagnetic responses during the 28 March 2005 and 14 May 2005 Sumatran earthquakes using GPS and magnetometer stations located in the near zone of the epicenters. These events occurred during low solar and geomagnetic activity. TEC oscillations with periods of 5–10 min were observed about 10–24 min after the earthquakes and have horizontal propagation velocities of 922–1259 m/s. Ionospheric disturbances were observed at GPS stations located to the northeast of the epicenters, while no significant disturbances were seen relatively east and south of the epicenters. The magnetic field measurements show rapid fluctuations of 4–5 s shortly after the earthquake, followed by a Pc5 pulsation of 4.8 min about 11 min after the event. The correlation between the ionospheric and geomagnetic responses shows a good agreement in the period and time lag of the peak disturbance arrival, i.e. about 11–13 min after the earthquake.     

Athens地区电离层TEC、NmF2以及板厚

本文使用Athens站2001—2005年间电离层GPS/TEC和f_oF₂数据,分析了TEC、N_mF₂和电离层板厚τ日变化、季节变化特征以及与太阳活动的统计关系,得到以下结论:电离层TEC和N_mF₂具有相似的日变化特征,最大值出现在14∶00LT;TEC在2001和2002年白天出现"冬季异常"现象,N_mF₂在2001—2005年白天均出现该现象;电离层板厚τ主要分布在200~600 km,存在黎明峰和日落峰双峰结构,黎明峰一般出现在5∶00—6∶00LT,日落峰结构一般从日落后开始出现,在午夜前达到极大值;14∶00LT和2∶00LT时刻TEC、N_mF₂同太阳活动的关系呈现"线性"、"饱和"以及"放大"趋势,而τ则出现正、负及不明显的线性关系;最后,我们分析认为黎明峰归因于电离层TEC增加以及N_mF₂的减少,而日落峰主要是由TEC减少速度低于N_mF₂造成的.     

汶川大地震前后电离层电子含量的扰动分析

为了分析地震前后电离层电子含量的变化,本文选取四川汶川发生8.0级地震前后10天电离层中的电子含量作为研究对象,使用IGS网站提供的VTEC数据,采取统计学分析方法,结合太阳和地磁活动信息,对此次地震前后电离层VTEC资料进行了详细的统计分析和讨论,数据分析结果表明大地震前电离层电子含量会出现明显扰动,电离层中电子含量的异常变化有可能是地震发生的前兆信息.     

Electromagnetic radiation anomalies before moderate and strong earthquakes

Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒａｄｉａｔｉｏｎａｎｏｍａｌｉｅｓｂｅｆｏｒｅｍｏｄｅｒａｔｅａｎｄｓｔｒｏｎｇｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ关华平，刘桂萍Ｈｕａ－ＰｉｎｇＧＵＡＮａｎｄＧｕｉ－ＰｉｎｇＬＩＵ（ＣｅｎｔｅｒｆｏｒＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＰｒｅｄ...