印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震對電離層的響應

印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震對電離層的響應

自從1968年阿拉斯加大地震發(fā)生以來，leonard和barna發(fā)現(xiàn)了電離層擾動。地震前，電離層的異?，F(xiàn)象引起了國內外學者的關注，并取得了許多科學研究成果。然而這些研究工作大多是利用地基GPS觀測數據進行的,而地基GPS測量受自然條件的限制,有其地域的局限性,使得科學家們無法實施大范圍的觀測。因此,利用GPS掩星技術探測地震電離層效應的方法憑借其高精度、全球覆蓋和低成本的優(yōu)點吸引了許多研究者的目光。Liu等分析了臺灣地區(qū)GPS觀測網所觀測的TEC數據,研究發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前的幾天里,電離層TEC值以及電離層F2層的臨界頻率f0F2出現(xiàn)異常。由此文獻探討了GPS無線電掩星技術在地震電離層異常研究中的可行性。本文通過人工神經網絡對COSMIC星座GPS掩星系統(tǒng)所獲得的電離層電子密度觀測數據的研究,分析2009年9月30日印尼蘇門答臘南部發(fā)生的7.7級地震前后其震區(qū)上空是否存在電離層的顯著異常變化。COSMIC星座由6顆低軌道小衛(wèi)星組成,于2006年4月15日發(fā)射升空。初期軌道高度約為400km,最終軌道高度為800km。每顆衛(wèi)星都擁有各自的繞地軌道,其軌道傾角為72°,并各攜帶一臺GPS接收機。目前COSMIC掩星觀測星座每天可以提供大約2000多個電離層掩星觀測剖面,每隔100min就能夠覆蓋一次全球,為研究地震電離層響應提供了大量寶貴的數據。1天氣形勢變化本文所采用的方法選取以地震發(fā)生地帶為中心,經度跨度為70°、緯度跨度為50°的矩形框,這個區(qū)域基本覆蓋了地震對其上空電離層引起的變化的范圍。選取時間為從地震發(fā)生前20d到地震發(fā)生后5d(即從2009年9月11日～2009年10月4日)。從COSMIC每天公布的數據中挑選出符合該空間范圍的電離層F2層最大電子密度NmF2、發(fā)生時刻(采用世界時)、以及經度和緯度。比較引人注意的是在地震發(fā)生前后兩天所觀測的掩星數據明顯減少,有可能涉及地震電離層掩星觀測的天線設計指標和天線安裝問題。由于每天觀測的掩星數據具有不同的時間和經緯度的分布狀態(tài),也就是說,某一天內的掩星觀測數據可能集中分布于當日的日間時段或夜間時段,而太陽輻射的變化可直接導致電離層電子密度時間、空間分布的變化。因此,本文經過對掩星數據的仔細分析以及在考慮到地震發(fā)生時刻為當地時間18點之后,將選取世界時日間6～12點(即當地時間日間12～18點)這段時間內的掩星觀測數據作為分析數據進行處理。2震區(qū)高空電離層的異常擾動載荷針對掩星數據的時間和經緯度方面的分布不是非常的均勻,本文將地震發(fā)生前5～20d的掩星數據作為正常時刻數據組,也就是非地震時刻的一般狀態(tài)下,震區(qū)上空的電離層F2層最大電子密度NmF2的數值狀態(tài);同時把地震發(fā)生當天到地震發(fā)生前1～5d作為地震發(fā)生前,容易造成地震電離層響應掩星數據作為異常數據組,也就是地震發(fā)生前的震區(qū)上空電離層F2層最大電子密度NmF2的電離層狀態(tài)。而后利用人工神經網絡技術進行內插,得到這個地區(qū)電離層參數在地震前后的狀態(tài),比較地震前第5d～第20d的電離層參數值和地震前5d內的電離層參數值,檢驗地震前其震區(qū)上空電離層是否存在異常擾動。人工神經網絡技術是一種強非線性的數據處理技術,本文采用的是BP神經網絡,也就是Back-Propagation(反向傳播)神經網絡。BP神經網絡最初應用于函數逼近、模式識別、分類、數據壓縮等領域,現(xiàn)在已經擴展到控制、預測、組合優(yōu)化等方面。本文選取的改進型BP神經網絡,輸入層3個神經元、隱層20個神經元、輸出層2個神經元組成。分別將正常組和異常組作為輸入樣本集對網絡進行訓練。即對網絡的權值和閾值進行學習和調整,使網絡實現(xiàn)給定的輸入輸出映射關系。其學習過程包括正向和反向傳播兩個過程。當有信息向網絡輸入時,信息首先由輸入層傳至隱層節(jié)點,經特性函數作用后,再傳至下一隱層,直到最終傳至輸出層進行輸出,期間每經過一層都要由相應的特性函數進行變換。圖1所示為一典型的單隱層節(jié)點的BP神經網絡。3電離層電子密度剖面數據分析2009年9月30日18時16分(北京時間),在印尼蘇門答臘南部地區(qū)(震中位于南緯0.8°,東經99.8°)發(fā)生了7.7級地震。分析中數據選取的空間范圍為-30°～30°N,60°～135°E,時間范圍為2009年9月11日～2009年9月30日。查詢地震目錄和參考中國氣象局空間天氣預警中心的電離層報告,在本例所選定的范圍內,在本次地震前沒有地震發(fā)生,由圖2可知地磁KP指數值始終在4以下,9月份這段時間地磁活動評價,空間天氣未出現(xiàn)大范圍的異常,而且也沒有出現(xiàn)明顯的磁暴活動,震區(qū)上空電離層活動水平低。由此可以推斷,若震區(qū)上空電離層存在異常擾動,則很有可能是地震活動引起的。圖3顯示的是印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震發(fā)生前20天(9月11日)到發(fā)生當天(9月30日),經過有效范圍內的COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數據分布圖,其中黑色實心圓點為9月11日～9月25日的COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數據分布狀況,藍色空心方點則代表的是9月26日～9月30日COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數據分布情況,紅色五角星處為震中位置。以COSMIC掩星事件提供的NmF2作為輸入值,利用人工神經網絡分別對地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(9月26日～9月30日)在1.5°×1.5°(經度×緯度)的網格分辨率上進行插值運算,經過改進型BP神經網絡分別得到地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(9月26日～9月30日)的地震區(qū)域上空電離層F2層峰值電子密度的插值分布情況(如圖4、圖5),圖6為地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(9月26日～9月30日)地震區(qū)域上空電離層F2層最大電子密度之差,圖7為地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(9月26日～9月30日)地震區(qū)域上空電離層F2層最大電子密度的相對偏差。圖4、圖5、圖6、圖7中五角星位置為震中位置。通過對比可以看出,地震前5～20d(9月11日～9月25日)震中附近上空的電離層F2層電子密度峰值較高,而地震前5d內(9月26日～9月30日)的地震區(qū)域上空電離層F2層電子密度峰值已有了明顯的下降。從圖6、圖7中可以看出,震中附近的NmF2在地震發(fā)生前5d內(9月26日～9月30日)明顯下降,在-10°～10°N、90°～110°E地理范圍內,NmF2下降了約4×105el/cm3。與地震前5～20d(9月11日～9月25日)相比較,地震發(fā)生前5d內(9月26日～9月30日)震中附近上空區(qū)域的NmF2降低了約40%。經過以上分析可以看到:以地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(9月26日～9月30日)震區(qū)上空電離層F2層最大電子密度NmF2為正常時狀態(tài),在地震前5d內,地震區(qū)域上空出現(xiàn)了明顯的電離層擾動,電離層F2層最大電子密度NmF2呈現(xiàn)出負異常的特征明顯。利用COSMIC掩星觀測數據提取NmF2,通過人工神經網絡進行數據插值,分析地震前5d內與地震前5～20d(參考時期)內NmF2的相對變化,可以獲取地震前電離層異常擾動的特征。通過人工神經網絡插值技術,利用GPS無線電掩星觀測研究震前電離層擾動現(xiàn)象是地震預測研究中的一次嘗試,在地震短臨預報工作中具有一定的應用前景。4實施人工神經網絡技術的可行性一般認為,在地震的孕震期、臨震期、主震和余震中,形變和電磁等地球物理場都要發(fā)生不同程度的變化,而在本文中主要考慮的是地震孕震期和臨震期對其上空電離層參數的影響。印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震前后,震區(qū)上空電離層電子密度存在明顯的負異常擾動,異常擾動發(fā)生在地震前5d內,然而地磁KP指數以及太陽輻射在這期間并無大的變化。因此,地震發(fā)生區(qū)域上空的電離層參數在震前所產生的變化極有可能是由于地震活動而導致的,這也說明了