基于nmf2數(shù)據(jù)的印尼震前電離層數(shù)值模擬

基于nmf2數(shù)據(jù)的印尼震前電離層數(shù)值模擬

1個(gè)新的地震探測(cè)系統(tǒng)的研究近年來(lái)，地震電離層的前身現(xiàn)象引起了人們的關(guān)注。目前，基于豐富的gns觀測(cè)數(shù)據(jù)，gnsstec數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地震電離層的研究。2004年12月26日印尼蘇門答臘M9.3地震前第5天,孕震區(qū)及其磁共軛地區(qū)的TEC顯著減小。2008年5月12日中國(guó)汶川Mw7.9地震前第3天晚上和第4~6天當(dāng)?shù)貢r(shí)下午時(shí)段,孕震區(qū)上空TEC明顯減小,但震前第3天下午時(shí)段TEC出現(xiàn)顯著增大現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì),1999—2003年臺(tái)灣地區(qū)20次M≥6.0的地震事件,TEC在震前1~5天18:00LT~22:00LT時(shí)段明顯減小;1998—2008年中國(guó)大陸地區(qū)35次M≥6.0地震事件中,17次M≥6.3地震前3~5天內(nèi)孕震區(qū)上空出現(xiàn)TEC顯著減小的現(xiàn)象。但這些研究成果主要是基于15天滑動(dòng)背景值的異常判斷方法取得的,因而無(wú)法保證滑動(dòng)背景窗內(nèi)的數(shù)據(jù)是否已經(jīng)受到地震活動(dòng)的影響,其準(zhǔn)確性有待商榷。于是,我們將利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP,BackPropagation)技術(shù),建立區(qū)域電離層模型,解算電離層參數(shù),用“干凈”的電離層參考值研究地震孕育與電離層變化的關(guān)系。掩星觀測(cè)作為一種較為前沿的技術(shù)現(xiàn)已越來(lái)越多地應(yīng)用于電離層探測(cè)。與電離層測(cè)高儀、衛(wèi)星電離層層頂部探測(cè)、GNSSTEC等電離層觀測(cè)手段相比,掩星探測(cè)能夠提供實(shí)時(shí)、高精度、全天候的全球電離層電子密度的三維數(shù)據(jù),而且,其反演的電子密度剖面與非相關(guān)散射雷達(dá)和電離層測(cè)高儀觀測(cè)的結(jié)果一致。目前,有很多國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)都有掩星計(jì)劃在研或運(yùn)行。中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)與美國(guó)合作的COSMIC(ConstellationObservingSystemforMeteorology,IonosphereandClimate)是迄今為止最成功的掩星觀測(cè)系統(tǒng),它由6顆在800km處運(yùn)行的低軌小衛(wèi)星組成,在軌期間能提供每天最多約3000個(gè)掩星探測(cè)剖面,雖然現(xiàn)在衛(wèi)星已到使用壽命,但其2006—2011年累計(jì)的觀測(cè)數(shù)據(jù)能為電離層模型的建立提供豐富的電離層電子密度數(shù)據(jù)。為了研究2012年4月11日印尼8.6級(jí)地震前孕震區(qū)上空電離層電子密度的變化情況,我們選取UCAR發(fā)布的2006-08—2010-12月電離層F2層最大電子密度NmF2(F2layerpeakelectrondensity)數(shù)據(jù),建立以震中(2°N,93°E)為中心,經(jīng)緯向跨度為80°×80°(38°N~42°N,53°E~133°E)的區(qū)域電離層電子密度模型,解算震前各NmF2探測(cè)點(diǎn)的模型值,通過(guò)觀測(cè)值與模型值的比較,研究地震前電離層是否出現(xiàn)異常變化。2bp網(wǎng)絡(luò)模型的建立電離層是時(shí)變、色散、不均勻的介質(zhì),其變化不僅與季節(jié)、時(shí)間、太陽(yáng)活動(dòng)水平等有關(guān),還與地理位置有關(guān),因此電離層可以認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模是人工智能研究的一個(gè)分支,通過(guò)模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式,進(jìn)行信息并行處理和非線性轉(zhuǎn)換。它具有在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中較高的建模能力及良好的數(shù)據(jù)擬合能力。因此,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具進(jìn)行電離層參數(shù)的解算是可行的。我們選取年積日DOY、當(dāng)?shù)貢r(shí)LT、經(jīng)度LON、緯度LAT和F10.7太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)FLUX為網(wǎng)絡(luò)輸入,F2層最大電子密度NmF2為網(wǎng)絡(luò)輸出,利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建BP網(wǎng)絡(luò),以2006-08—2010-12月考察范圍內(nèi)的NmF2數(shù)據(jù)集訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。另外,由于在磁暴發(fā)生時(shí)期,COSMIC數(shù)據(jù)誤差較大,所以我們剔除磁擾時(shí)段的數(shù)據(jù)。而且,在日出日落時(shí)段,電離層電子密度變化劇烈,也將此時(shí)段的數(shù)據(jù)剔除。目前的研究成果表明,汶川地震前的電離層異常主要出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)的下午時(shí)段,為了避免過(guò)多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致MATLAB軟件運(yùn)算中出現(xiàn)內(nèi)存溢出錯(cuò)誤,我們只選取考察區(qū)域當(dāng)?shù)貢r(shí)12:00LT—17:00LT的掩星探測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)。圖1列出符合前述條件用于模型計(jì)算的NmF2數(shù)據(jù)序列。另外,為了確保區(qū)域電離層模型的準(zhǔn)確性,我們采用均方根(RMS,rootmeansquareerror)來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)的整體誤差。其中,Oi為觀測(cè)值,Mi為模型值,N為符合篩選條件的掩星觀測(cè)點(diǎn)的總數(shù)。經(jīng)過(guò)比較各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的組合比對(duì),得出最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其網(wǎng)絡(luò)誤差為:RMS=1.52×105。RMS=1N∑i=1N(Oi?Mi)2??????????????ue001?ue000ue000RΜS=1Ν∑i=1Ν(Οi-Μi)23u3000經(jīng)度周邊nmf2的變化圖2顯示2012年3月26日考察區(qū)域12:00LT—17:00LT內(nèi)的掩星NmF2觀測(cè)值與相應(yīng)的由BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型解算NmF2模型值之間的偏離程度(表示為(O-M)/M),其中,O為NmF2觀測(cè)值,M為相應(yīng)NmF2觀測(cè)點(diǎn)的模型值。圖3為震中所在經(jīng)度NmF2在不同緯度的變化情況。圖3(a)表示03-07—04-13日震中所在的經(jīng)度附近(38°S~42°N,73°E~113°E,即圖2中藍(lán)色實(shí)線之間的區(qū)域),各天下午時(shí)段(12:00LT—17:00LT)NmF2觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)模型值的變化情況。對(duì)震中所在的經(jīng)度帶以5°劃分緯度,用各緯度區(qū)域內(nèi)NmF2偏離程度的均值代表該區(qū)域的NmF2變化情況(圖3(b))。圖3(c)表示以上時(shí)間段內(nèi)Kp指數(shù)的變化情況,其中,03-07—10日Kp指數(shù)活躍,經(jīng)查詢空間天氣報(bào)告(/bulletin/month/),3月7日發(fā)生中等地磁暴,8日發(fā)生小地磁暴,9—10日發(fā)生大地磁暴,從圖3(b)可看出,7—10日中低緯度地區(qū)NmF2對(duì)磁暴活動(dòng)反應(yīng)強(qiáng)烈,中緯度地區(qū)NmF2的增大幅度在50%以上,低緯度地區(qū)增大幅度也可達(dá)到約40%。3月15日發(fā)生中等地磁暴,地磁活動(dòng)直至18日一直處于活躍的狀態(tài),圖3(b)中3月15日沒有出現(xiàn)NmF2的變化,是由于當(dāng)天震中附近沒有掩星觀測(cè)數(shù)據(jù),而16—19日,中低緯度地區(qū)的NmF2的增大幅度可達(dá)近30%。3月26日地磁活動(dòng)比較平靜,但震中附近上空NmF2明顯減小,幅度達(dá)到約40%。4震區(qū)高空地磁活動(dòng)的特征3月28日—4月11日地震發(fā)生,地磁活動(dòng)均較為平靜,震區(qū)上空下午時(shí)段NmF2沒有出現(xiàn)顯著變化。而3月25—27日(地震前第17~15天)震中區(qū)附近(0°~20°N,3°E~113°E)上空NmF2下午時(shí)段明顯減小,其中,26日減小幅度最大,達(dá)40%。而25—27日下午時(shí)段的地磁活動(dòng)平靜,所以我們認(rèn)為,可能是孕震區(qū)產(chǎn)生的垂直電場(chǎng)使震區(qū)上空NmF2顯著變小。遺憾的是,可能是由于COSMIC系統(tǒng)衛(wèi)星超期服役,各小衛(wèi)星經(jīng)常出現(xiàn)故障,COSMIC數(shù)據(jù)服務(wù)器沒有04-10—17日的掩星數(shù)據(jù)供下載,我們無(wú)法分析該段時(shí)間震區(qū)上空NmF2的變化情況。目前,利用電離層探測(cè)數(shù)據(jù)分析地震前電離層變化的研究多基于1