汶川ms80地震前電離層電子密度變化

汶川ms80地震前電離層電子密度變化

地震反演與地震勘探云表示系統(tǒng)（colt-key-meteoron）由六個(gè)相同的微衛(wèi)星組成。每組衛(wèi)星包括gps接收機(jī)、小型電離層光度計(jì)（tip）和三段星信息儀（tri-束縛）等科學(xué)勘探儀。這六個(gè)衛(wèi)星分布在大約800公里的軌道高度上，傾角為72，相鄰衛(wèi)星軌道平面之間的閉合角度為30。通過接收gps衛(wèi)星l段的信號(hào)，科奇衛(wèi)星可以計(jì)算電離層通信過程中相位的振幅。利用反演技術(shù)，可以計(jì)算波前電離層的波前電離層的異常程度。在這項(xiàng)研究中，許多科學(xué)家提供了地震電離層耦合機(jī)和地震電離層異常的研究方法（fenoilo等人，1995；shen；duetal，2002；pulms（2004），本文從近地表過程、電離層d效應(yīng)、e層效應(yīng)和磁層效應(yīng)四個(gè)方面探討了地震電離層的物理模型。hayakawa等人（2004）提出了兩種地震電離層電子顯微鏡下的d效應(yīng)、e層效應(yīng)和磁層效應(yīng)等方面探討了地震電離層耦合的物理模型。freud等人（2004）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室?guī)r石實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)提出了離子空穴運(yùn)行假設(shè)模型。然而，與地震相關(guān)的各種電離作用效應(yīng)的機(jī)制目前還沒有統(tǒng)一的解釋。在本研究中，基于上述地震透射現(xiàn)象，利用云杉星gps傳播的電子層電子密度數(shù)據(jù)，研究了川地震前后電子密度的顯著變化。基于12階次球氟子層函數(shù)的最小二乘模擬值，規(guī)劃了電離層模型的電離模型，為研究地震前后電子密度的變化提供了基礎(chǔ)依據(jù)。同時(shí)，利用主成分分析法研究了中心附近最大電子密度的各個(gè)方面的能量份額隨時(shí)間的推移而變化。1數(shù)據(jù)分析的方法1.1數(shù)據(jù)分離和相關(guān)分析主成分分析法(principalcomponentanalysis,簡(jiǎn)寫為PCA)(Xu,2004;Zhao,Wan,2005)是將多個(gè)變量通過線性變換重新組合成一組新的線性無關(guān)的變量,同時(shí)根據(jù)分析的需求選取前幾個(gè)變量反映原來變量信息的一種多元統(tǒng)計(jì)方法.PCA方法可以有效地分離原始數(shù)據(jù)信號(hào),剔除噪音和冗余.因此本文使用PCA方法分離可能與太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)相關(guān)的信號(hào),進(jìn)而考察可能與地震活動(dòng)相關(guān)的信號(hào).1.2模型估計(jì)誤差本文采用12階次球諧函數(shù)擬合電離層模型.首先,設(shè)計(jì)網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小按2°×2°分割成一定數(shù)量的網(wǎng)格(如果網(wǎng)格內(nèi)有多個(gè)即值取均值);然后,基于12階次球諧函數(shù)(袁運(yùn)斌,歐吉坤,2002;章紅平,2006):式中,anm和bnm為待估系數(shù),Pnm(cosθ)為締合勒讓德函數(shù),λ為經(jīng)度,θ為余緯,n=12,共有待估系數(shù)169個(gè),使用最小二乘擬合法計(jì)算球諧系數(shù);最后,計(jì)算設(shè)計(jì)區(qū)域模型值,再以模型值作為背景依據(jù),計(jì)算δ,δ=(x0-xm)/xm(x0表示觀測(cè)值,xm表示模型值),以估算模型誤差的影響;以2011年1月1—15日為例,這段時(shí)間地磁場(chǎng)平靜,太陽(yáng)活動(dòng)水平很低,計(jì)算得到平均誤差為0.17,最大誤差為0.42,最小誤差接近于0,誤差數(shù)據(jù)為83.3%,分布在0—0.20區(qū)間內(nèi).2數(shù)據(jù)處理的結(jié)果2.1日性關(guān)系和日際形態(tài)模型2008年5月12日14時(shí)28分(地方時(shí))四川省汶川地區(qū)發(fā)生MS8.0地震,震中位于103.4°E、31°N,震源深度約14km.本文使用COSMIC掩星2級(jí)數(shù)據(jù),應(yīng)用PCA方法及最小二乘擬合法擬合設(shè)計(jì)區(qū)域電離層模型,嘗試探測(cè)汶川地震震前電離層擾動(dòng).應(yīng)用PCA方法選取2008年3月1日—5月14日地方時(shí)最大電子密度數(shù)據(jù).首先,網(wǎng)格設(shè)計(jì)為經(jīng)度98°—108°E和緯度26°—36°N,網(wǎng)格大小5°×5°,分割成4個(gè)網(wǎng)格,即Y1,Y2,Y3和Y4,如圖1所示.然后,每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)3月1日—5月14日數(shù)據(jù)以15天為間隔,分割成5個(gè)時(shí)段,再以3小時(shí)為間隔將每段數(shù)據(jù)分割成8個(gè)時(shí)段,每個(gè)時(shí)段如果有多個(gè)值則取均值,共計(jì)40個(gè)點(diǎn),每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為3h間隔的時(shí)均值,按時(shí)間序列表示為從而得到矩陣最后,計(jì)算Y的主成分信號(hào),顯示時(shí)間分割點(diǎn)的各主成分能量百分比變化.模型建立選取2008年4月27日—5月11日12:00—14:00(地方時(shí))、200—500km高度電子密度數(shù)據(jù),以50km分層擬合模型計(jì)算δ.δ局部顯示60°—140°E和10°—60°N,掩星事件分布如圖2所示.同時(shí)選取2008年2月12日—5月11日12:00—14:00(地方時(shí))、300—350km高度電子密度數(shù)據(jù)擬合模型計(jì)算δ.通常情況影響電離層的因素包括很多方面:一是太陽(yáng)活動(dòng)性,包括太陽(yáng)電磁輻射、太陽(yáng)黑子數(shù)、耀斑等;第二是地磁活動(dòng)水平,地磁活動(dòng)引起的電離層擾動(dòng)一般具有全球性;此外,一些火山、地震活動(dòng)也會(huì)引起電離層擾動(dòng)(Duetal,2008;劉立波等,2011;尼魯帕爾·買買吐孫,張永仙,2012).對(duì)2008年3月1日—5月14日(地方時(shí))最大電子密度數(shù)據(jù)整理后進(jìn)行主成分分析,數(shù)據(jù)整理后得到時(shí)間分割點(diǎn)的各主成分能量百分比變化如圖3所示,圖中橫坐標(biāo)表示日期,縱坐標(biāo)表示各主成分能量百分比.由圖3可看出第一主成分能量百分比絕大部分占據(jù)60%以上,第二主成分能量百分比絕大部分占據(jù)10%—20%,第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和穩(wěn)定在80%左右,認(rèn)為可能包含著太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)的相關(guān)信息.第三主成分能量百分比在10%左右,可能包含著局部的擾動(dòng)信息,包括孕震區(qū)產(chǎn)生電磁輻射引起電離層擾動(dòng)等.其它主成分能量百分比占據(jù)比例非常小,可能反映隨機(jī)的微擾動(dòng)信息,本文只針對(duì)前3個(gè)主成分討論.各主成分所占能量百分比隨時(shí)間變化發(fā)生波動(dòng).4月15日—29日19:00—24:00(地方時(shí))時(shí)間段第一、第二主成分能量百分比明顯降低,第三主成分能量百分比顯著增加.在其它時(shí)間段第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和穩(wěn)定在80%左右.考察空間活動(dòng)水平,這段時(shí)間太陽(yáng)活動(dòng)處于低水平,無強(qiáng)烈磁場(chǎng)擾動(dòng),可以排除空間活動(dòng)的影響,說明4月15—29日19:00—24:00(地方時(shí))這段時(shí)間震中周圍發(fā)生了局部的電磁擾動(dòng).震前第三主成分的明顯增加可能是地震孕育的一種體現(xiàn).2.3震前f層電離層擾動(dòng)特征目前關(guān)于背景場(chǎng)計(jì)算和地震異常判斷的方法有很多種.Chun等(2009)使用COSMIC掩星數(shù)據(jù),以震前6—20天數(shù)據(jù)作為背景值,以震前5天數(shù)據(jù)作為考察值;Kakinami等(2010)以COSMIC掩星經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭底鳛楸尘爸?以觀測(cè)值作為考察值.本文選擇基于球諧函數(shù)計(jì)算的模型值作為背景值,以觀測(cè)值作為考察值,使用最小二乘數(shù)據(jù)擬合法計(jì)算得到模型值,然后再計(jì)算δ.δ主要分布在0—0.2區(qū)間,少數(shù)分布在0.2—0.4區(qū)間.這段范圍可能由模型誤差引起,不作為判斷電離層擾動(dòng)的依據(jù).研究2008年4月27日—5月11日12:00—14:00(地方時(shí))、高度200—500km的電子密度數(shù)據(jù),以50km間隔分割成6層,顯示經(jīng)度60°—140°E和緯度10°—60°N范圍內(nèi)δ變化如圖4所示.計(jì)算結(jié)果表明,震前F2層300—450km震中鄰近區(qū)域電離層擾動(dòng)顯著增強(qiáng),擾動(dòng)增強(qiáng)的中心區(qū)域出現(xiàn)在震中東北部,δ大于0.6,其它區(qū)域沒有如此顯著增強(qiáng).進(jìn)一步研究300—350km高度電離層電子密度變化,這一層擾動(dòng)增強(qiáng)顯著.分析2008年2月12日—5月11日12:00—14:00(地方時(shí))、高度300—350km震前3個(gè)月的電子密度數(shù)據(jù),以15天為間隔,顯示60°—140°E和10°—60°N范圍內(nèi)δ的變化,如圖5所示.計(jì)算結(jié)果表明,4月27日—5月11日相對(duì)于2月12日—4月26日在102°—112°E和34°—42°N范圍內(nèi)δ變化顯著增強(qiáng),說明震前15天在震中東北部區(qū)域電離層存在擾動(dòng)顯著增強(qiáng)現(xiàn)象.2008年4月27日—5月11日太陽(yáng)活動(dòng)處于低水平,地磁場(chǎng)平靜,因此出現(xiàn)的異常變化不太可能是空間活動(dòng)造成的,震中鄰近區(qū)域出現(xiàn)的異?？赡芘c地震活動(dòng)存在一定關(guān)系.震前電離層上空出現(xiàn)的擾動(dòng)隨著高度的變化存在一定差異,可能受到地震孕育過程電磁信號(hào)的傳播特性與地震電離層耦合作用的影響.關(guān)于汶川地震,很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)震前電離層存在電磁擾動(dòng).Zhao等(2008)發(fā)現(xiàn)5月9日武漢臺(tái)、廈門臺(tái)F2層峰值電子密度顯著增強(qiáng),并且5月9日震中上空區(qū)域和對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)電離層總電子含量(TEC)明顯增強(qiáng).Liu(2009)基于地基GPS數(shù)據(jù)研究TEC時(shí)空分布,發(fā)現(xiàn)震前6—4天,地震上空電離層TEC明顯減小;而在震前第3天,地震上空電離層TEC顯著增強(qiáng).Yu等(2009)發(fā)現(xiàn),5月9日地震上空東南部區(qū)域TEC明顯增強(qiáng),同時(shí)在南半球磁力線共軛區(qū)也出現(xiàn)了TEC增強(qiáng)現(xiàn)象.Kakinami等(2010)以COSMIC掩星經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭底鳛楸尘爸?研究發(fā)現(xiàn)汶川震中鄰近區(qū)域在震前第3天出現(xiàn)最大電子密度顯著增強(qiáng)現(xiàn)象.祝芙英等(2009)和Zhou等(2010)發(fā)現(xiàn),汶川地震前4月29日和5月6—7日震中上空垂直方向上的電子含量(VTEC)減小.王武星等(2009)研究中國(guó)大陸地磁場(chǎng)低點(diǎn)位移發(fā)現(xiàn)4月24日和5月9日出現(xiàn)地磁場(chǎng)低點(diǎn)位移異常.本文通過PCA分析方法和空間分布分析,均發(fā)現(xiàn)震前電離層存在異常擾動(dòng).但是在處理分析COSMIC星座GPS掩星獲得的電離層電子密度數(shù)據(jù)中還存在一些問題,比如,每天的掩星事件數(shù)量不夠多,數(shù)據(jù)的精度還有待于進(jìn)一步提高.同時(shí)由于數(shù)據(jù)精度不足,也降低了PCA分析方法的可靠性.地震電離層耦合關(guān)系是復(fù)雜的物理和化學(xué)過程,本文只針對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行了研究分析,對(duì)地震電離層的耦合機(jī)制還有待于更深入的研究.3震前電離層最大電子密度地震與電離層的耦合關(guān)系雖然有很多物理解釋和理論模型,但還需要進(jìn)一步驗(yàn)證.本文獲取COSMIC掩星2級(jí)數(shù)據(jù),基于球諧函數(shù)求解模型值作為地震上空電子密度變化的參考背景,同時(shí)應(yīng)用主成分分析法分析了震前電離層最大電子密度數(shù)據(jù).結(jié)果顯示,震前15天在震中鄰近