用GPS观测数据探测日本9.0级地震的电离层异常*

李施佳 蔡昌盛 付凯斌

(中南大学测绘与国土信息工程系，长沙 410083)

用GPS观测数据探测日本9.0级地震的电离层异常*

李施佳 蔡昌盛 付凯斌

(中南大学测绘与国土信息工程系，长沙 410083)

利用位于日本2011年3月11日9.0级地震区域的三个IGS跟踪站的观测数据，计算得到了地震前后四天的电离层总电子含量(TEC)值。通过分析发现:地震当天出现了明显的电离层TEC扰动异常现象，扰动异常随测站离震源距离的加大而显著减弱;平均电离层TEC在发生地震后的一段时间内显著升高。

地震;电离层;总电子含量;电离层扰动;GPS

1 引言

地震是带有突发性且破坏性最大的自然灾害之一。为探讨地震预报方法，国内外学者在地震电离层方面进行了大量的研究。Akhoondzadeh和Karia等［1，2］对一些地震引起的电离层TEC变化进行了研究;Klimenko等［3］研究了2008年汶川地震发生前的电离层扰动机理;祝芙英等［4］采用电离层TEC拟合后的剩余残差识别出了TEC异常并用该方法探测出了汶川地震前电离层TEC存在显著的异常扰动;吴云等［5］采用统计分析方法对亚洲三次地震前的垂向TEC(VTEC)进行调查，发现在震前十天内孕震区上空的VTEC出现了明显异常扰动。

电离层扰动是指电离层结构偏离其常规形态的急剧变化。电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程和某些人为因素等，都可引起电离层扰动。

关于地震引起电离层扰动，一些学者认为，是地震引起的电磁辐射和声重力波使电离层TEC产生变化(电磁辐射和声重力波传播到电离层时使等离子体电子重新分布，改变了其中的电子密度，从而产生电离层异常［6-8］);另一种观点认为，地震活动所产生的破裂及震动导致了大气电场的改变，尤其是其中垂直电场的改变，将直接导致电离层电子浓度发生变化［9，10］。

本文在以往电离层TEC研究［1-5］的基础上，采用GPS伪距和载波相位观测值联合求解电离层TEC的方法对日本2011年3月11日Mw9.0地震期间电离层TEC异常进行了分析。

2 TEC计算方法

由GPS的双频观测量可以确定两个频率的GPS信号在电离层介质中传播的总时延量之差，在一级近似条件之下，整个射线路径上的电离层的总电子含量TEC可由此时延差求得［11］。

利用GPS双频观测数据中的载波和伪距可以分别进行电离层TEC的计算，但二者各有利弊。载波相位测量中由于含有整周模糊度，故求解得到的TEC值并非绝对TEC值，而是能反映TEC变化的相对值。但载波相位的信噪比大且多路径效应对载波相位的影响较小，所以利用载波相位得到的TEC值的精度比由伪距观测量得到的TEC值的精度高。尽管利用伪距观测值求得的TEC值不够精确，但结果中不含有模糊度参数。故本文联合采用伪距和载波相位观测值的方法，首先通过载波相位观测值求出包含模糊度参数的相对TEC值，然后利用伪距观测值通过一段时间的观测量求出该模糊度，从而得到绝对TEC值［11］。我们在TEC值的计算中没有考虑硬件延迟偏差的影响，这是因为该偏差量在短时间内保持稳定，不影响我们探测电离层TEC的异常。伪距和载波相位观测值计算TEC的方法为:

式中P1、P2为伪距观测值;φ1、φ2为两个频段上的载波相位观测值;λ1、λ2为两个频段上的波长;N1、N2为两个频段上的整周模糊度。

式(2)中所包含的模糊度项可以通过对式(1)与式(2)进行多历元求差取平均获得，其值如式(3)为:

式中，Amb为模糊度项(N1λ1+N2λ2)，n为历元个数。由于伪距观测值噪声较大，利用(3)式计算模糊度需要采用一段时间的观测数据。

将式(3)获得的模糊度值回带到式(2)中便可得到电离层绝对TEC值，

3 计算结果及分析

3.1 数据源

从IGS网站上获得日本9.0级地震期间(2011年3月9—12日)3个IGS测站的GPS观测数据(表1)，数据采样率为30 s。TSKB和TSK2站到震源间距约362千米，DAEJ站到震源的距离为1 441千米。3个测站接收机截止高度角在接收数据时分别设置为10°、10°和5°。

表1 采用的3个IGS测站Tab.1 Used three IGS stations

3.2 计算结果及分析

对3个测站4天(2011年3月9—12日)电离层TEC值的计算发现，地震当天TSKB和TSK2测站在当地时间14:30—16:30时间段存在明显的电离层异常。图1、2给出了TSKB和TSK2测站地震前后四天在该时段电离层TEC的变化。通过观察图1(c)和图2(c)不难发现，地震当天电离层TEC出现了扰动现象，而这种扰动现象在一些卫星上表现得特别明显，如图1(c)和图2(c)中的18号、22号和26号卫星扰动异常非常明显。地震前和地震后的电离层TEC(图1、2的(a)、(b)和(d))没有发现类似的现象。通过对比地震前后和地震当天的电离层TEC变化不难看出，地震造成电离层TEC扰动的持续时间最长不超过2小时。

图3给出了DAEJ测站地震前后四天的电离层TEC随时间的变化。从图3(c)可以看出，21号和26号卫星计算得到的电离层TEC值在15:00—17: 00有轻微的扰动现象。这种轻微的扰动现象在地震前和地震后的相同时间段上并未出现。DAEJ测站在地震当天观察到的这种TEC扰动现象没有前两个测站的明显，原因是测站离震源太远，大部分卫星捕获不到地震造成的TEC异常。

需要说明的是，在计算TEC值的过程中发现部分测站TEC出现了负值，负值的出现主要是忽略硬件延迟偏差的影响所致。对于出现负值的测站，我们将所有四天的TEC值均平移了一个相同的常数。另外，为了避免增加不必要的投影误差，图中所有的TEC值均是斜向TEC，没有投影到天顶方向。为了方便比较，所有分图选择了相同的卫星。

图1 TSKB站地震前后电离层TEC的变化Fig.1 Ionospheric TEC variation at TSKB station before and after the earthquake

图2 TSK2站地震前后电离层TEC的变化Fig.2 Ionospheric TEC variation at TSK2 station before and after the earthquake

由于各颗卫星的高度角和方位不同，因而由不同卫星计算获得的TEC值反映的是不同信号传播路径上的电离层总电子含量，即使卫星信号穿过同一路径，由于硬件延迟偏差的存在，计算获得的TEC也存在明显的差异。因此，单颗卫星获得的TEC值并不能反映该测站位置的真实总电子含量。为了反映测站位置电离层TEC的变化情况，我们利用上述3个测站四天的数据进行了TEC的均值计算，也就是在同一时刻将所有卫星计算的TEC值取平均。图4给出了地震前后四天当地时间从 13:00—20:00电离层TEC的平均值。通过比较发现，在地震当天(2011年3月11日)，当地时间14:00—16: 00这一段时间内TSKB站、TSK2站和DEAJ站TEC平均值都有明显的增加，且超过其他日期相同时间段的TEC平均值。通过对地震前后电离层平均TEC的对比分析，不难看出电离层TEC均值在强震后有较为明显的增加，持续约3个小时。

4 结论

通过对日本Mw9.0级地震期间3个测站观测数据的计算，获得了各颗卫星对应的电离层TEC值。结果显示地震期间电离层TEC出现了扰动现象，距离测站越近，电离层扰动越明显，这种扰动最长持续约2个小时。不同卫星由于所处的高度角和方位角不同，扰动强度有差异。对地震前后四天电离层TEC的平均值的比较发现，强震后一段时间内电离层TEC有明显的上升趋势，电离层TEC的显著增加趋势持续时间约3个小时。

图3 DAEJ站地震前后电离层TEC的变化Fig.3 Ionospheric TEC variation at DAEJ station before and after the earthquake

图4 地震前后电离层TEC平均值的比较Fig.4 Comparision between the mean ionospheric TEC before and after the earthquake

1 Akhoondzadeh M and Saradjian M R.TEC variations analysis concerning Haiti(January 12，2010)and Samoa(September 29，2009)earthquakes［J］.Advances in Space Research，2011，47:94-104.

2 Karia S P and Pathak K N.Change in refractivity of the atmosphere and large variation in TEC associated with some earthquakes observed from GPS receiver［J］.Advances in Space Research，2011，47:867-876.

3 Klimenko M V，et al.Formantion mechanism of great positive TEC disturbances prior to Wenchuan earthquake on May 12，2008［J］.Advances in Space Research，2011，48:488-499.

4 祝芙英，等.汶川Ms8.0地震前电离层TEC异常分析［J］.大地测量与地球动力学，2008，(6):16-21.(Zhu Fuying，et al.Study on ionospheric TEC anomaly prior to Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(6):16-21)

5 吴云，乔学军，周义炎.利用地基GPS探测震前电离层TEC异常［J］.大地测量与地球动力学，2005，(2):36-40.(Wu Yun，Qiao Xuejun and Zhou Yiyan.Preseismic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GPS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2):36-40)

6 Pulinets S A，et al.Quasielectrostatic model of atmospherethermosphere-ionosphere coupling［J］.Advance Space Research，2000，26(8):1 209-1 218.

7 Eftaxias K J，et al.Experience of short term earthquake precursors with VL F-V HF electron magnetic emissions［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2003，(3):217 -228.

8 Afraimovich E L，et al.The shock acoustic waves generated by earthquake［J］.Annales Geophvsicae，2001，19:395-409.

9 Zaslavski Y，Parrot M and Blance E.Analysis of VTEC measurements above active seismic regions［J］.Phys Earth Planet Int.，1998，105:219-228.

10 孟泱，王泽民，鄂栋臣.基于GPS数据的地震前电离层TEC异常研究［J］.武汉大学学报(信息科学版)，2008，33(1):81-84.(MengYang，Wang Zemin and E Dongchen.Ionopsheric TEC anomalies of pre-earthquake based on GPS data［J］.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2008，33(1):81-84)

11 张东和，萧佐.利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测［J］.地球物理学报，2000，43(4):451-458.(Zhang Donghe and Xiao Zuo.A method of calculating TEC with GPS data and its application to the ionospheric disturbances［J］.Chinese Journal of Geophysics，2000，43(4):451 -458)

IONOSPHEREIC ANOMALY DETECTION OF Mw9.0 JAPAN EARTHQUAKE BY USING GPS OBSERVATION DATA

Li Shijia，Cai Changsheng and Fu Kaibin
(Department of Geomatics Engineering，Central South University，Changsha 410083)

By use of the data from three IGS stations located in the area of Mw9.0 Japanese earthquake，the

total ionospheric electronic content(TEC)values in four days before and after the earthquake were obtained.There was an explicit ionospheric disturbance phenomenon on that day by analyzing and comparing the computational results.The TEC disturbance phenomenon can be found from different satellite data，which become insignificant with increased distance between the stations and epicenter.A four-day average TEC values before and after the earthquake are computed.The results indicate a significant increase of mean TEC for a few hours after the earthquake.

earthquake;ionosphere;TEC;ionospheric disturbance;GPS

1671-5942(2012)03-0036-05

2011-12-13

国家自然科学基金(41004011);中南大学前沿研究计划(2009QZZD002);中南大学自由探索计划(201012200086)

李施佳，女，1989年生，硕士研究生，主要从事GNSS精密单点定位方面的研究工作.E-mail:lishijia-1989@163.com

P207;P315.72+8

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