印尼苏门答腊南部地区地震对电离层的响应

印尼苏门答腊南部地区地震对电离层的响应

自从1968年阿拉斯加大地震发生以来，leonard和barna发现了电离层扰动。地震前，电离层的异常现象引起了国内外学者的关注，并取得了许多科学研究成果。然而这些研究工作大多是利用地基GPS观测数据进行的,而地基GPS测量受自然条件的限制,有其地域的局限性,使得科学家们无法实施大范围的观测。因此,利用GPS掩星技术探测地震电离层效应的方法凭借其高精度、全球覆盖和低成本的优点吸引了许多研究者的目光。Liu等分析了台湾地区GPS观测网所观测的TEC数据,研究发现在地震发生前的几天里,电离层TEC值以及电离层F2层的临界频率f0F2出现异常。由此文献探讨了GPS无线电掩星技术在地震电离层异常研究中的可行性。本文通过人工神经网络对COSMIC星座GPS掩星系统所获得的电离层电子密度观测数据的研究,分析2009年9月30日印尼苏门答腊南部发生的7.7级地震前后其震区上空是否存在电离层的显著异常变化。COSMIC星座由6颗低轨道小卫星组成,于2006年4月15日发射升空。初期轨道高度约为400km,最终轨道高度为800km。每颗卫星都拥有各自的绕地轨道,其轨道倾角为72°,并各携带一台GPS接收机。目前COSMIC掩星观测星座每天可以提供大约2000多个电离层掩星观测剖面,每隔100min就能够覆盖一次全球,为研究地震电离层响应提供了大量宝贵的数据。1天气形势变化本文所采用的方法选取以地震发生地带为中心,经度跨度为70°、纬度跨度为50°的矩形框,这个区域基本覆盖了地震对其上空电离层引起的变化的范围。选取时间为从地震发生前20d到地震发生后5d(即从2009年9月11日～2009年10月4日)。从COSMIC每天公布的数据中挑选出符合该空间范围的电离层F2层最大电子密度NmF2、发生时刻(采用世界时)、以及经度和纬度。比较引人注意的是在地震发生前后两天所观测的掩星数据明显减少,有可能涉及地震电离层掩星观测的天线设计指标和天线安装问题。由于每天观测的掩星数据具有不同的时间和经纬度的分布状态,也就是说,某一天内的掩星观测数据可能集中分布于当日的日间时段或夜间时段,而太阳辐射的变化可直接导致电离层电子密度时间、空间分布的变化。因此,本文经过对掩星数据的仔细分析以及在考虑到地震发生时刻为当地时间18点之后,将选取世界时日间6～12点(即当地时间日间12～18点)这段时间内的掩星观测数据作为分析数据进行处理。2震区高空电离层的异常扰动载荷针对掩星数据的时间和经纬度方面的分布不是非常的均匀,本文将地震发生前5～20d的掩星数据作为正常时刻数据组,也就是非地震时刻的一般状态下,震区上空的电离层F2层最大电子密度NmF2的数值状态;同时把地震发生当天到地震发生前1～5d作为地震发生前,容易造成地震电离层响应掩星数据作为异常数据组,也就是地震发生前的震区上空电离层F2层最大电子密度NmF2的电离层状态。而后利用人工神经网络技术进行内插,得到这个地区电离层参数在地震前后的状态,比较地震前第5d～第20d的电离层参数值和地震前5d内的电离层参数值,检验地震前其震区上空电离层是否存在异常扰动。人工神经网络技术是一种强非线性的数据处理技术,本文采用的是BP神经网络,也就是Back-Propagation(反向传播)神经网络。BP神经网络最初应用于函数逼近、模式识别、分类、数据压缩等领域,现在已经扩展到控制、预测、组合优化等方面。本文选取的改进型BP神经网络,输入层3个神经元、隐层20个神经元、输出层2个神经元组成。分别将正常组和异常组作为输入样本集对网络进行训练。即对网络的权值和阈值进行学习和调整,使网络实现给定的输入输出映射关系。其学习过程包括正向和反向传播两个过程。当有信息向网络输入时,信息首先由输入层传至隐层节点,经特性函数作用后,再传至下一隐层,直到最终传至输出层进行输出,期间每经过一层都要由相应的特性函数进行变换。图1所示为一典型的单隐层节点的BP神经网络。3电离层电子密度剖面数据分析2009年9月30日18时16分(北京时间),在印尼苏门答腊南部地区(震中位于南纬0.8°,东经99.8°)发生了7.7级地震。分析中数据选取的空间范围为-30°～30°N,60°～135°E,时间范围为2009年9月11日～2009年9月30日。查询地震目录和参考中国气象局空间天气预警中心的电离层报告,在本例所选定的范围内,在本次地震前没有地震发生,由图2可知地磁KP指数值始终在4以下,9月份这段时间地磁活动评价,空间天气未出现大范围的异常,而且也没有出现明显的磁暴活动,震区上空电离层活动水平低。由此可以推断,若震区上空电离层存在异常扰动,则很有可能是地震活动引起的。图3显示的是印尼苏门答腊南部地区地震发生前20天(9月11日)到发生当天(9月30日),经过有效范围内的COSMIC掩星事件提供的电离层电子密度剖面数据分布图,其中黑色实心圆点为9月11日～9月25日的COSMIC掩星事件提供的电离层电子密度剖面数据分布状况,蓝色空心方点则代表的是9月26日～9月30日COSMIC掩星事件提供的电离层电子密度剖面数据分布情况,红色五角星处为震中位置。以COSMIC掩星事件提供的NmF2作为输入值,利用人工神经网络分别对地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d内(9月26日～9月30日)在1.5°×1.5°(经度×纬度)的网格分辨率上进行插值运算,经过改进型BP神经网络分别得到地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d内(9月26日～9月30日)的地震区域上空电离层F2层峰值电子密度的插值分布情况(如图4、图5),图6为地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d内(9月26日～9月30日)地震区域上空电离层F2层最大电子密度之差,图7为地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d内(9月26日～9月30日)地震区域上空电离层F2层最大电子密度的相对偏差。图4、图5、图6、图7中五角星位置为震中位置。通过对比可以看出,地震前5～20d(9月11日～9月25日)震中附近上空的电离层F2层电子密度峰值较高,而地震前5d内(9月26日～9月30日)的地震区域上空电离层F2层电子密度峰值已有了明显的下降。从图6、图7中可以看出,震中附近的NmF2在地震发生前5d内(9月26日～9月30日)明显下降,在-10°～10°N、90°～110°E地理范围内,NmF2下降了约4×105el/cm3。与地震前5～20d(9月11日～9月25日)相比较,地震发生前5d内(9月26日～9月30日)震中附近上空区域的NmF2降低了约40%。经过以上分析可以看到:以地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d内(9月26日～9月30日)震区上空电离层F2层最大电子密度NmF2为正常时状态,在地震前5d内,地震区域上空出现了明显的电离层扰动,电离层F2层最大电子密度NmF2呈现出负异常的特征明显。利用COSMIC掩星观测数据提取NmF2,通过人工神经网络进行数据插值,分析地震前5d内与地震前5～20d(参考时期)内NmF2的相对变化,可以获取地震前电离层异常扰动的特征。通过人工神经网络插值技术,利用GPS无线电掩星观测研究震前电离层扰动现象是地震预测研究中的一次尝试,在地震短临预报工作中具有一定的应用前景。4实施人工神经网络技术的可行性一般认为,在地震的孕震期、临震期、主震和余震中,形变和电磁等地球物理场都要发生不同程度的变化,而在本文中主要考虑的是地震孕震期和临震期对其上空电离层参数的影响。印尼苏门答腊南部地区地震前后,震区上空电离层电子密度存在明显的负异常扰动,异常扰动发生在地震前5d内,然而地磁KP指数以及太阳辐射在这期间并无大的变化。因此,地震发生区域上空的电离层参数在震前所产生的变化极有可能是由于地震活动而导致的,这也说明了