汶川ms80地震前电离层电子密度变化

汶川ms80地震前电离层电子密度变化

地震反演与地震勘探云表示系统（colt-key-meteoron）由六个相同的微卫星组成。每组卫星包括gps接收机、小型电离层光度计（tip）和三段星信息仪（tri-束缚）等科学勘探仪。这六个卫星分布在大约800公里的轨道高度上，倾角为72，相邻卫星轨道平面之间的闭合角度为30。通过接收gps卫星l段的信号，科奇卫星可以计算电离层通信过程中相位的振幅。利用反演技术，可以计算波前电离层的波前电离层的异常程度。在这项研究中，许多科学家提供了地震电离层耦合机和地震电离层异常的研究方法（fenoilo等人，1995；shen；duetal，2002；pulms（2004），本文从近地表过程、电离层d效应、e层效应和磁层效应四个方面探讨了地震电离层的物理模型。hayakawa等人（2004）提出了两种地震电离层电子显微镜下的d效应、e层效应和磁层效应等方面探讨了地震电离层耦合的物理模型。freud等人（2004）根据实验室岩石实验的基础提出了离子空穴运行假设模型。然而，与地震相关的各种电离作用效应的机制目前还没有统一的解释。在本研究中，基于上述地震透射现象，利用云杉星gps传播的电子层电子密度数据，研究了川地震前后电子密度的显著变化。基于12阶次球氟子层函数的最小二乘模拟值，规划了电离层模型的电离模型，为研究地震前后电子密度的变化提供了基础依据。同时，利用主成分分析法研究了中心附近最大电子密度的各个方面的能量份额随时间的推移而变化。1数据分析的方法1.1数据分离和相关分析主成分分析法(principalcomponentanalysis,简写为PCA)(Xu,2004;Zhao,Wan,2005)是将多个变量通过线性变换重新组合成一组新的线性无关的变量,同时根据分析的需求选取前几个变量反映原来变量信息的一种多元统计方法.PCA方法可以有效地分离原始数据信号,剔除噪音和冗余.因此本文使用PCA方法分离可能与太阳活动和地磁活动相关的信号,进而考察可能与地震活动相关的信号.1.2模型估计误差本文采用12阶次球谐函数拟合电离层模型.首先,设计网格划分,网格大小按2°×2°分割成一定数量的网格(如果网格内有多个即值取均值);然后,基于12阶次球谐函数(袁运斌,欧吉坤,2002;章红平,2006):式中,anm和bnm为待估系数,Pnm(cosθ)为缔合勒让德函数,λ为经度,θ为余纬,n=12,共有待估系数169个,使用最小二乘拟合法计算球谐系数;最后,计算设计区域模型值,再以模型值作为背景依据,计算δ,δ=(x0-xm)/xm(x0表示观测值,xm表示模型值),以估算模型误差的影响;以2011年1月1—15日为例,这段时间地磁场平静,太阳活动水平很低,计算得到平均误差为0.17,最大误差为0.42,最小误差接近于0,误差数据为83.3%,分布在0—0.20区间内.2数据处理的结果2.1日性关系和日际形态模型2008年5月12日14时28分(地方时)四川省汶川地区发生MS8.0地震,震中位于103.4°E、31°N,震源深度约14km.本文使用COSMIC掩星2级数据,应用PCA方法及最小二乘拟合法拟合设计区域电离层模型,尝试探测汶川地震震前电离层扰动.应用PCA方法选取2008年3月1日—5月14日地方时最大电子密度数据.首先,网格设计为经度98°—108°E和纬度26°—36°N,网格大小5°×5°,分割成4个网格,即Y1,Y2,Y3和Y4,如图1所示.然后,每个网格内3月1日—5月14日数据以15天为间隔,分割成5个时段,再以3小时为间隔将每段数据分割成8个时段,每个时段如果有多个值则取均值,共计40个点,每个数据点为3h间隔的时均值,按时间序列表示为从而得到矩阵最后,计算Y的主成分信号,显示时间分割点的各主成分能量百分比变化.模型建立选取2008年4月27日—5月11日12:00—14:00(地方时)、200—500km高度电子密度数据,以50km分层拟合模型计算δ.δ局部显示60°—140°E和10°—60°N,掩星事件分布如图2所示.同时选取2008年2月12日—5月11日12:00—14:00(地方时)、300—350km高度电子密度数据拟合模型计算δ.通常情况影响电离层的因素包括很多方面:一是太阳活动性,包括太阳电磁辐射、太阳黑子数、耀斑等;第二是地磁活动水平,地磁活动引起的电离层扰动一般具有全球性;此外,一些火山、地震活动也会引起电离层扰动(Duetal,2008;刘立波等,2011;尼鲁帕尔·买买吐孙,张永仙,2012).对2008年3月1日—5月14日(地方时)最大电子密度数据整理后进行主成分分析,数据整理后得到时间分割点的各主成分能量百分比变化如图3所示,图中横坐标表示日期,纵坐标表示各主成分能量百分比.由图3可看出第一主成分能量百分比绝大部分占据60%以上,第二主成分能量百分比绝大部分占据10%—20%,第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和稳定在80%左右,认为可能包含着太阳活动和地磁活动的相关信息.第三主成分能量百分比在10%左右,可能包含着局部的扰动信息,包括孕震区产生电磁辐射引起电离层扰动等.其它主成分能量百分比占据比例非常小,可能反映随机的微扰动信息,本文只针对前3个主成分讨论.各主成分所占能量百分比随时间变化发生波动.4月15日—29日19:00—24:00(地方时)时间段第一、第二主成分能量百分比明显降低,第三主成分能量百分比显著增加.在其它时间段第一主成分和第二主成分所占能量百分比之和稳定在80%左右.考察空间活动水平,这段时间太阳活动处于低水平,无强烈磁场扰动,可以排除空间活动的影响,说明4月15—29日19:00—24:00(地方时)这段时间震中周围发生了局部的电磁扰动.震前第三主成分的明显增加可能是地震孕育的一种体现.2.3震前f层电离层扰动特征目前关于背景场计算和地震异常判断的方法有很多种.Chun等(2009)使用COSMIC掩星数据,以震前6—20天数据作为背景值,以震前5天数据作为考察值;Kakinami等(2010)以COSMIC掩星经验模型值作为背景值,以观测值作为考察值.本文选择基于球谐函数计算的模型值作为背景值,以观测值作为考察值,使用最小二乘数据拟合法计算得到模型值,然后再计算δ.δ主要分布在0—0.2区间,少数分布在0.2—0.4区间.这段范围可能由模型误差引起,不作为判断电离层扰动的依据.研究2008年4月27日—5月11日12:00—14:00(地方时)、高度200—500km的电子密度数据,以50km间隔分割成6层,显示经度60°—140°E和纬度10°—60°N范围内δ变化如图4所示.计算结果表明,震前F2层300—450km震中邻近区域电离层扰动显著增强,扰动增强的中心区域出现在震中东北部,δ大于0.6,其它区域没有如此显著增强.进一步研究300—350km高度电离层电子密度变化,这一层扰动增强显著.分析2008年2月12日—5月11日12:00—14:00(地方时)、高度300—350km震前3个月的电子密度数据,以15天为间隔,显示60°—140°E和10°—60°N范围内δ的变化,如图5所示.计算结果表明,4月27日—5月11日相对于2月12日—4月26日在102°—112°E和34°—42°N范围内δ变化显著增强,说明震前15天在震中东北部区域电离层存在扰动显著增强现象.2008年4月27日—5月11日太阳活动处于低水平,地磁场平静,因此出现的异常变化不太可能是空间活动造成的,震中邻近区域出现的异常可能与地震活动存在一定关系.震前电离层上空出现的扰动随着高度的变化存在一定差异,可能受到地震孕育过程电磁信号的传播特性与地震电离层耦合作用的影响.关于汶川地震,很多学者研究发现震前电离层存在电磁扰动.Zhao等(2008)发现5月9日武汉台、厦门台F2层峰值电子密度显著增强,并且5月9日震中上空区域和对应的磁共轭区电离层总电子含量(TEC)明显增强.Liu(2009)基于地基GPS数据研究TEC时空分布,发现震前6—4天,地震上空电离层TEC明显减小;而在震前第3天,地震上空电离层TEC显著增强.Yu等(2009)发现,5月9日地震上空东南部区域TEC明显增强,同时在南半球磁力线共轭区也出现了TEC增强现象.Kakinami等(2010)以COSMIC掩星经验模型值作为背景值,研究发现汶川震中邻近区域在震前第3天出现最大电子密度显著增强现象.祝芙英等(2009)和Zhou等(2010)发现,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电子含量(VTEC)减小.王武星等(2009)研究中国大陆地磁场低点位移发现4月24日和5月9日出现地磁场低点位移异常.本文通过PCA分析方法和空间分布分析,均发现震前电离层存在异常扰动.但是在处理分析COSMIC星座GPS掩星获得的电离层电子密度数据中还存在一些问题,比如,每天的掩星事件数量不够多,数据的精度还有待于进一步提高.同时由于数据精度不足,也降低了PCA分析方法的可靠性.地震电离层耦合关系是复杂的物理和化学过程,本文只针对现象进行了研究分析,对地震电离层的耦合机制还有待于更深入的研究.3震前电离层最大电子密度地震与电离层的耦合关系虽然有很多物理解释和理论模型,但还需要进一步验证.本文获取COSMIC掩星2级数据,基于球谐函数求解模型值作为地震上空电子密度变化的参考背景,同时应用主成分分析法分析了震前电离层最大电子密度数据.结果显示,震前15天在震中邻近