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  武汉大学学报·信息科学版  2015, Vol. 40 Issue (7): 882-886

文章信息

陈鹏, 陈家君
CHEN Peng, CHEN Jiajun
2012-04-11苏门答腊地震同震电离层异常研究
Coseismic Ionospheric Anomaly of Sumatra Earthquake in April 11th, 2012
武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(7): 882-886
Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(7): 882-886
http://dx.doi.org/10.13203/j.whugis20130616

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收稿日期：2013-10-23
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陈鹏, 陈家君. 2012-04-11苏门答腊地震同震电离层异常研究[J]. 武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(7): 882-886.
CHEN Peng, CHEN Jiajun. Coseismic Ionospheric Anomaly of Sumatra Earthquake in April 11th, 2012[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(7): 882-886.
2012-04-11苏门答腊地震同震电离层异常研究
陈鹏1, 陈家君2    
1. 西安科技大学测绘科学与技术学院, 陕西 西安, 710054;
2. 武汉大学测绘学院, 湖北 武汉, 430079
收稿日期:2013-10-23
项目来源：国家自然科学基金资助项目(41404031);大地测量与地球动力学国家重点实验室开放研究基金资助项目(SKLGED2013-4-10-EB);武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室开放研究基金资助项目(13S03);地理空间信息工程国家测绘地理信息局重点实验室开放研究基金资助项目(201318).
第一作者:陈鹏,博士,讲师,研究方向为GNSS电离层反演及异常空间环境下电离层异常分析。E-mail:chenpeng0123@gmail.com
摘要：2012-04-1108:38:37UT和10:43:09UT苏门答腊地区先后发生了M8.6级和M8.2级强烈地震。本文采用震中附近地区9个IGS连续跟踪站的GPS观测数据,对两次地震的同震电离层异常现象进行了探测与分析。结果表明两次地震之后均出现了明显的同震电离层异常现象,异常出现的时间和异常的幅度与距震中的距离有关,异常的最大值约为2 TECU,且震中偏北方向的异常最为显著。根据震中到穿刺点的距离,计算得出两次地震产生的大气声波的传播速度分别为0.73±0.06 km/s和0.69±0.04 km/s,与声波在0~450 km内的平均传播速度一致。
关键词： 地震     同震电离层异常     GPS     STEC    
Coseismic Ionospheric Anomaly of Sumatra Earthquake in April 11th, 2012
CHEN Peng1, CHEN Jiajun2    
1. College of Geomatics, Xi'an University of Science and Technology, Xi'an 710054, China;
2. School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China
First author: CHEN Peng, PhD, lecturer, specializes in GNSS ionospheric inversion and ionospheric anomalies analysis under the abnormal space environment. E-mail: chenpeng0123@gmail.com
Foundation support: The National Natural Science Foundation of China，No.41404031; the State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying Mapping and Remote Sensing Fund, No.13S03; the Key Laboratory of Geo-informatics of State Bureau of Surveying and Mapping Fund, No.201420.
Abstract:April 11, 2012 08:38:37 UT and 10:43:09 UT, M8.6 and M8.2 earthquakes occurred in Sumatra area. Using GPS data, nine IGS continuous tracking stations near the epicenter, the coseismic ionospheric disturbance after two earthquakes were detected and analysed. The results showed that after these two earthquakes, significant coseismic ionospheric anomalies were evident; the occurrence time and amplitude of anomalies were related to the distance from the epicenter;that the maximum anomaly was approximately 2TECU; and the most significant anomalies were in the northern direction. The calculated propagation velocity of sound waves generated by the two earthquakes were 0.73±0.06 km/s and 0.69±0.04 km/s; which was consistent with the average propagation of acoustic velocity within 0~450 km.
Key words: earthquake     coseismic ionospheric anomalies     GPS     STEC    

地震是人类面临的危害最为严重的自然灾害之一，对地震发生机制及地震前后异常现象的研究具有重要的意义[1]。地震过程中地面或海面的垂直运动产生的大气声波向上传播，到达电离层高度后引起电离层电子密度的异常变化的现象称作同震电离层异常CIDs(coseismic ionospheric disturbances)[2, 3]。2009年Astafyeva等研究了1994年Kurile M8.1级地震同震电离层异常现象，发现CIDs出现的时间与距震中的距离存在相关性，且CIDs有两种不同的速度分量[4]。2010年Liu等研究发现1999年台湾Chi-Chi地震同样出现了明显的CIDs[5]。2011年Saito等[6]和Tsugawa等[7]均发现2011年日本“3·11”地震之后短时间内出现了显著的同震电离层异常现象。2013年Cahyadi等研究了2007年Bengkulu Mw8.5级地震和2005年Nias Mw8.6级地震的同震电离层异常，结果表明地震10~16 min之后震中偏北方向出现了显著地电离层扰动，进而得出地震产生的声波的传播速度约为0.7 km/s[8]。2013年Astafyeva等发现CIDs的幅度和持续时间与地震的震级存在明显的正相关关系[9]。2013年蔡华等发现伴随强震的发生，存在明显的同震电离层扰动现象，这种现象持续时间较短，在震后大约10 min达到极值，然后逐渐消失[10]。

2012-04-11 08:38:37 UT和10:43:09 UT苏门答腊地区分别发生了M8.6级(2.31°N，93.06°E)和M8.2级(0.80°N，92.46°E)地震。本文利用震中附近IGS连续跟踪站的GPS观测数据分析两次剧烈地震的同震电离层异常。

1 数据及处理方法

本文采用IGS提供的GPS原始观测数据，采用GPS双频相位观测值即可获得信号传播路径上的总电子含量STECφ，非常适合进行CIDs探测。利用GPS双频相位观测值计算STECφ的公式可参见相关文献[11]。

GPS卫星的运行轨道较为平滑，同一个地面跟踪站对相同卫星连续跟踪过程中获得的TEC在电离层平静情况下变化也应较为平滑，而将地震之后短时间内电离层TEC的波动认为是由于地震引起的同震电离层异常。

本文在数据处理时采用单层电离层的假设，将接收机和卫星连线与该薄层的交点称作电离层穿刺点IPP(ionospheric pierce point)，将IPP在地面上的投影点称作层下点SIP(sub-ionospheric point)。
利用得到的CIDs时IPP的坐标，根据CIDs出现的时间和震中到IPP的距离即可计算地震产生的大气声波的传播速度。

2 结果分析

本文对GPS数据获得的STECφ进行探测，找出CIDs发生的时刻并计算地震产生的大气声波的传播速度。每个地面跟踪站可以同时对多颗卫星进行观测，对应的电离层IPP分布于跟踪站的各个方向，但当大气声波传播到电离层高度时只有少数卫星的IPP刚好经过震中附近地区，因此,只有少数的卫星能够探测到CIDs。

2.1 M8.6级地震(08:38:37UT)

表 1给出了8个跟踪站得到的PRN16和PRN32卫星CIDs出现时刻、穿刺点坐标和CIDs出现时刻SIP到震中的距离以及对应的大气声波的平均传播速度。由表 1可知，不同跟踪站计算得到的大气声波的传播速度为0.66~0.84 km/s，平均值为0.73 km/s，标准差为0.06 km/s。

表 1 M8.6级地震同震电离层异常探测结果表 Tab. 1 The Coseismic Ionospheric Anomaly Detection Results of M8.6 Earthquake
点名 时刻(UT) PRN 纬度/(o) 经度/(o) 距离/(km) 速度/(km·s-1)
psmk 08:50:30 32 2.459 6 95.205 2 238.57 0.75
ptlo 08:50:30 32 2.501 9 95.575 279.88 0.78
pbli 08:51:30 32 4.526 1 94.869 317.56 0.74
umlh 08:52:00 16 5.122 94.849 7 370.13 0.75
bthl 08:52:00 32 2.964 7 95.106 6 238.35 0.66
pbjo 08:52:00 32 1.919 4 95.785 1 305.60 0.71
biti 08:52:30 32 3.395 3 95.212 7 267.45 0.66
umlh 08:52:30 32 6.888 93.085 9 508.95 0.84
表选项

图 1给出了M8.6级地震同震电离层异常分布图，图中★为M8.6级地震的震中，▲为IGS连续跟踪站，蓝色曲线为08:30~09:30UT PRN32卫星与psmk、ptlo、pbli、bthl、pbjo、biti和umlh等7个跟踪站SIP的轨迹，绿色曲线为相同时间内PRN16卫星和umlh跟踪站SIP的轨迹，☆为出现CIDs时SIP的位置。由于此次地震的震级较高，CIDs发生时SIP到震中的距离超过了200 km，最大的umlh站超过508 km。

图 1 M8.6级地震同震电离层异常分布图 Fig. 1 Distribution Map of Coseismic Ionospheric Anomaly After M8.6 Earthquake
图选项

图 2给出了08:30~09:30UT内利用双频相位观测值计算得到的震中附近9个IGS连续跟踪站PRN32卫星电离层STEC时间序列图。由图 2可知，电离层平静期STEC的变化非常平滑且各个跟踪站的STEC变化趋势一致而当地震波传播到电离层高度时则使电离层产生了波动，之后又逐步恢复正常。psmk、ptlo、pbli、bthl、pbjo、biti和umlh等7个跟踪站在地震发生10~13 min后出现了明显的电离层异常现象，其中umlh和pbli的异常现象最为显著，异常出现的位置到震中的距离分别为508.95 km和317.56 km，异常的幅度分别为2TECU和1TECU，而距离震中最远的pski站则没有表现出明显的异常现象。

图 2 8个地面跟踪站与PRN32的STEC时间序列图 Fig. 2 STEC Time Sequence of 8 Ground Tracking Stations and PRN32
图选项

此外，结果表明发生CIDs时SIP距震中最远的umlh站，声波的传播速度明显高于其他各个跟踪站，且异常的幅度也是各个跟踪站中最大的，可初步认为震中偏北方向的CIDs更为强烈。

图 3给出了08:30~09:30 UT内9个IGS连续跟踪站PRN16卫星电离层STEC时间序列图。地震产生的大气声波造成了umlh站在地震发生之后出现了明显的电离层异常现象，到震中的距离为370.13 km，异常的幅度为2TECU。其他跟踪站由于距离震中的距离相对较远，异常不明显。

图 3 8个地面跟踪站与PRN16的STEC时间序列图 Fig. 3 STEC Time Sequence of 8 Ground Tracking Stations and PRN16
图选项
2.2 M8.2级地震(10:43:09UT)

表 2给出了9个跟踪站得到的PRN20和PRN32卫星CIDs出现时刻、穿刺点坐标和CIDs出现时SIP到震中的距离，以及大气声波的传播速度。不同跟踪站计算得到的波的传播速度为0.64~0.78 km/s，平均值为0.69 km/s，标准差为0.04 km/s。

表 2 M8.2级地震同震电离层异常探测结果表 Tab. 2 The Coseismic Ionospheric Anomaly Detection Results of M8.2 Earthquake
点名 时刻/(UT) PRN 纬度/(°) 经度/(°) 距离/km 速度/(km·s-1)
umlh 10:55:00 32 1.861 8 93.580 1 171.20 0.70
biti 10:55:30 20 -0.481 9 93.583 5 189.48 0.68
pbli 10:55:30 20 0.632 4 93.210 3 85.20 0.64
umlh 10:55:30 20 3.141 1 91.388 6 286.19 0.74
bthl 10:56:00 20 -0.961 2 93.516 2 228.37 0.68
psmk 10:57:00 20 -1.604 7 93.666 5 299.20 0.67
ptlo 10:57:00 20 -1.584 3 94.016 1 316.59 0.68
pbjo 10:57:30 20 -2.137 6 94.231 3 381.43 0.70
pski 10:58:30 20 -2.676 4 95.777 6 534.19 0.78
msai 11:00:30 20 -2.916 7 94.755 9 485.74 0.65
表选项

图 4给出了电离层异常位置分布图，图中★为M8.2级地震震中，▲为IGS连续跟踪站，蓝色曲线为10:30~11:30UT PRN20卫星与9个跟踪站SIP的轨迹，绿色曲线为相同时间内PRN32卫星和umlh站SIP的轨迹，☆为出现电离层扰动时SIP的位置。地震引起的大气声波传播的范围较大，出现CIDs时SIP距震中85.20~534.19 km。

图 4 M8.2级地震同震电离层异常探测结果图 Fig. 4 The Coseismic Ionospheric Anomaly Detection Results of M8.2 Earthquake
图选项

图 5给出了PRN20卫星STEC时间序列图。由图可知，当地震产生的大气声波传播到电离层高度之后破坏了STEC平稳变化的趋势，出现了异常的扰动，异常的大小与到震中的距离有关。umlh站异常的幅度最大，超过了2TECU，ptlo、psmk、pbli、bthl和biti等站也出现了明显的异常现象，STEC首先表现为异常的增大，然后快速降低，此后逐步恢复到正常状态。距离震中较远的pski、pbjo和msai等3个站异常的幅度较小。

图 5 地面跟踪站得到的PRN20卫星STEC时间序列图 Fig. 5 The STEC Time Sequence Diagram from Ground Tracking Station and PRN20
图选项

图 6给出了PRN32卫星STEC时间序列图。由图 6可知，在地震发生之前和地震发生10 min之内，STEC变化非常平滑且各个站的STEC均近似表现为线性增长。随着地震产生的大气声波传播到电离层高度，各个站产生了不同幅度的异常，umlh异常的幅度最大，接近1TECU，而其他各个站受地震的影响较小。

图 6 地面跟踪站计算得到的PRN32卫星STEC时间序列图 Fig. 6 The STEC Time Sequence Diagram from Ground Tracking Station and PRN32
图选项
3 结 语

本文研究了2012-04-11苏门答腊地区两次M8.0+强烈地震同震电离层异常现象，结果表明地震发生之后10~13 min后震中附近出现了明显的电离层异常现象。

地震产生的声波从地面到电离层高度处传播的速度分别为0.73±0.06 km/s和0.69±0.04 km/s，与声波在0~450 km以内的传播的平均速度0.71 km/s非常接近，表明了CIDs很可能是由地震产生的声波向上传播到电离层高度引起的。

umlh站的SIP始终位于震中的偏北方向，SIP到震中的距离较远，但异常的幅度却明显高于其他跟踪站，结果初步表明,这两次地震后CIDs异常在偏北方向更为明显。

参考文献
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