长期以来，学者们一直致力于地震监测预报的研究。近年来，震前电离层异常现象及地震电离层耦合机制的研究成为地震前兆的研究热点之一^{[1, 2, 3, 4, 5]}。文献[2]首次利用电离层总电子含量(total electron content，TEC)研究台湾集集地震震前电离层扰动，发现震前1、3、4天孕震区上空TEC显著减小^[2]。此后，许多利用TEC(VTEC)探测地震电离层异常信号的研究，均表明存在与地震密切相关的电离层异常扰动现象。文献[3]在分析了1999~2002年台湾地区Ms 5.0级以上的地震后，发现80%的震例在震前1~5 d TEC有明显的负异常现象；文献[4]分析了印尼地区1993~2002年间所有M≥5.9级地震，均发现震前2~7 d TEC值减少；文献[5]统计研究了2002~2010年间全球736个M≥6.0级地震，证实了震前TEC的异常变化很可能与地震有关。此外，地震电离层耦合的物理机制仍在探讨之中^[6]，其中，孕震区内异常电场引起的等离子体重新分布很可能是TEC异常扰动的主要原因。

2013-04-20-T00:00:02UTC，四川省芦山县发生Ms 7.0级地震，地震震中位于(30.3°N，103.0°E)，震源深度13 km。本文利用全球电离层地图(global ionosphere map,GIM)研究芦山地震前后电离层变化的特征，分析了2013年4月5日~22日震中附近上空垂直电子含量(vertical total electron content,VTEC)及其梯度的变化，对比分析了2008~2012年该时段震中上空VTEC值的变化。最后，本文分析了对电场变化敏感的电离层赤道异常现象，并对芦山地震电离层耦合机制进行了初步探讨。

本文采用IGS网站提供的IONEX格式的VTEC格网数据，该数据是通过全球分布的IGS基准站观测资料计算得到的，时间分辨率为2 h，经度间隔为5°，纬度间隔为2.5°，单位为0.1 TECU(1 TECU= 10¹⁶/m²)，本文中VTEC均以1 TECU为单位，时间均为UTC。选择芦山地震震中附近的格网点，并采用双三次样条函数对VTEC值进行内插，得到时间分辨率为15 min的数据，详细分析地震前后18 d(4月5日~22日)震中附近上空电离层VTEC的变化。根据文献[7]提出的孕震区半径公式R=10^0.43M(M代表震级，R代表孕震区半径，单位为km)，芦山地震孕震区半径约为1 023 km。因此，GIM的空间分辨率可以满足芦山地震电离层异常扰动分析的需求。

为了识别电离层VTEC变化中的异常信号，本文采用滑动四分位距法^[3]进行分析。在分析每一个时刻的VTEC时，取其前15 d相同时刻的VTEC值求取相应的四分位距(IQR)及中位数(M)，建立上下边界值M±1.5IQR，当该时刻的VTEC值超出上或下边界时，该VTEC值视为异常。在统计学中，1.5倍的四分位距约为2倍的标准差，因此，上述方法的置信度约为95%。在每天的分析中，当VTEC值连续超出相应的上或下边界的时长至少2 h时，该天视为出现电离层异常现象^[3]。

太阳活动、磁暴及空间天气的变化都会引起电离层的扰动，因此，综合考虑分析地震前后一段时间内空间环境变化对研究地震电离层扰动是必要的。根据中国科学院空间环境研究预报中心发布的2013年4月份的太阳及地磁活动情况，4月5、11、12、22日太阳分别爆发了一个M级耀斑，太阳活动水平中等到高，其余时间太阳活动水平低；除4月14日地磁微扰，其余时间内地磁场平静(见图 1)。

图 1 Dst指数及Kp指数变化图 Fig. 1 Variations of Dst Indices and Kp Indices

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图 2给出了距离震中最近格网点(30°N，105°E)上空电离层VTEC的时间序列图，其中，黑色实线为VTEC观测值，灰色虚线为边界线，黑色及灰色填充部分分别表示VTEC值超出下边界及上边界的值，黑色竖线代表地震发生时刻。由图 3可知，4月5~8日的VTEC值明显增大，并且出现正异常现象；4月15~16日、4月18~20日的VTEC值明显减小，且在4月18~20日出现了负异常现象。为了进一步分析震中附近上空电离层VTEC变化，图 3给出了震中西部格网点(30°N，100°E)上空电离层VTEC的时间序列图。由图 3可知，该格网点上空VTEC值的变化与图 2基本一致。结合该段时间内的空间环境情况分析，4月5日太阳爆发了M级耀斑，该天的VTEC正异常现象很可能与太阳活动有关；而4月6~8日，4月18~20日期间太阳及地磁活动平静，出现的VTEC异常现象基本可以排除太阳及地磁活动增强对电离层的影响。

图 2 格网点(30°N，105°E)上VTEC值的变化 Fig. 2 VTEC Variations over (30°N, 105°E)

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图 3 格网点(30°N，100°E)上VTEC值的变化 Fig. 3 VTEC Variations over (30°N, 100°E)

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此外，本文计算并分析了震中最近格网点上VTEC的东向及北向梯度，如图 4所示，图 4中，y轴单位为TECU/15°。由图 4可知，VTEC的东向及北向梯度均没有出现明显的异常现象，但北向梯度的变化趋势与图 2、3中VTEC观测值的变化趋势较为相似，4月5~7日呈增大趋势，4月14~15日、4月18~20日呈减小趋势。VTEC梯度值能够提取VTEC的区域变化(如地震的影响)，从而减弱或排除VTEC全球变化的影响^{[8, 9]}。图 4中，VTEC北向梯度的变化与图 2、3中VTEC观测值的变化趋势相似，表明了北向梯度可以反映该段时间内VTEC的整体变化趋势，与文献[9]的研究结果基本一致，确认了图 2、3中VTEC异常变化的可靠性。

图 4 VTEC梯度值变化图 Fig. 4 Variations of VTEC Gradients

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为了进一步判断电离层异常现象是否与芦山地震相关，本文对比分析了2008~2012年相同时间段VTEC的变化。图 5统计了2008~2013年4月5~22日期间，VTEC异常天数及异常超出上下边界线的最大值情况(灰、黑色分别代表正、负异常值)。由图 5可知，2013年4月18~20日出现的负异常现象，在2008~2012年5 a中均没有出现，表明了该负异常现象很可能与地震相关。在2010~2012年相同时间段出现了与2013年4月5~8日相似的正异常现象，查阅了该时间段的空间环境，除2010年4月5~6日及2011年4月6日地磁活动增强，其余时间太阳及地磁活动平静，因此,该正异常现象产生的原因还需进行深入讨论。

图 5 2008~2013年异常天数统计图 Fig. 5 Anomaly Days During 2008 to 2013

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综合上述分析，2013年4月18~20日芦山地震震中附近上空电离层VTEC负异常现象很可能与地震相关。

在磁赤道南北15°~20°的地方，电离层F₂层峰值电子密度出现两个极大值，该现象称为赤道异常。为探讨芦山地震电离层VTEC异常的物理机制，本文分析了105°E上的赤道异常值大小及其空间分布的变化。赤道异常的最大值通常出现在下午，因此，选择当地时间14时的赤道异常变化进行分析。图 6给出了14LT时105°E上VTEC的大小及空间分布随地磁纬度的变化，实线代表VTEC观测值，灰色点线代表前15 d该时刻VTEC的中值，灰色虚线代表 4月份该时刻VTEC的月中值，箭头代表震中地磁纬度的位置。由图 6可知，赤道异常峰值在4月15~16日、4月18~20日明显减小，与§2.2 VTEC变化一致；在4月15、16、18及20日，赤道异常的形状出现异常变化，峰值与谷值之间变化较为平缓，且峰值的位置更靠近磁赤道。

图 6 105°E上VTEC的变化 Fig. 6 Variations of VTEC in 105°E

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文献[10]对2001~2007年中国台湾地区150个M≥5.0的地震前后电离层TEC的赤道异常进行统计分析，结果表明，地震前几天时间内震源附近经度上的赤道异常峰值显著靠近磁赤道方向，而震前大气电场的减弱可能是导致该异常变化的主要原因。文献[11, 12]对2004年12月26日的印尼地震及2005年12月26日的秘鲁地震震前赤道异常现象进行研究，均发现震前几天赤道异常的异常变化，震源附近上空的异常电场可能是导致该异常现象的原因。文献[13]利用105°E上14LT的GIM数据，对汶川地震前后电离层赤道异常现象的变化进行分析，发现主震当天赤道异常峰值最小，且主震前后一段时间内，赤道异常峰值位置向磁赤道方向移动，该异常现象可能是由于电场的异常变化引起的。赤道异常是扩散作用和电动力推升的共同结果，对电场的变化敏感。结合学者们的研究结果及芦山地震电离层赤道异常变化与汶川地震电离层赤道异常变化相似的现象，可知芦山地震孕震区内电场的变化很可能是震源上空电离层VTEC异常变化的主要原因之一。

文献[14]提出，强震前孕震区内产生纬向电场，使F₂层等离子体垂直运动，从而导致孕震区上空电离层TEC出现异常变化。在中纬度地区，震前孕震区内产生的东向电场使等离子体垂直向上运动，转移到O₂和N₂分子密度较低的区域，从而使F₂层O⁺离子消失率降低，电子密度增加，赤道异常现象增强；反之，西向电场则会使电子密度降低，赤道异常现象减弱。中低纬度强震前电离层TEC及赤道异常的变化较好地验证了该地震电离层耦合机制。该耦合机制也可用来解释芦山地震震中附近上空VTEC观测值出现的负异常现象，且验证了孕震区内电场的变化很可能是芦山地震震源上空电离层VTEC异常变化的主要原因之一。

本文利用GIM提供的VTEC数据对芦山地震前后电离层的异常变化特征进行了分析。研究表明，2013年4月18~20日震源附近上空出现了明显的负异常现象。通过分析相关的VTEC东向及北向梯度变化，发现北向梯度的变化与VTEC观测值变化基本一致。为了更好地判断地震与电离层异常的相关性，本文采用相同方法分析了2008~2012年该时间段内VTEC的变化情况，结果证实了负异常现象只发生在芦山地震期间。综合空间环境进行分析，本文认为2013年4月18~20日出现的电离层负异常现象很有可能与芦山地震相关。

此外，本文通过分析105°E上赤道异常的变化，初步讨论了可能引发电离层异常的物理机制。结果表明，赤道异常峰值在4月15~16日、18~20日明显减小；在4月15、16、18及20日，赤道异常的峰值与谷值之间变化较为平缓，且峰值的位置向磁赤道方向移动。结合震源上空VTEC的负异常现象，本文认为孕震区内电场的变化可能是导致芦山地震电离层异常的原因之一。

文献[15]对中国大陆1998~2012年56个M≥6.0地震进行统计研究，得出震前2~9 d的TEC异常减小与中国大陆区域地震密切相关。本文对芦山地震的研究结果与该结论相似，但也发现了震前0~1 d的电离层异常现象，为地震电离层前兆信息研究提供了新的观测资料及有力证据。