震前电离层异常空间分布特征研究

Due to the complexity of mechanism in earthquake preparation, earthquake preparation is a scientific problem that has yet to achieve substantial breakthroughs in the world. Based on a large number of observations, there are obvious perturbations in ionosphere before earthquakes, therefore ionospheric monitoring in seismic zones and earthquake- ionosphere coupling researches may become the key to breakthrough of impending earthquake forecast. Nowadays, a majority of earthquake-ionosphere coupling analysis are time serial methods, emphasizing time variation characters of ionospheric disturbances before earthquakes, but according to possible coupling models (eg. electrostatic field model), spatial distribution characters could be more obvious. Hence, we will study spatial distribution characters of ionospheric anomalies before earthquakes. Firstly, based on global GPS TEC data and earthquakes catalog, data sets between earthquakes information and spatial distributions of ionosphere turbulence will be established. Secondly, on above basis, through the development of new statistical methods, we will analyze ionospheric anomalies related to earthquakes, especially the space distribution characteristics. At last, according to statistical analysis, we strive to raise (or verify) earthquake - ionosphere coupling mechanism matching observations and analysis results. This project has both academic significance in revealing ionosphere changing characters and formation mechanism, and application value in promoting earthquake prediction.

由于地震孕育机理的复杂性，地震预报是目前尚未取得实质性突破的世界性科学难题。大量观测事实表明，在地震前后存在明显的电离层扰动，因此，震区电离层监测与地震-电离层耦合研究，有可能成为突破地震短临预报的关键。现有地震-电离层耦合分析大都采用时序方法,强调揭示震前电离层扰动的时间变化特征，但依据可能的耦合理论模型（如静电场模型），异常应该还具有更为明显的空间分布特征，据此，本研究将开展震前电离层异常空间分布特征研究。首先，基于现有的全球GPS-TEC观测等数据，结合全球地震目录，建立关联地震信息与电离层扰动空间分布的数据集；在此基础上，通过发展新的统计方法，分析与地震相关的电离层异常，着重于震前电离层异常的空间分布特征；最后，根据统计分析结果，力争提出(或验证)与观测分析结果相关的地震-电离层耦合机理。本项目的研究，对揭示电离层变化性特征及形成机理具有学术意义，在推进地震预测研究方面有应用价值。

大量的观测数据表明，临震电离层会出现等离子体扰动和电磁扰动现象，而正在形成的地震电离层耦合关系也对这种现象的出现给予了可能的理论解释，并且地震短临预报也需要各种方法的尝试与探索。.基于全球GPS TEC数据，本研究在部分震例分析的基础上，提出了基于球谐函数的EOF分解方法，采用该方法构建了电离层TEC对数（logTEC）的模型。用EOF模型的主要阶数（1-9阶）给出背景电离层，而以EOF模型的次要阶数（ 10阶）作为扰动电离层，来提取临震电离层TEC扰动。本方法充分发挥了EOF对观测数据所包含的主要过程的自适应性，利用前几阶本征模构成的主要部分作为观测数据的“背景”模式，用来分析数据与已知因素和未知大尺度因素的关系；将靠后本征模的贡献累加得到观测数据的“扰动”部分，从而分析其与地震等“偶然”的未知因素之间的关系。.通过对汶川、海地、玉树、日本4次地震的分析，发现震级最大的日本8.7级地震前异常出现的较早，发生在震前15天、14天，震级最小的玉树6.9级地震前异常出现的最晚，震前3天。4个磁北纬地震的临震电离层异常主要出现在震中的东南、正南和西南方向，共轭区异常主要集中在震中共轭点的西北、正北和东北方向。.基于logTEC的 EOF分解模型，对1998年10月1日-2011年12月31日全球1395次M≥6.0地震临震电离层扰动的时空特征进行了分析，划分了不同的震级、地震类型、震源深度，同时也区分了磁北纬和磁南纬地震。分析发现7级地震时临震电离层异常出现的时间比6级地震早，并且扰动出现的天数比6级地震多，同时异常幅度、异常范围也都较6级地震大。海洋地震中，磁北纬的临震电离层异常多位于北侧，磁南纬的临震电离层扰动位于东南方位；陆地地震中，磁北纬临震电离层扰动多位于东南和西南，磁南纬地震扰动大部分位于南侧。相对于浅源地震而言，中深源地震时临震电离层扰动高值区更围绕震中纬度。.关于地震-电离层耦合机制方面，本研究的统计和个例分析更倾向于垂直电场理论，用这种理论可以解释本研究发现的磁北纬地震扰动位于南侧、磁南纬的扰动位于北侧，并且根据E×B漂移理论，认为正负异常的出现与扰动电场方向有关。采用方程根和数值谱方法求解了岩石圈-大气层-电离层的电场渗透方程，开展了电离层电场与LAI电场渗透耦合的研究。本项目的统计结果及机理分析，将对进一步理解临震电离层扰动现象提供数据和理论基础。