0 引言

环太平洋地震带是世界上地震发生的主要地区(Bufe et al，2005；Huang et al，2017)。受地壳板块挤压作用，该地区地质构造复杂，地震活动具有范围广、强度大、频度高等特点，与之相连接的中国大陆地区地震发生率约占全球的1/4~1/3。这些地震灾害不仅造成了巨大的经济损失，还威胁着人民群众的生命安全。因此，研究地震发生之前的前兆特征具有十分重要的意义。自20世纪60年代以来，地震电离层效应已经得到较为充分的研究(Leonard et al，1965；Antselevich，1971)。大量国内外研究人员分析了大地震前电离层异常的特征，发现在发震区，主震前可以观测到电离层扰动异常，且异常一般发生在震前几小时至几天内，具有相对稳定的时间尺度(Davies et al，1965；Pulinets et al，2003；Liu et al，2000、2004a、2004b；Zakharenkova et al，2008；Kakinami et al，2010；Li et al，2014、2016a、2016b；Arikan et al，2016；Reddy，2016；Zhou et al，2017)。Liu等(2000)研究了中国台湾地区1994~1999年5年间6.0级及以上地震，发现电离层异常出现在震前1~6天。刘静等(2014)对中国39个M_S≥6.0的震例进行电离层参数随时空变化的分析，发现震前3~5天，震中上空及东、南、西、北5个方向均观测到了负异常出现概率高于正异常的现象。Le等(2011)研究了2002~2010年736次6.0级及以上地震前的电离层扰动，发现异常的发生率与震级成正比，但与震源深度和接近地震的天数成反比。Kon等(2011)通过研究日本1998~2010年M_S≥ 6.0地震，发现在震中1000km范围内，震前1~5天出现电子浓度总含量(TEC)明显的正异常现象。

目前，中国陆态网络分布着260多个地基GPS台站，观测数据具有高精度、高分辨率、全天候、全自动的特性，能够准确获得信号传播路径上的电离层总电子含量，为研究地震电离层效应提供了有利的条件。因此，本文基于中国地壳运动观测网络(CMONOC)地基GPS观测数据，分析2008~2019年发生在中国区域的7个M_S≥6.0地震前后的电离层TEC扰动变化特征，并讨论了电离层异常的空间分布及其与地震震级、震中位置的关系。

1 GPS-TEC解算及异常检测方法 1.1 GPS-TEC解算

GPS卫星发射2种频率(f₁=1575.42MHz，f₂=1227.60MHz)的载波信号，经电离层和大气层延迟后到达地面接收机，分别得到相伪距观测方程的关系式

$L_{1}=\lambda_{1}\left(\varphi_{1, i}^{j}+N_{1}\right)=\rho_{0, i}^{j}+c\left(\tau_{i}-\tau^{j}\right)+d^{1, \text { ion }}+d^{\text {trop }} $

(1)

$L_{2}=\lambda_{2}\left(\varphi_{2, i}^{j}+N_{2}\right)=\rho_{0, i}^{j}+c\left(\tau_{i}-\tau^{j}\right)+d^{2, \text { ion }}+d^{\text {trop }} $

(2)

其中，λ₁、λ₂和N₁、N₂分别表示2个载波的波长和整周模糊度；ρ_0，i^j、d^trop分别表示卫星到接收机的几何距离和对流层延迟改正；φ_1，i^j、φ_2，i^j分别表示2个载波的相位观测值；c为真空中的光速；τ_i、τ^j分别为接收机钟差和卫星钟差；d^1，ion、d^2，ion分别表示2个载波的电离层延迟，且有$d^{k, \text { ion }}(k=1, 2)=-\frac{40.3}{f_{k}^{2}} \int N_{e} \mathrm{~d} s=-\frac{40.3}{f_{k}^{2}}$TEC，TEC即为传播路径上的电子总含量，载波相位观测的噪声和多路径影响较伪距观测而言非常小，不到1%，故可以忽略不计。由式(1)、(2)，有

$\operatorname{TEC}=\frac{f_{1}^{2} f_{2}^{2}}{40.3\left(f_{1}^{2}-f_{2}^{2}\right)}\left(L_{1}-L_{2}\right) $

(3)

由式(3)计算得到信号传播路径上的电子总含量，记为STEC，然后假定将所有自由电子含量均表示在一个单层面上，得到STEC后，在电离层薄层模型的假设下，可以利用高度映射函数转换得到观测站垂直电子密度总含量VTEC

$\mathrm{VTEC}=\mathrm{STEC} \times E_{\theta} $

(4)

其中，θ代表卫星高度角；$E_{\theta}=\sqrt{1-\left(\frac{\sin \left(\frac{\pi}{2}-\theta\right) R_{E}}{R_{E}+h_{\mathrm{ion}}}\right)^{2}}$；R_E为地球的平均半径，此处取值为6371km；h_ion为电离层平均高度，本文设定h_ion=350km。

中国地壳运动观测网络有260多个GPS观测站(图 1)。通过对GPS双频观测数据进行处理，能够准确获得信号传播路径上的电离层TEC信息，并按式(4)获得测站的VTEC。

1.2 异常检测方法

本文根据Liu等(2000)提出的滑动四分位距方法的理论，以16天的数据资料为例，按时间序列X₁、X₂、X₃、……、X₁₅、X₁₆升序排序，则下四分位Q₁、中四分位Q₂、上四分位Q₃和四分位距IQR可计算如下

$Q_{1}=\frac{\left(X_{4}+X_{5}\right)}{2} $

(5)

$Q_{2}=\frac{\left(X_{8}+X_{9}\right)}{2} $

(6)

$Q_{3}=\frac{\left(X_{12}+X_{13}\right)}{2} $

(7)

$\mathrm{IQR}=Q_{3}-Q_{1} $

(8)

分析第16天的数据时，需将前15天对应时刻的滑动中值Q₂作为背景值，计算IQR的上、下限UB和LB，其IQR=1.34σ，即四分位的期望值是标准差的1.34倍。本研究采用异常上限UB和异常下限LB作为电离层TEC是否异常的判定界限(UB=Q₂+1.5(Q₃-Q₁)，LB=Q₂-1.5(Q₃-Q₁)，其中Q₃和Q₁分别为前15天的上、下四分位数)，约为标准差的2倍，置信度为95%，当某一时刻的电离层TEC值超过阈值，则认为该时刻的电离层TEC出现异常(刘磊等，2016)。

中国区域CMONOC地基GPS-TEC数据时间分辨率为15min，每个GPS台站一天可连续产生96个值，通过IQR方法探测每个GPS台站上的GPS-TEC时间序列，可以得到中国地区各个台站所处位置电离层异常扰动分布的情况，有利于区分地震电离层效应影响的来源。

1.3 日地活动指数

电离层易受太阳活动和地磁风暴的影响，在分析地震前电离层变化时，应排除日地环境引起的电离层异常。因此，为区分由日地扰动引起的电离层扰动，利用美国NGDC和日本京都地磁中心提供的地磁指数D_st和K_p来区分与地磁-太阳活动相关的其他异常。其中D_st通常以1h的时间分辨率表示中低纬度地区的磁活动，当D_st值小于30nT时，最有可能发生磁暴。K_p指数以分辨率为3h描述全球地磁活动，在平静的地磁条件下，K_p值通常小于3(Rostoker，1972)。

2 地震电离层效应

本文对中国大陆2008~2019年M_S≥6.0地震^①进行分析，由于Le等(2011)研究发现震源深度越浅、电离层异常越明显，且考虑到地震震级大小不同的影响，故选取2个6.0≤M_S＜6.5(杂多、长宁)、2个6.5≤M_S＜7.0(阿克苏、林芝)、2个7.0≤M_S＜7.5(于田、九寨沟)和1个M_S≥7.5(汶川)，共计7个M_S≥6.0地震进行地震电离层效应分析，其地震目录如表 1所示。

① http://www.ceic.ac.cn

考虑到7个地震震级、位置不同的影响(图 1、表 1)，采用IQR方法统计分析地震前后的电离层异常变化分布特征时，统一按震中距各台站距离对每个地震选择测站，且测站至震中的距离一般为300~500km，最大研究范围扩大至2000km左右，使用IQR方法建立GPS-TEC数据与地震事件的关联，以开展震例分析。大量的研究表明，地震电离层TEC异常一般在震前一周较为显著(姚宜斌等，2012；祝芙英等，2008)，故本研究将异常探测时间设置在地震前后各一周。图 2~8显示了近年来中国区域7个M_S≥6.0地震(汶川、于田、杂多、阿克苏、九寨沟、林芝和长宁地震)的地震电离层效应分析结果，呈现了各地震各台站震中距位置、GPS- TEC时序变化和地震前后的异常扰动情况。同时，将地磁指数D_st和K_p变化情况直接添加到图中，可以有效地排除受空间天气影响的地震电离层异常扰动。

由图 2可以看出，汶川地震前后14天内D_st指数均处于正常状态，K_p指数仅在2008年5月6日0:00~3:00时间段内超出了3，我们认为此时间段6个台站出现的电离层TEC异常扰动是由空间天气影响导致，其他时间段出现的扰动情况均可能是由地震引起的。我们发现台站LUZH在5月9日出现大幅度的正异常外，其他时间段基本上均无扰动发生；同样，台站KMIN在5月9日出现正异常、5月6~7日出现负异常外，其他时间段基本上均无扰动发生；台站ZHNZ在5月9日出现正负异常、5月6日出现负异常外，其他异常均发生在震后，主要表现为5月16、18和19日出现正异常；台站LHAS除了在5月6日出现负异常外，其他异常均发生在震后，主要表现为5月14、15、16和19日出现正异常；台站QDAO震前异常情况基本与台站ZHNZ相同，主要表现为5月6日出现负异常、9日出现正负异常和19日出现大幅度正异常；台站WUSH在地震前后均表现出无异常发生。整体来看，汶川地震电离层TEC异常扰动主要表现为震前负异常的个数多于正异常，且负异常主要集中在5月6日，正异常主要发生在震后，且震后无负异常发生。同时，还发现GPS观测站距离震中越近，对应上空垂直电子浓度总含量变化越明显，且幅度越大，反之则没有明显的异常现象，电离层扰动最大范围可达2000km左右。

针对于田地震(图 3)，台站XJYT震前出现的异常均由空间天气影响导致，震后正异常主要发生在2月13日；台站XZGZ和QHLH除了在2月12日出现正异常外，其余异常发生在震后，表现为2月13和17日出现正异常；台站CJTC、NMAY和SCBZ与台站XJYT出现的异常类似，主要表现为震前出现的异常可能是由空间天气影响导致，震后正异常主要发生在2月17日。

对于杂多地震(图 4)，台站QHYS在10月11日出现大幅度的正异常、15日出现小幅度正负异常外，其他时间段基本上均无扰动发生；台站DLHA在10月15日出现负异常外，其他时间段基本上均无扰动发生；台站XJQM在震前均无扰动发生，震后19日出现负异常外，其余时间段无扰动发生；台站ZHNZ和JXHK在地震前后基本上无异常发生。

对于阿克苏地震(图 5)，可以看出电离层TEC异常主要发生在震后，表现为11月27日出现负异常，12月1日出现正异常；台站XJBC除在11月19日出现负异常外，其余异常发生在震后，主要表现为12月1日出现正异常；台站XJYT在11月21日出现负异常，其余异常也均发生在震后，主要表现为12月1日出现正异常；台站XZGZ和XJAL在地震前后基本上无异常发生。

对于九寨沟地震(图 6)，排除空间天气和地磁扰动后，有几个台站的电离层TEC在8月15日出现了正异常。

对于林芝地震(图 7)，台站XZCD、XZRK、DLHA在11月12日均出现了不同程度的负异常扰动，在震前电离层TEC异常扰动主要表现为负异常，且主要发生在11月12日，而正异常主要表现在震后；同时也表现出GPS观测站距离震中越近，垂直对应上空电子浓度总含量变化越明显、且幅度越大，反之则没有明显的异常现象。

对于长宁地震(图 8)，台站SCJU在6月14~16日出现正负异常，但主要以负异常为主；台站HAHB、NMEJ和XJRQ在地震前后也出现了电离层负异常扰动，其电离层异常现象与林芝地震较为相似。

3 讨论

根据图 2~8的结果和分析，对上述7个地震电离层TEC异常扰动的整体变化特征进行总结，如表 2所示。7个震例中，有5个震例出现GPS-TEC值负异常现象，主要表现在震前2~6天，且负异常的个数明显多于正异常，这与前人(刘静等，2014；宋锐等，2019；马新欣等，2008)的研究结论基本一致。同时，正异常主要发生在地震发生后的2~7天，震前正异常个数并不明显。大部分震例显示出GPS观测站距离震中越近、震中垂直上空电离层TEC变化越明显，反之则没有明显的异常现象，电离层扰动最大范围可达2000km左右。7个震例基本均显示出随着地震震级的增加，震前电离层TEC异常的发生率有所增加，且异常覆盖的范围也有所增加。此外，发现汶川、于田和九寨沟3个大地震明显较其他地震发生异常的概率、数量和范围高得多。

4 结论

本文基于中国陆态网络地基GPS观测，采用滑动四分位距法，研究分析了2008~2019年发生在中国区域的7个M_S≥6.0震例的地震电离层效应，得出以下结论：

(1) 7个震例中，有5个震例(汶川、杂多、阿克苏、林芝和长宁地震)出现GPS-TEC值负异常现象，主要表现在震前2~6天；地震发生期间及震后电离层TEC出现正异常扰动，主要集中在震后2~7天。

(2) GPS观测站距离震中越近，垂直对应上空电子浓度总含量变化越明显，反之则没有明显的异常现象，且电离层扰动最大范围可达2000km左右。

(3) 随着地震震级大小的增加，震前电离层TEC异常的发生率有所增加，且异常覆盖的范围也有所增加。震级偏小的震例，其地震电离层异常范围小得多。

由于地震产生机理的复杂性和多变性，利用电离层TEC扰动对地震进行预测仍存在明显的局限性，对震前电离层异常的探测方法和有效性还有待进一步深入研究。因此，我们建议监测震前一周内电离层TEC的变化，其可能提供了揭示电离层扰动与地震活动之间关系的线索。

致谢: 中国地壳运动观测网络提供了GPS观测数据，美国NGDC和日本京都地磁中心提供了地磁指数数据，本研究部分图件采用GMT软件绘制，在此一并表示感谢。