基于电离层层析成像技术探测汶川地震前电离层异常
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关键词 电离层; 层析成像; 地震; 电离层异常; 重建 中图分类号: P 2 2 8 . 4 文献标志码: A
P R O B EI N T OS E I S MO I O N O S P H E R I CA N O MA L YO F WE N C H U A N Ms 8 . 0E A R T H Q U A K EB A S E DO N C O MP U T E R I Z E DI O N O S P H E R I CT O MO G R A P H Y
其中被普遍采用的是代数重建算法( A R T ) , 该算法 R I 模型) 作为待重建区 以某个电离层经验模型( 如I 域电子密度分布的初始值, 通过迭代逐步修正初始 值, 直到修正的值满足最小范数条件为止。 A R T算 法的迭代公式为:
( k ) y x ∑a i- i l l l = 1 ( k + 1 ) ( k ) x = x λ j j + N 2 ∑a i l = 1 l N
第3 1 卷 第1 期 2 0 1 1年 2月
大地测量与地球动力学 J O U R N A LO FG E O D E S YA N DG E O D Y N A M I C S
V o l . 3 1N o . 1 F e b . , 2 0 1 1
文章编号: 1 6 7 1 5 9 4 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 9 0 6
( 4 )
N e 为电离层电子密度, L代表积分路径。该 式中, 积分方程表明, 只要测量出一定区域内不同射线路 径上的 T E C值, 即可反演出该区域的电离层电子密 度分布。 P S测 量 的 电 离 层 层 析 成 像 技 术 中, 在基于 G T E C可利用 G P S 双频信号的测码伪距观测值求得, 即 ff T E C= P P B ) 2- 1- 2 ( 4 0 . 3 ( f- f 2)
Y a n gJ i a n , WuY u na n dZ h o uY i y a n ( I n s t i t u t e o f S e i s m o l o g y , C E A , W u h a n 4 3 0 0 7 1 )
A b s t r a c t T h et e c h n o l o g yo f C o m p u t e r i z e dI o n o s p h e r i cT o m o g r a p h yw a s u s e dt or e c o n s t r u c t t h ed i s t r i b u t i o no f
图2 电离层层析成像技术反演的沿经度 1 1 7 ° E跨纬度 2 0~ 4 0 ° N的电子密度切片 F i g . 2 S l i c ed i a g r a mo f r e c o n s t r u c t e de l e c t r o nd e n s i t y a l o n g 1 1 7 ° Eb e t w e e n2 0 ° Na n d4 0 ° No nU T 9 : 0 0 ,M a y 9 t h , 2 0 0 8 .
1 0 - 1 2 ] 式( 3 ) 所示线性方程组的求解方法很多 [ ,
2 电离层层析成像的重建算法
电离层层析成像技术是利用空间无线电波投影 反演电离层电子密度分布的遥测技术, 是计算机层 析成 像 技 术 在 电 离 层 探 测 领 域 内 的 拓 展。根 据 A u s t e n 等
[ 9 ]
e l e c t r o nd e n s i t y o nU T 9 : 0 0f r o mM a y 8 t ht o M a y 1 0 t h , 2 0 0 8b e f o r e We n c h u a nMs 8 . 0e a r t h q u a k e t h a t o c c u r r e do n M a y 1 2 t h . I t i sf o u n dt h a t a ni o n o s p h e r i ca n o m a l yh a dt a k e np l a c eo nM a y9 t h ,a n dt h ea s p e c t a b o u t w h e na n d w h e r et h i s a n o m a l yo c c u r r e di s c o n s i s t e n t w i t ht h e c o n c l u s i o nm a d e b y V T E Ca n a l y s i s .A f t e r e l i m i n a t i n g t h e p o s s i b l e i m p a c t s t h a t s p a c e w e a t h e r e v e n t e x i s t e di nt h e i o n o s p h e r e ,w e c a nu n d o u b t e d l y m a i n t a i nt h a t t h e i o n o s p h e r i c a ,o u r s t u d yi n d i c a t e s n o m a l yo nM a y 9 t hi s ap r e c u r s o r o f We n c h u a ne a r t h q u a k e .I n t e g r a t i n ga l l m e n t i o n e da b o v e t h a t C o m p u t e r i z e dI o n o s p h e r i cT o m o g r a p h yh a s g r e a t o p p o r t u n i t i e s t ob ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do f e a r t h q u a k e p r e d i c t i o n . K e yw o r d s : i o n o s p h e r e ; t o m o g r a p h y ; e a r t h q u a k e ; i o n o s p h e r i ca n o m a l y ; r e c o n s t r u c t i o n 长期的震前电离层异常研究使我们对地震电离 层前兆有了逐步深入的了解, 并形成了一些有意义
Y= A X
( 3 )
式 中: X 为 N ×1 列向量, 元素x 表示第j 个格网所 j 含的电子密度; Y为 M ×1列向量, 代表不同射线 T E C观测值的集合; A为 M × N投影矩阵, 元素 a 表 i j 示第 i 条射线被第 j 个格网截取的线段长度。基于 式( 3 ) , 电离层电子密度的层析反演就转化为求解 线性方程组。
基于电离层层析成像技术探测汶川地震前电离层异常
杨 剑 吴 云 周义炎
( 中国地震局地震研究所, 武汉 4 3 0 0 7 1 )
摘 要 以 2 0 0 8年 5月 1 2日汶川 Ms 8 . 0地震为例, 利用电离层层析成像技术重建了震前 5月 8 —1 0日震中附近
上空电离层的电子密度分布( U T 9 : 0 0 ) , 发现 5月 9日出现电离层异常, 且该异常在时空上与同一时段的电离层 V T E C异常分布结果一致( 排除空间天气活动对电离层造成的可能干扰后) , 认为该异常即是地震的电离层前兆信 息。研究表明: 电离层层析成像技术在地震预测研究领域有广阔的应用前景。
3 震前电离层异常分析
图1 电离层层析成像示意图 F i g . 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p u t e r i z e di o n o s p h e r i c t o m o g r a p h y
为了利用电离层层析成像技术探测汶川地震前 电离层异常, 我们使用中国地壳运动观测网络基准 站提供的 G P S 观测数据, 对2 0 0 8年 5月 8 —1 0日 3
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大地测量与地球动力学
3 1卷
三维空间的分布情形, 因此无法给出电子密度在三 维空间的变化趋势。本文利用电离层层析成像技 术, 通过 G P S卫星信号在电离层中的投影值( 即斜 E C ) 重建了汶川地震前震中上空附近电离层 路径 T 电子密度的三维分布, 并考察了电子密度在震前的 变化趋势, 初步评估了电离层层析成像技术应用于 震成像技术探测汶川地震前电离层异常
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天U T9 : 0 0 , 空间范围为 9 0~ 1 2 0 ° E , 2 0~ 4 0 ° N , 高度 6 0~ 9 6 0k m 的电离层电子密度分布进行了三维层 析重建, 格网划分密度为经度间隔 6 ° , 纬度间隔 2 ° , 0k m , 共 15 0 0个格网。图 3中矩形区域 高度间隔 3 所包含的基准站为重建涉及的观测站点。 考虑到电离层在较短时间内, 其电子密度变化 很小, 为了获得足够多的观测数据, 选取观测站 U T 8 : 3 0 —9 : 3 01小时内的 G P S观测数据进行电离层 层析反演, 重建结果如图4~ 9 所示, 其中, 图 4~ 6
4 - 8 ] 的规律性结论 [ , 但以往研究震前电离层异常主
1 引言
对2 0 0 8年 5月 1 2日汶川 Ms 8 . 0地震的研究表
1 - 3 ] 明[ , 震前第 3天( 5月 9日) , 在震中偏南方向出
要考察电离层 V T E C和 N m F 2的变化, V T E C是电子 密度在垂直方向上的线积分, 它反映的是电子密度 N m F 2则是电子密度垂直变化的最 的总变化趋势; 大值。这两个物理量都不能描述电离层电子密度在
现了明显的电离层正异常, 这一异常的发生时间和 空间分布符合震前电离层异常的特征, 认为该异常 是由孕震引起的震前电离层异常。