中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

中国地区电离层TEC暴扰动研究

电离层总电子含量(TEC)是空间天气研究和监测预报的重要参量.本文引入了电离层TEC扰动指数DI, 对青岛等6个台站的DI数据进行分析,选取DI>0.35(DI≤-0.30)作为正(负)相电离层TEC扰动的强度标准,并以连续6 h及以上的DI满足该值来判定电离层TEC暴扰动事件.对电离层TEC暴扰动事件的统计分析表明,在地方时日落后至子夜前为发生高峰时段,正(负)相暴扰动事件平均持续时间约为10.9 h(10.5 h),正相暴发生率以冬季为多,夏季为少,而负相暴则以夏季略高.发现位于赤道异常驼峰区的广州站和位于高中纬度的海拉尔站比典型中纬地区的北京站电离层TEC暴扰动更易发生,且低纬地区以正相暴扰动为主.分析表明,约有70%的电离层TEC暴扰动伴随着有地磁扰动,但是电离层TEC暴扰动并不完全由地磁扰动所引起,强烈气象活动等局地环境因素也可能对电离层TEC暴扰动有着重要影响.     

2012年4月11日苏门答腊Ms8.6地震前电离层TEC异常变化

基于IGS提供的GPS TEC资料和中国地壳运动观测网络提供的GPS数据解算的单站VTEC数据,采用统计分析处理方法,对2012年4月11日苏门答腊北部Ms8.6地震震前电离层TEC资料进行处理分析,结果表明:在震前5-6天以及地震当天,震中上空附近出现显著的电离层TEC异常扰动,异常形态有正有负,表现为先异常减小后异常增大最后变小,异常增大主要发生在下午至黄昏时段,即12:00-16:00 LT,持续时间约4小时.排除太阳活动和地磁扰动的影响后,4月5日出现的电离层TEC异常增大及呈现出共轭结构以及地震当天出现的异常扰动,可能与此次地震有关.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12-16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4-5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5-8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

汶川地震同震电离层扰动研究

利用中国大陆陆态观测网(CMONOC)的下关、 昆明和庐州GPS台站, 对汶川地震引起的同震电离层扰动(CID)进行研究。 通过对GPS原始观测数据进行处理证实汶川地震存在5个明显的同震电离层扰动(CID)现象。 根据GPS TEC时间序列和走时, 得到在电离层高度CID的水平传播速度为1.1 km/s, 属于震中区地表抬升引起的声波在电离层中传播速度; 同时, 也得到次一级CID传播速度接近0.7 km/s, 认为可能是重力波。 在此基础上, 利用射线追踪模型寻找震中位置发现, 当CID水平传播速度为1000 m/s时, 发震时刻对应的标准偏差能达到最小值19.55 s, 相应的CID起源位置是30.8°N, 103.15°E, 距离实际震中西南方向33.6 km。     

2020年7月22日阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动分析

利用全球导航卫星系统(GNSS)、电离层测高仪和地震仪数据, 从振幅及波形、时空分布、传播速度与方向、时频域等角度对2020年阿拉斯加7.8级地震同震电离层扰动(Co-seismic ionospheric disturbances, CIDs)特性进行探究.卫星G03、G04和G09在地震西部探测到3类CIDs, 最大扰动幅度约0.1 TECU (1 TECU=10¹⁶ el/m²), 并且均沿着地震断层破裂延伸方向(西南方向)传播; 而在地震北部与东部未发现CIDs.根据CIDs的速度及中心频率将其分为三类, 第一类为高速传播的CIDs(速度约为2.93 km·s^-1), 中心频率约11 mHz, 符合瑞利波激发的电离层扰动特征; 第二类CIDs的传播速度约为1.69 km·s^-1和1.55 km·s^-1, 中心频率约4.5 mHz和4.7 mHz, 符合声波引起的电离层扰动频率; 第三类CIDs速度约为0.98 km·s^-1和1.11 km·s^-1, 中心频率约2.9 mHz, 可能为声波引起的另一类电离层扰动.同时, 利用CIDs时空数据估计的CIDs扰动源位置与震中较为接近, 进一步说明电离层扰动由地震激发.通过对GNSS站及地震仪位移的分析, 估计了地震瑞利波沿西南方向传播速度与第一类CIDs较为吻合, 验证了第一类CIDs由瑞利波激发, 且断层的垂直位移是引起电离层扰动的重要因素.测高仪观测到电离层临界频率(f₀F₂)发生显著波动, 探测到CIDs的传播速度约1.02 km·s^-1, 传播速度和方向与卫星G03、G04探测的CIDs较为吻合, 推断其属于第三类CIDs.

     

阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

为分析2021年7月29日阿拉斯加8.2级地震引起的电离层响应,利用地震附近的全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)观测数据估算电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)及同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).从多角度对CIDs的时空分布特征进行分析,并与阿拉斯加2018年7.9级走滑型地震以及2020年7.8级逆断层地震引起的CIDs对比.在地震西南方向探测到两类CIDs,最大扰动振幅约0.8 TECU (1 TECU=10¹⁶ el/m²),并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到CIDs.在震中西北、东北和北方向探测到传播速度相近的CIDs.根据CIDs的速度和频率大小将CIDs分为两类,第一类CIDs的传播速度为1.87 km·s^-1,频率约为3.8 mHz,可能由地震声波引起,扰动量级最大;第二类CIDs的传播速度为0.85~1.09 km·s^-1,中心频率约在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,为地震声波引起的另一类电离层扰动.逆断层地震引起的CIDs比走滑型地震更加显著,表明地震引起的垂直地表运动在CIDs的形成中起主要作用.三次地震在西南方向均引起显著的CIDs,与地震破裂方向较为一致,该地区大地震引起的CIDs可能具有较为明显的方向性,具体形成机制有待于进一步研究.

     

2009年7月22日日全食期间湖北沙洋地区电离层扰动分析

发生在2009年7月22日亚太地区的日全食,为人们研究电离层扰动提供了一次难得的机会.基于沙洋地区采集的高频(1 Hz)GPS数据,通过对日食当天与前后几天电离层VTEC(Vertical Total Electron Content)的变化分析,结果显示日食期间电离层VTEC含量均呈现出一种先下降再上升的“水槽”变化趋势,且VTEC下降达到2～5 TECU,下降幅度达33.1％,VTEC的最小值与食甚时刻延迟为25.2～147.6 s.在日全食后期有中等强度的磁暴发生,与日食相互重合叠加共同对电离层VTEC变化造成影响,使得VTEC变化明显异于前后几天,最后定量的分析了磁暴对VTEC的影响.     

2020年新疆于田6.4级地震前电离层扰动现象分析

基于中国区域GPS反演TEC、 JPL TEC mapping、 张衡一号卫星探测等离子体参量数据, 着重分析了2020年6月26日新疆于田6.4级地震前的电离层异常现象, 结合之前于田发生的两次7级以上地震, 研究认为于田地震前异常集中出现在震前一周内, 以上升异常为主, 异常有明显的局地效应, 部分异常在磁共轭区有同步效应。 多参量综合分析增强了异常的判识能力, 并提高了异常的可靠性。 太阳及空间磁扰活动对电离层地震判识有较大影响, 会极大增加全球异常频次, 但日食现象引起的TEC扰动与地震电离层异常有明显差异, 较易区分, 弱磁扰活动下的地震电离层异常判识能力有待加强。     

基于GPS和DEMETER卫星数据的地震电离层电子浓度异常变化研究

正地震电磁现象的观测与研究是认识地球内部物质特性、地震孕育发生过程以及空间信号传播和介质特性变化的重要途径。空间对地观测技术的发展,推动了地震电磁信号在大气层、电离层的传播与耦合机制的研究。从20世纪60年代发现美国阿拉斯加大地震震中区上空出现电离层异常扰动现象以来,有关地震空间电磁、电离层扰动的现象引起了广泛的关注,成为地震电磁学领域一个新的研究热点。研究表明,在地震孕育发生过程中,地下介质     

北美地区夜间中尺度电离层行进式扰动的GPS台网监测研究

本文利用2007年6月~2008年5月期间北美GPS台站密集地区的TEC观测资料,对夜间中尺度电离层行进式扰动(MSTIDs)的传播特性进行了分析研究.结果表明:北美地区的夜间电离层行进式扰动一般发生在美国西部时间21∶00~02∶00LT (05∶00~10∶00UT)时段,表现在TEC中的最大扰动幅度为0.45~0.6TECU.扰动以20~40 min的周期,100~200 m/s的水平相速度朝西南方向传播,覆盖磁纬24°N到44°N,经度130°W到70°W的广大范围.统计结果显示,夜间电离层行进式扰动呈现明显的半年变化特征,扰动振幅的峰值在春秋分前后达到最大,在至日前后最小;扰动传播的水平相速度在夏季比冬季约大20%.进一步分析表明,夜间电离层扰动振幅的半年变化是由电离层背景电子浓度的半年变化引起的,而扰动速度的季节变化则与热层风场的季节变化密切相关.     

利用改进的SRTI法研究中尺度电离层行波扰动

针对现有单站电离层行波扰动指数（Single Receiver TID Index,SRTI）探测中尺度电离层行波扰动时探测周期范围有限的问题,本文提出了一种改进的SRTI方法,以提高探测扰动周期的适用范围.介绍了利用SRTI和改进的SRTI探测中尺度电离层行波扰动的原理,从理论上分析比较了二者探测扰动周期范围的能力,并采用美国加州南部的5个IGS站2012年年积日189的GPS观测数据,对电离层扰动进行了分析.结果显示在21：30—23：00 LT时,扰动观测序列存在周期为15 min和39 min的扰动波,但是现有SRTI方法只探测到了前者,而改进的SRTI法很好地探测到了两个周期的扰动波,表明其对短周期和较长周期的扰动均具有较好的灵敏性.利用改进的SRTI法计算的扰动观测序列,应用傅里叶变换相位差分法估计了电离层扰动的传播参数,其结果总体上与前人研究成果一致,这表明改进的SRTI法完全可以应用于电离层行波扰动的研究中,而且由于计算简单,在处理大量数据时具有一定优势.     

Investigation of ionospheric TEC changes related to the 2008 Wenchuan earthquake based on statistic analysis and signal detection

Ionospheric TEC (total electron content) time series are derived from GPS measurements at 13 stations around the epicenter of the 2008 Wenchuan earthquake. Defining anomaly bounds for a sliding window by quartile and 2-standard deviation of TEC values, this paper analyzed the characteristics of ionospheric changes before and after the destructive event. The Neyman-Pearson signal detection method is employed to compute the probabilities of TEC abnormalities. Result shows that one week before the Wenchuan earthquake, ionospheric TEC over the epicenter and its vicinities displays obvious abnormal disturbances, most of which are positive anomalies. The largest TEC abnormal changes appeared on May 9, three days prior to the seismic event. Signal detection shows that the largest possibility of TEC abnormity on May 9 is 50.74%, indicating that ionospheric abnormities three days before the main shock are likely related to the preparation process of the M_S8.0 Wenchuan earthquake.     

2019年长宁M_S 6.0地震前后电离层垂直电子总含量（VTEC）异常扰动分析

2019长宁发生M_S 6.0地震,利用CODE全球电离层格网数据、中国地壳运动观测网络GPS数据、震中区域GPS数据,分别计算全球、中国区域垂直电子总含量(VTEC)异常分布及震中区域站点VTEC时间序列,揭示此次地震发生前后不同空间尺度电离层异常扰动变化。结果表明:地震发生前3天(6月14日),长宁震区上空出现连续电离层异常扰动现象,异常空间分布呈现向磁赤道偏移趋势。VTEC结果的时、空尺度变化反映,本次电离层扰动可能与长宁地震孕震过程有关,可为川滇区域临震电离层异常扰动监测及地震分析预报提供震例依据。     

地震前兆：电离层F2层异常

本文简述了目前提出的地震引起电离层异常扰动的物理机理，重点介绍了近几年国内外对震前F2层异常扰动的研究进展.大量的研究结果显示地震活动引起的电离层扰动不仅确实存在，而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时会发生电离层扰动.由于地震引起的电离层F2层变化具有独一无二的特性，这就意味着我们可以利用强震前的F2层异常变化作为地震短临预报的工具.     

利用日本GPS网探测2011年Tohoku海啸引发的电离层扰动

海平面的海啸波会产生大气重力波进而引发电离层扰动.本文利用日本GPS总电子含量数据来探测2011年3月11日Tohoku海啸引发的电离层扰动.观测结果表明,在日本上空的电离层中存在两种重力波信号,分别由海平面的海啸波以及地震破裂过程产生.地震产生的电离层重力波分布在震中周围（包括海洋上空以及远离海洋的区域）,而海啸引发的电离层重力波主要分布在海洋上空.地震产生的电离层重力波具有不同的水平速度,包括约210 m·s^-1以及170 m·s^-1,其频率为1.5 mHz;而海啸引发的电离层重力波水平速度快于前者,约为280 m·s^-1,其频率为1.0 mHz.此外,海啸引发电离层重力波与海平面上的海啸波有相似的水平速度、方向、运行时间、波形以及频率等传播特征.本文的研究将电离层中的海啸信号与地震信号区分开来,进一步确认电离层对海啸波的敏感性.