NWC通信臺在電離層中激發(fā)電磁響應(yīng)的時變特征

趙庶凡, 張學(xué)民， 趙正予， 申旭輝， 周晨

1 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036 2 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢 430072

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NWC通信臺在電離層中激發(fā)電磁響應(yīng)的時變特征

趙庶凡1,2, 張學(xué)民1， 趙正予2， 申旭輝1， 周晨2

1 中國地震局地震預(yù)測研究所, 北京 100036 2 武漢大學(xué)電子信息學(xué)院， 武漢 430072

本文利用DEMETER衛(wèi)星VLF頻段電場和磁場頻譜數(shù)據(jù)對DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間2005年至2009年澳大利亞甚低頻(Very Low Frequency)通信臺NWC發(fā)射的通信信號造成的電離層電磁響應(yīng)的日變化、季節(jié)變化及年變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果表明電磁響應(yīng)日變化顯著，夜間電場強(qiáng)度明顯增強(qiáng)可達(dá)40 dB，磁場變化略小也可為15 dB左右，而季節(jié)變化不顯著，年變化主要受太陽活動的影響，太陽活動越強(qiáng)，電磁響應(yīng)越小.為解釋數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對地-電離層電磁波傳播過程采用傳遞矩陣方法進(jìn)行了模擬計算，模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析的結(jié)果一致.我們認(rèn)為這種隨時間變化的特點可能由250 km以下電離層電子密度分布特征導(dǎo)致，因此研究 250 km以下的電離層電子密度變化可能對尋找地震電離層電磁異常有重要意義.

VLF； DEMETER衛(wèi)星； 電磁響應(yīng)； 傳遞矩陣

1 引言

電離層等離子體主要由太陽極紫外(EUV)和X射線輻射造成上層大氣的中性成分電離產(chǎn)生.因此，電離層具有明顯的日變化，27天變化和太陽活動周期變化(熊年祿等，1999；Rich et al., 2003; Liu et al., 2006, 2007)等.這些變化構(gòu)成了電離層背景特征.一些研究者利用法國DEMETER衛(wèi)星觀測到了發(fā)生在地震活動區(qū)上空的電磁場擾動(Parrot et al., 2006; Zhang et al., 2009, 2014)，它們有很寬的頻帶范圍(Parrot, 1994; Molchanov and Hayakawa, 2008)，從Ultra Low Frequency(ULF, DC～15 Hz)到Extreme Low Frequency(ELF, 15～30 Hz)甚至到幾十千赫茲的Very Low Frequency(VLF，3～30 kHz)頻段.地震前兆激發(fā)的電磁輻射在不同電離層背景下呈現(xiàn)怎樣的電磁響應(yīng)變化特征？了解這些特征可為我們判別地震電離層電磁前兆提供依據(jù).由于地震電磁輻射的輻射能量及頻率等信息目前尚無法確定，因此我們可以借助全球范圍內(nèi)的地面VLF潛艇通信臺和通信臺發(fā)射的電磁信號，它們的發(fā)射功率和發(fā)射頻率都是已知的(表1)，其信號進(jìn)入電離層能夠被衛(wèi)星觀測儀器記錄.本文將利用澳大利亞NWC發(fā)射的大功率、高信噪比VLF信號，研究其在電離層中激發(fā)響應(yīng)的時變特征，為地震導(dǎo)致的電離層電磁輻射異常判定提供背景參考.在眾多發(fā)射站中NWC是目前南半球最大的VLF發(fā)射源，并且由于它處于中緯地區(qū)，也是對輻射帶影響最大的人工發(fā)射源(Kulkarni et al., 2008; Li et al., 2014).

本文通過統(tǒng)計分析DEMETER衛(wèi)星記錄的NWC通信臺激發(fā)的電磁場數(shù)據(jù)，研究DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間(2005—2009年)的電磁響應(yīng)的日變化、季節(jié)變化和年變化特征.采用傳遞矩陣解法(Nagano et al., 1975; Nygrén, 1982; Yagitani et al., 1994)求解電離層中的電磁波傳播方程，模擬VLF電磁波在不同電離層環(huán)境中傳播的變化特征，與觀測記錄進(jìn)行對比，給出不同時間的電離層背景對電磁波傳播的影響，為尋找地震導(dǎo)致的電離層電磁輻射異常判定提供背景參考.

表1 主要VLF發(fā)射站列表Table 1 List of major VLF transmitter

2 電磁響應(yīng)時變特征統(tǒng)計分析

法國DEMETER(Detection of Electro-Magnetic Emission Transmitted from Earthquake Regions)衛(wèi)星自2004年8月運(yùn)行至2010年12月，為準(zhǔn)太陽同步極軌衛(wèi)星，軌道傾角98.23°，運(yùn)行高度710 km(2005 年12 月中旬改為660 km)，衛(wèi)星重量130 kg.衛(wèi)星上的電磁場探測載荷有： 1)電場探測設(shè)備ICE，用四個電傳感器測量電場的三分量(利用各傳感器之間的電勢差)，頻率范圍從DC/ULF(0～15 Hz)、ELF(15 Hz～1 kHz)、VLF(15 Hz～17.4 kHz)到HF(15 Hz～3.175 MHz)；2)磁場探測設(shè)備IMSC，由三個正交的磁探測線圈組成，頻率范圍為DC～VLF.DEMETER衛(wèi)星觀測有兩種模式：巡查(survey)模式和加密(burst)模式，其中巡查模式數(shù)據(jù)量小，用于記錄不變緯度低于65°的所有地球區(qū)域的數(shù)據(jù)；加密模式用在地震多發(fā)區(qū)域，數(shù)據(jù)量大，具有更高的時間和頻率分辨率.針對電磁場探測數(shù)據(jù)，詳查模式(burst)保存地震多發(fā)區(qū)域的電場和磁場波形數(shù)據(jù)，采樣率40 kHz；巡查模式(survey)保存全球的電場和磁場譜數(shù)據(jù)，譜分辨率約20 Hz，時間分辨率約為2 s.本文研究利用的是survey 模式下的DEMETER電場探測儀(ICE)和感應(yīng)式磁力儀(IMSC)記錄的VLF頻段電場和磁場譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從DEMETER衛(wèi)星中心獲得.

澳大利亞VLF通信臺NWC，位于地理坐標(biāo)21.816°S，114.166°E處，發(fā)射功率為1000 kW，發(fā)射中心頻率為19.8 kHz，發(fā)射帶寬約為200 Hz.NWC通信臺為連續(xù)工作，在2007年6月關(guān)機(jī)，直到2008年1月底重新開機(jī)，此次維護(hù)時間約為8個月左右.

我們從DEMETER衛(wèi)星觀測的電磁場功率譜數(shù)據(jù)中提取以19.8 kHz為中心頻率、200 Hz帶寬內(nèi)的功率譜數(shù)據(jù)，求得對應(yīng)的均方根(RMS)電場和磁場強(qiáng)度，認(rèn)為是NWC發(fā)射站信號在電離層中的響應(yīng)，對獲得的電場和磁場強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析.圖1是一天中DEMETER衛(wèi)星處在上升軌道時(地方時夜間)測量得到電場強(qiáng)度的全球分布圖，其中紅色五角星表示發(fā)射站位置.DEMETER衛(wèi)星通過NWC發(fā)射站區(qū)域的時間為地方時10時和22時左右.數(shù)據(jù)以半軌道記錄，存儲在星載高容量存儲器上，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過地面控制站時，每天和地面發(fā)生兩次數(shù)據(jù)交換.

Cohen和Inan(2012)利用DEMETER衛(wèi)星(660 km高度)整個運(yùn)行期間觀測到的NWC發(fā)射站信號的電場數(shù)據(jù)，研究了電磁響應(yīng)的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)空間輻射圖樣呈現(xiàn)同心圓分布，且輻射的同心圓中心點在地面的投影相對于發(fā)射源所在的位置有沿著經(jīng)向的偏移，位于發(fā)射源上空80 km處的磁力線在660 km高度的穿刺點位置，這是由于在80 km以上VLF電磁波主要沿著磁力線傳播導(dǎo)致.因此本研究在統(tǒng)計分析發(fā)射源在電離層中激發(fā)的響應(yīng)時，沒有選取以發(fā)射源為中心的區(qū)域，而是選取的以發(fā)射源在660 km高度激發(fā)的輻射圖樣的中心為數(shù)據(jù)中心.

因此，本文選取同心圓的中心位置周邊10°×10°地理范圍內(nèi)，2005年至2009年的DEMETER衛(wèi)星電磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究地面VLF輻射源在電離層中激發(fā)電磁響應(yīng)的年變化、季節(jié)變化以及日變化規(guī)律.首先比較了2005年電場和磁場春季(8—10月)、夏季(11月—次年1月)、秋季(2—4月)、冬季(5—7月)四個季節(jié)的季節(jié)變化，以及白天圖2為2005年NWC發(fā)射站在電離層中激發(fā)的電場的響應(yīng)的日變化和季節(jié)變化，從圖中可以發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度有顯著的日夜變化，而季節(jié)變化不顯著.場強(qiáng)日變化可達(dá)40 dB，季節(jié)變化最大約7 dB.

(10LT)與夜間(22LT)之間的日變化.

圖2還可見在10LT，0～3 dB-μV/m(即1～1.4 μV/m)處概率值很大，這是因為在10LT，由于電子密度很大，NWC信號除了在發(fā)射源上空附近能收到一定強(qiáng)度的信號外，選取的研究區(qū)域的其他位置基本收不到信號，也就是說輻射源信號到達(dá)衛(wèi)星高度后在水平方向的衰減很快.

圖3為2005年NWC發(fā)射站在電離層中激發(fā)的磁場的響應(yīng)的日變化和季節(jié)變化，從圖中可以發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度比電場強(qiáng)度變化小，但仍有顯著的日夜變化，而季節(jié)變化不顯著.10LT與22LT之間磁場強(qiáng)度變化可達(dá)20 dB，而四個季節(jié)的磁場強(qiáng)度變化約為3 dB.

為了研究電磁響應(yīng)的年變化特征，從圖2可知春季夜間電磁場響應(yīng)最強(qiáng)，因此本研究利用2005年至2009年DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析了春季夜間電磁場的年變化，結(jié)果如圖4所示，左列五幅圖分別是2005年至2009年電場統(tǒng)計結(jié)果，右列五幅為磁場統(tǒng)計結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)電場響應(yīng)的年變化不明顯，磁場有同樣結(jié)果.2005年至2009年的電磁場強(qiáng)度年變化并不顯著的可能原因是2005年至2009年太陽活動均處于較低年份，電離層電子密度變化不顯著.電離層電子密度對電磁響應(yīng)的影響將在本文第4節(jié)數(shù)值模擬中進(jìn)一步分析.

圖2 2005年太陽活動低年VLF發(fā)射源激發(fā)的電場強(qiáng)度不同時間統(tǒng)計分布 (第一列為四個季節(jié)10LT，第二列為四個季節(jié)22LT)Fig.2 Statistical distribution of electric field intensity excited by VLF transmitter in 2005 low solar activity (First column shows the results at 10LT and second column at 22LT in the four different seasons)

圖4 2005年至2009年春季夜間VLF發(fā)射源激發(fā)的電場強(qiáng)度統(tǒng)計分析Fig.4 Statistical distribution of electric field intensity excited by VLF transmitter from 2005 to 2009

值得注意的是2007年8月至10月的電場和磁場強(qiáng)度明顯小于其他年份，這是由于2007年6月至2008年1月曾暫停發(fā)射8個月.

3 計算方法

由于VLF頻段波長很長，電離層參數(shù)在一個波長變化范圍內(nèi)變化劇烈，因此把電離層假設(shè)為水平分層介質(zhì).而傳播矩陣法是計算低頻電磁波在分層介質(zhì)中傳播的一種手段.VLF電磁波穿透低電離層，由于碰撞作用被強(qiáng)烈吸收，電子與離子及中性粒子的碰撞不可忽略.穿過電離層D區(qū)后地磁場對電磁波傳播起主導(dǎo)作用，因此模型計算時必須考慮地磁場作用導(dǎo)致的電離層各向異性.綜上所述，實質(zhì)是解決水平分層各向異性有耗介質(zhì)的電磁波傳播問題，該問題一直以來是電磁波傳播計算中的難點.

計算選取的笛卡兒坐標(biāo)系如圖5所示，y軸和z軸分別指向地磁北和垂直方向.x軸與y和z軸正交.一個平面波入射只有z方向不均勻的各向異性電離層，入射面為x-z面，入射角為θi，斜向地磁場H0的方向余弦為(l,m,n).

設(shè)場的時諧因子為ejω t，則介質(zhì)中電磁波滿足下面的Maxwell方程組

(1)

(2)

假設(shè)電離層如圖6水平成層，在x和y方向均勻，只有z方向變化.則每層的入射波場各分量的時空因子為exp[jωt-jk0(Sx+Cz)],其中k0是自由空間中的波數(shù)，S=sinθi,C=cosθi.

利用Snell法則消去方程(1)中Ez和Hz分量，Maxwell方程化為更簡潔的形式(Budden, 1961)

(3)

圖6 水平分層介質(zhì)中的波Fig.6 Waves in the horizontal stratified media

(4)

當(dāng)介質(zhì)有耗時，(4)式的傳遞矩陣連乘時會出現(xiàn)溢出問題，本文采用Nagano提出的格蘭施密特正交化方法(Kunz, 1957)克服該數(shù)值溢出問題.

4 數(shù)值模擬結(jié)果

計算時模型設(shè)80km以下為自由空間；80～700km為水平分層各向異性電離層，分層厚度為1.55km；700km以上認(rèn)為是均勻各向異性半空間.利用InternationalReferenceIonospheremodel(IRI模型)(Bilitza，2001)計算電子數(shù)密度在80～700km的剖面.電子碰撞頻率在80～300km采用Cummer(2000)提出的模型；300～700km庫侖碰撞起主導(dǎo)作用，采用Helliwell(1965)的碰撞模型.利用InternationalGeomagneticReferenceField(IGRF地磁場模型)(Barton, 1997)計算NWC發(fā)射站處地磁場強(qiáng)度45μT，傾角為-55°，偏角設(shè)為0.1°.

4.1 NWC電磁響應(yīng)日變化季節(jié)變化規(guī)律

為解釋NWC在電離層激發(fā)的電磁響應(yīng)呈現(xiàn)的變化特征，本研究選取了NWC發(fā)射源2005年春分、秋分、夏至、冬至10LT及22LT的電子密度剖面(圖7)進(jìn)行四個季節(jié)的模擬.

圖7 計算使用的2005年四個季節(jié)電子密度剖面 (實線表示10LT，虛線表示22LT)Fig.7 Electron density profile used in the calculation of four seasons in 2005 (Solid line present 10LT, and dashed line present 22LT)

模擬結(jié)果顯示電場強(qiáng)度日變化最大達(dá)30 dB以上，而季節(jié)變化最大約10 dB，夜間夏季和冬季的差別最大，夏秋幾乎無差別，白天秋季與其他三個季節(jié)差別均較大，磁場強(qiáng)度四個季節(jié)之間的夜間幾乎無變化，白天最大差別約15 dB，這與DEMETER衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致.

分析IRI模型的電子密度分布發(fā)現(xiàn)：250 km以下季節(jié)區(qū)別不大，而250 km以上季節(jié)差別較大.圖8為不同電子密度分布情況下，電磁場隨傳播高度的變化.計算結(jié)果表明，電磁波能量的傳播衰減隨季節(jié)變化不大，主要體現(xiàn)在夜間與白天的顯著變化.這一模擬計算結(jié)果與前文DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致，并且與250 km以下電子密度的時間變化特征一致，說明250 km以下電子密度分布對電磁波能量起著重要作用，電子密度越大，電磁波能量衰減越大.

4.2 太陽活動對NWC電磁響應(yīng)影響

數(shù)據(jù)分析中2005年至2009年年變化特征不顯著的原因可能是2005年至2009年太陽活動都處于較低年份，因此為分析太陽活動對電磁響應(yīng)的影響，我們對DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間太陽活動最強(qiáng)年份2005年及太陽活動最低年份2009年冬夏兩季夜間的電磁場也進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如圖9所示，2005年和2009年的電磁場場強(qiáng)變化不大.2009年的冬季電場及磁場均比2005年強(qiáng)，而夏季則比2005年弱，這與數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也一致.

從NOAA網(wǎng)站獲取太陽射電通量F10.7指數(shù)數(shù)據(jù)，給出了年均值變化趨勢圖，以及2001年和2005年至2010年F10.7指數(shù)的年變趨勢，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，2005年與2009年實際上都處于太陽活動較低的階段，為判斷太陽活動對衛(wèi)星高度電磁響應(yīng)的影響，我們選擇太陽活動最強(qiáng)的2001年作為對比，選取2001年夏至冬至22LT的IRI電子濃度剖面，以NWC源作為輸入進(jìn)行數(shù)值模擬，與2009年電場和磁場結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)在太陽活動較強(qiáng)的2001年，電場及磁場的響應(yīng)較2009年顯著降低(圖11).因此，太陽活動對電離層電磁響應(yīng)強(qiáng)度有影響，并且太陽活動越強(qiáng)烈，電離層中的電磁響應(yīng)越小.

圖8 2005年電磁場隨高度的變化Fig.8 The electric and magnetic field vary with altitude in 2005

圖9 太陽活動不同年份2005年(實線)和2009年(虛線)電磁場強(qiáng)度對比Fig.9 Comparison of electromagnetic field between different solar activities in 2005 (solid line) and 2009 (dashed line)

圖11 太陽活動不同年份2001年(實線)和2009年(虛線)電磁場強(qiáng)度對比Fig.11 Comparison of electromagnetic field between different solar activities in 2001 (solid line) and 2009 (dashed line)

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

本文模擬了NWC發(fā)射源的電離層電磁響應(yīng)時間變化特征，模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析的結(jié)果一致，利用本研究建立的模型進(jìn)行數(shù)值模擬，將有可能幫助判定地震相關(guān)的電離層異常.

圖8中2005年秋季(20050322)的仿真結(jié)果電場磁場均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他三個季節(jié)，這可能與我們選取的IRI模型20050322這一天的電子濃度在200～250 km明顯大于其他三個季節(jié)電子濃度(圖7)有關(guān)，這與本文前面推斷的250 km以下電子密度分布對電磁波能量起著重要作用的結(jié)論相吻合.因此，在判定地震電離層電磁異常的時候應(yīng)更準(zhǔn)確了解電離層電子密度的變化.還需指出的是本研究的模型是從電離層底部(50 km)到衛(wèi)星高度，在以后的工作中還需考慮從地表到電離層底部的傳播模型.

5.2 結(jié)論

本文統(tǒng)計了DEMETER衛(wèi)星在不同背景電離層下對NWC發(fā)射源的電磁響應(yīng)，并進(jìn)行了仿真模擬.得出以下結(jié)論：

(1)電場的日變化達(dá)40 dB和季節(jié)變化約7 dB，磁場日變化約15 dB，季節(jié)變化不顯著,仿真模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致.電場的變化比磁場的變化更明顯，因此通過電場數(shù)據(jù)尋找地震電離層電磁異常可能更有效.

(2)250 km以下電子密度分布日變化顯著，季節(jié)變化不大，而250 km以上電子密度季節(jié)變化顯著.計算結(jié)果與DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析結(jié)果均顯示電場和磁場的日變化顯著而季節(jié)變化不顯著，這與250 km以下電子密度的時間變化特征一致，說明250 km以下電子密度分布對電磁波能量衰減起著更重要作用，電子密度越大，電磁波能量衰減越大.

(3)在尋找地震電離層電磁異常時，為了得到異常特征應(yīng)該著重研究 250 km以下的電離層電子密度變化.

(4)太陽活動變化對VLF發(fā)射源的電離層電磁響應(yīng)有一定的影響，太陽活動越強(qiáng)烈，衛(wèi)星高度的電磁響應(yīng)越低.

致謝 感謝法國DEMETER衛(wèi)星任務(wù)中心提供的電磁場數(shù)據(jù)；日本金澤大學(xué)的Nagano教授在編程中提供了指導(dǎo)和幫助，作者在此表示感謝.感謝評審人的建議以及編輯的辛勤勞動.

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附中文參考文獻(xiàn)

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(本文編輯 何燕)

Temporal variations of electromagnetic responses in the ionosphere excited by the NWC communication station

ZHAO Shu-Fan1,2, ZHANG Xue-Min1, ZHAO Zheng-Yu2, SHEN Xu-Hui1, ZHOU Chen2

1InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China2DepartmentofSpacePhysics,SchoolofElectronicInformation,WuhanUniversity,Wuhan430072,China

The characteristic of electromagnetic field anomalies in the ionosphere excited by earthquake has been studied by many researchers using satellite observation data in recent years. This study explores what are the differences of the electromagnetic field anomalies with different ionospheric backgrounds with the help of the known VLF signal transmitted by communication station on the ground, which can be observed by satellite in the ionosphere.VLF electric and magnetic field spectral data from DEMETER satellite is used to analyze the diurnal, seasonal, and annual variations of ionospheric electromagnetic responses from 2005 to 2009, which were excited by the NWC communication station located in Australia. The Maxwell equation in the ionosphere is solved using the transfer matrix method to simulate the propagation characteristics of VLF electromagnetic waves excited by NWC transmitter. Compared with the observation result and simulation result, the electromagnetic response is obtained with different ionospheric backgrounds.The result shows the electric field at daytime is almost 40 dB larger than at nighttime, and the magnetic field is 15 dB. According to the data analysis result, it is found that seasonal and annual variations of the electromagnetic field is not very significant and solar activity has some effect on the response, which is smaller when the solar is more active. The simulation results are consistent with the data analysis. The variation of the response may be caused by the distribution of electron density below 250 km in the ionosphere. If the electron density is higher, the electromagnetic response will be lower.The variation of the electric field is much more obvious than the magnetic field, which means finding earthquake anomalies from electric data of satellite may be more efficient than the magnetic field. Getting precise electron profiles below 250 km will be very helpful for studying the electromagnetic anomalies in the ionosphere related with earthquakes.

VLF; DEMETER; Electromagnetic response; Transfer matrix

10.6038/cjg20150705.

國家國際科技合作對俄科技合作專項(2014DFR21280)，民用航天科研工程項目“電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面驗證技術(shù)研發(fā)”共同資助.

趙庶凡，女，1985年生，中國地震局地震預(yù)測研究所助理研究員，武漢大學(xué)在讀博士. E-mail: zsf2008bj@126.com

10.6038/cjg20150705

P352

2014-03-24，2015-06-23收修定稿

趙庶凡, 張學(xué)民，趙正予等. 2015. NWC通信臺在電離層中激發(fā)電磁響應(yīng)的時變特征.地球物理學(xué)報，58(7):2263-2273,

Zhao S F, Zhang X M, Zhao Z Y, et al. 2015. Temporal variations of electromagnetic responses in the ionosphere excited by the NWC communication station.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2263-2273,doi:10.6038/cjg20150705.