利用中國GPS站網(wǎng)對地震波引發(fā)的大尺度電離層擾動的觀測

郝永強， 李泉翰， 郭建廣， 張效信， 楊光林， 張東和， 肖佐

1 北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871 2 國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心， 北京 100081

0 引言

在地面和低層大氣中發(fā)生的一些現(xiàn)象，如地震、海嘯、火山等，其釋放的巨大能量以聲波或重力波的形式向高層大氣傳播，導(dǎo)致電離層的擾動.基于近年來的大量研究，人們認識到地震引發(fā)電離層擾動主要有兩種途徑(Astafyeva， 2019)：一是由于震中斷層導(dǎo)致的地面或海面起伏，驅(qū)動產(chǎn)生大氣中的聲波和重力波，二是隨著地震波(主要是瑞利波)的傳播，在地震波所到之處激發(fā)大氣中的次聲波.前一種大氣波動導(dǎo)致的電離層擾動由震中向四周傳播，典型速度為幾百到1000 m·s-1，這是由聲波或重力波在大氣和電離層中的傳播速度決定的；后一種方式激發(fā)的電離層擾動跟隨瑞利波的傳播，表現(xiàn)出的速度與瑞利波相同，約為3～4 km·s-1.

對地震引起的電離層擾動的研究開始于20世紀60年代(Bolt, 1964; Davies and Baker, 1965)，近年來不斷發(fā)展的觀測技術(shù)和觀測網(wǎng)絡(luò)幫助人們形成了更全面的認識.2008年汶川地震后，利用中國區(qū)域的觀測臺網(wǎng)開展了一些研究，并發(fā)展了電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(Zhao and Hao, 2015; Huang et al., 2018; Yan et al., 2018; Wang et al., 2019).2011年3月11日日本大地震后，地震發(fā)生后的電離層擾動被多種觀測設(shè)備記錄下來，如電離層高頻多普勒(Chum et al., 2012; Hao et al., 2012)、地磁場(Hao et al., 2013; Yen et al., 2015)、測高儀(Maruyama and Shinagawa, 2014)、GPS接收機測量的電離層總電子含量(total electron content, TEC)等(Astafyeva et al., 2011; Liu et al., 2011; Rolland et al., 2011a; Komjathy et al., 2012; Occhipinti et al., 2013)等.綜合這些觀測發(fā)現(xiàn)，地震引起的大氣擾動在從地面向電離層傳播的過程中，依次影響了電離層電流/磁場和電子密度(Liu et al., 2016).

此次地震在震中附近(近場)引發(fā)的電離層擾動，被日本區(qū)域密集的GPS接收機網(wǎng)絡(luò)清晰地記錄了下來.分析GPS TEC擾動發(fā)生的時間與其距震中的距離之間的關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)擾動的傳播速度主要有兩個分支，分別對應(yīng)前述的震中斷層和瑞利波兩種擾動激發(fā)的來源 (如Liu et al., 2011; Galvan et al., 2012; Kakinami et al., 2013; Rolland et al., 2011a).這次地震還引發(fā)了強烈的海嘯，海面的起伏導(dǎo)致了以震中為中心的同心環(huán)狀向外傳播的電離層擾動，以及在震中上空出現(xiàn)低電子密度區(qū)等有趣的特征(Tsugawa et al., 2011; Kakinami et al., 2012; Astafyeva, et al., 2013; Zettergren et al., 2017; 唐龍等, 2017a, b).密集的GPS TEC數(shù)據(jù)清楚地展示了這些現(xiàn)象的觀測特征.

這次海底地震引發(fā)的海嘯橫越了太平洋，使得地震的能量波及到遠離震中(遠場)的區(qū)域.當(dāng)海嘯波到達美國西海岸時，其產(chǎn)生的大氣重力波擾動了上空的電離層，被美國的GPS觀測網(wǎng)記錄下來(Azeem et al., 2017).然而在陸地上，地震的能量主要以瑞利波的形式傳播到遠場區(qū)域.在地震波傳播的同時，地表震動通過大氣耦合至電離層高度，所以可觀測到電離層擾動與瑞利波同步地以3～4 km·s-1的水平速度傳播到距震中數(shù)千公里之外(Chum et al., 2012; Hao et al., 2012, 2013; Liu et al., 2016).這些研究主要基于為數(shù)不多的觀測臺站，能夠確定擾動傳播到遠場的大致速度，但卻無法獲知電離層擾動在遠場的大尺度空間結(jié)構(gòu).

要對遠場擾動的大尺度空間結(jié)構(gòu)進行研究，需要觀測站網(wǎng)與震中的相對位置合適，并具有較高的臺站密度.對于2011年3月11日的日本大地震，中國區(qū)域內(nèi)的GPS接收機網(wǎng)絡(luò)提供了寶貴的觀測機會，本文基于數(shù)百臺GPS接收機觀測數(shù)據(jù)，分析了此次地震后中國上空電離層出現(xiàn)的擾動，首次揭示了瑞利波在遠場導(dǎo)致的大尺度電離層擾動的空間結(jié)構(gòu).

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理和擾動提取

2011年3月11日05∶46∶24 UT，在日本本州東海岸發(fā)生了MW9級的大地震，震中位于東經(jīng)142.4°，北緯38.3°.本研究用到的數(shù)據(jù)來自中國境內(nèi)約470臺GPS接收機，地理位置的分布如圖1所示，可見接收機距震中大圓距離大多為20°～40°，即約2200～4400 km之間.在地震發(fā)生前后，位于接收機網(wǎng)絡(luò)上空的GPS衛(wèi)星主要有G09、G15、G18、G21、G27等.接收機記錄GPS衛(wèi)星L1、L2兩個頻率上導(dǎo)航信號，利用信號的偽距和載波相位信息，解算了電離層垂直TEC.基于電離層薄殼假設(shè)，將TEC測量值的經(jīng)緯度位置映射到400 km高度處.具體解算方法和過程參看Zhang等(2009, 2010).衛(wèi)星的截止仰角設(shè)置為 30°，以減少多徑效應(yīng)等干擾因素.

圖1 2011年3月11日日本地震震中和本文所用的GPS衛(wèi)星、接收機的地理位置紅星表示地震震中位置，虛線是距震中大圓距離分別為20°、30°、40°處，藍點是接收機臺站位置，品紅點是地震發(fā)生時上空5顆GPS衛(wèi)星投影到地面的位置.Fig.1 Map of the epicenter of 11 March 2011 Tohoku earthquake and locations of GPS satellites/receiversRed star is the location of epicenter, and dotted arcs denote the great circle distance of 20°, 30°, and 40° from the epicenter. Blue dots are locations of GPS receivers, and magenta dots are locations of 5 GPS satellites projected to the surface.

為了提取地震導(dǎo)致的TEC變化，對于每臺接收機測量到的TEC時間序列進行濾波擬合以取得其背景值，此處采用滑動窗內(nèi)多項式最小二乘擬合的Savitzky-Golay方法.用原觀測值減去擬合得到的背景值序列，即得到擾動量的時間序列.由于不同接收機數(shù)據(jù)的時間分辨率不同，有的是30 s，有的是1 min，Savitzky-Golay濾波擬合的時間窗口都取為6 min，這樣提取出的主要是周期短于6 min的短時擾動.圖2a顯示了對mnzi站數(shù)據(jù)進行處理的過程，疊加在原始TEC觀測值上的實線是擬合得到的背景趨勢，相減后可見在06∶20 UT左右發(fā)生短時的TEC擾動.

圖2 提取TEC擾動的方法示例(a)和對部分臺站數(shù)據(jù)進行處理的結(jié)果(b)(a)中上為原始TEC觀測值和擬合得到的背景趨勢(實線)，下為去掉背景后的擾動時間序列.圖中數(shù)據(jù)均來自于G15衛(wèi)星信號，并標(biāo)示了臺站代號(緯度，經(jīng)度).Fig.2 Demonstration of the detection of TEC disturbances (a) and the results for several GPS stations (b)The upper part of panel (a) displays the original TEC data and fitted trend (solid line), and the lower part shows the time series of disturbance after removal of the trend. The TEC data are all from signals of G15 satellite, and the codes (latitude, longitude) of GPS stations are denoted.

圖2b顯示了部分接收機從G15衛(wèi)星信號中得到的TEC擾動序列，可見擾動最大幅度可超過0.5 TECU(TEC單位，1 TECU=1016el/m2).圖中由下而上，臺站距震中距離越來越遠，在距震中越遠的臺站，TEC擾動發(fā)生的時間越晚.

2 結(jié)果

在G09、G15、G18、G21、G27這幾顆衛(wèi)星中，G21衛(wèi)星信號中測得的TEC擾動最少，幅度也小，這是由于對擾動的探測依賴于接收機-衛(wèi)星連線的方向，具體詳見后文討論部分.此處的分析主要基于G09、G15、G18、G27四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù).

2.1 電離層擾動的起始時間

以G27衛(wèi)星的數(shù)據(jù)為例，圖3在時間與距震中的大圓距離坐標(biāo)下組織TEC數(shù)據(jù).從TEC擾動發(fā)生的時間—距離關(guān)系，可看到在距震中越遠的地方擾動開始得越晚，說明這些擾動應(yīng)與地震的發(fā)生和能量的向外傳播有關(guān).

圖3 從G27衛(wèi)星數(shù)據(jù)中提取的TEC擾動發(fā)生的時間-距離關(guān)系三條虛線分別表示地震波P波(品紅)、S波(紅色)、瑞利波(藍色)隨時間到達不同的震中距離(延時11 min).Fig.3 Time-distance diagram of the TEC disturbances from G27 satelliteThe three dashed lines denote the arrival of seismic P (magenta), S (red) and Rayleigh (blue) waves (delayed 11 min).

圖3中自左向右，前兩條斜線分別標(biāo)出地震P波、S波到達不同距離處的時間作為參考，此處采用美國地質(zhì)調(diào)查局給出的典型P波、S波傳播時間和大圓距離的關(guān)系(參看https:∥www.usgs.gov/natural-hazards/earthquake-hazards/science/earthquake-travel-times)；第三條斜線給出瑞利波的傳播，其速度依據(jù)該區(qū)域內(nèi)多個地震儀記錄擬合的結(jié)果，取為3.77 km·s-1(Hao et al., 2013).地震波能量從地表向上傳輸?shù)诫婋x層需要一定的時間，基于不同的觀測手段和觀測高度，以往的研究發(fā)現(xiàn)該時間為4～14 min不等(Tsai et al., 2011; Liu and Sun, 2011; Hao et al., 2012, 2013; Liu et al., 2016).本文所用GPS TEC反映的是電離層較高高度處的等離子體，通過比較瑞利波到達時間和TEC擾動開始的時間，發(fā)現(xiàn)該延時取為11 min時與觀測符合較好.所以在圖3中，將P波、S波和瑞利波的到達時間推遲了11 min顯示(三條虛線)，以便與TEC擾動相對照.

圖3顯示，TEC擾動的開始時間與瑞利波的傳播斜線基本符合，說明電離層擾動是隨著瑞利波的傳播同步發(fā)生的：瑞利波以3.77 km·s-1的速度從震中向外傳播，在到達任一位置處都會激發(fā)大氣波動，之后波動上傳到電離層高度并導(dǎo)致TEC擾動.由圖3可以看到，該現(xiàn)象的發(fā)生覆蓋中國大部分區(qū)域，可一直影響到距震中大圓距離40°(超過4000 km)的中國西部地區(qū).在更遠距離的臺站(參見圖1，主要位于新疆)，則未觀測到明顯的擾動.

2.2 密集GPS網(wǎng)絡(luò)觀測到的電離層擾動空間結(jié)構(gòu)

上一節(jié)給出了TEC擾動在距震中距離這一個維度上的時延、速度等特征，如果將數(shù)據(jù)顯示在經(jīng)緯度坐標(biāo)下，則將揭示TEC擾動的二維空間結(jié)構(gòu)信息.按圖1所示，大部分GPS接收機位于中國中東部地區(qū)，但分布很不均勻，比如在江蘇、山西兩省接收機密集且均勻覆蓋，但在其他區(qū)域也存在較大空白.圖4首先給出江蘇、山西兩區(qū)域接收機的觀測數(shù)據(jù).

在經(jīng)緯度坐標(biāo)下，畫出每一時刻G09、G15、G18、G27四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，每30 s可得到一幅TEC擾動圖，圖4中對山西、江蘇兩區(qū)域的數(shù)據(jù)分別選擇顯示了四個代表性時刻.由于這四顆衛(wèi)星相對于接收機分別處于不同的方位角(參看圖1中的衛(wèi)星位置)，TEC數(shù)據(jù)映射到電離層的位置會有所錯開，從而覆蓋了更大的空間區(qū)域.以圖4e為例，山西地區(qū)接收機的TEC數(shù)據(jù)點分為了兩群，左邊一群為接收G18衛(wèi)星信號所得到的，而右邊一群則是G15、G27、G09衛(wèi)星的數(shù)據(jù)重疊在一起.

圖4 江蘇和山西兩區(qū)域接收機觀測到的TEC擾動經(jīng)緯度分布(a—d) 江蘇； (e—h) 山西.觀測數(shù)據(jù)來自G09、G15、G18、G27四顆衛(wèi)星，虛線為延時11 min顯示的地震波S波(紅色)、瑞利波(藍色)的位置.Fig.4 Geographic distribution of TEC disturbances from receivers in JiangSu and ShanXi(a—d) JiangSu; (e—h) ShanXi. The data are from signals of G09, G15, G18, and G27 satellites. The dashed curves denote arrival locations of seismic S (red), Rayleigh (blue) waves (11 min delayed).

按2.1節(jié)所述，簡化地認為地震波P波、S波、瑞利波從震中向各個方向均勻地傳播，并假設(shè)地震波能量從地面?zhèn)鞑サ诫婋x層需要11 min.與圖3類似的，將地震波的到達的位置延時11 min后用虛線標(biāo)示在圖4中.在圖4中可見，地震波到達中國大陸東海岸后，該地上空最早在06∶07UT出現(xiàn)TEC擾動(圖4b);在06∶10UT，TEC擾動呈現(xiàn)條紋結(jié)構(gòu)，走向大致為西北-東南(圖4c)；由06∶10UT和06∶12UT圖可見擾動繼續(xù)向南向西運動，條紋走向漸趨于東西方向，并逐漸減弱(圖4c—d).山西地區(qū)的接收機也觀測到類似擾動，如圖4(e—h)所示，西北-東南的擾動條紋在瑞利波到達后出現(xiàn)，并同樣向南向西運動.

2.3 電離層擾動的大尺度空間結(jié)構(gòu)

圖5給出所有臺站觀測的TEC擾動在經(jīng)緯度坐標(biāo)下的二維分布，與圖4類似的，匯集G09、G15、G18、G27四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)后，提高了空間覆蓋，中國中東部地區(qū)的臺站空白區(qū)域大多得到了填補，從而可給出完整的電離層擾動的大尺度空間結(jié)構(gòu).

圖5 大尺度TEC擾動的經(jīng)緯度分布三條虛線分別表示地震波P波(品紅)、S波(紅色)、瑞利波(藍色)的位置(延時11 min).震中和衛(wèi)星位置的標(biāo)識與圖1相同.Fig.5 Geographic distribution of large-scale TEC disturbancesThe dashed curves denote arrival locations of seismic P (magenta), S (red), Rayleigh (blue) waves (11 min delayed). Locations of the epicenter and GPS satellites are marked in the same way as in Fig.1.

在圖5中把地震波到達與電離層擾動的位置相對照，可以看到：在06∶05UT，地震波尚未到達觀測區(qū)域，沒有擾動發(fā)生；在06∶09 UT，在瑞利波(藍色虛線)到達中國大陸后，電離層中的擾動最早從東部沿海地區(qū)開始出現(xiàn)；隨著瑞利波的傳播，擾動區(qū)域逐漸擴展到更西和更南的區(qū)域，并形成多個條紋狀的擾動結(jié)構(gòu).條紋的走向在中緯度主要為西北-東南走向，而到了低于北緯30°的區(qū)域，條紋大致為東西走向.

3 討論和結(jié)論

與一個固定的點源激發(fā)大氣波動不同，地震波是在不斷傳播的，而成為運動的激發(fā)源.在該過程中激發(fā)的一系列大氣波動會疊加起來，形成沿瑞利波傳播方向傾斜的波前.由于瑞利波的波速(3～4 km·s-1)比大氣聲速(340 m·s-1)高很多，該波前與地面的夾角約為5～10°，在電離層高度聲速約800 m·s-1，則夾角增大至10～20°(Rolland et al., 2011b; Kakinami et al., 2013; Inchin et al., 2020).接收機-衛(wèi)星連線方向與波前方向越平行，則越能敏感地捕捉到擾動帶來的等離子體變化.反之，如果兩個方向接近垂直，接收機-衛(wèi)星連線將同時穿過擾動的波峰波谷，因為TEC測量的是信號路徑上的積分電子含量，所以正負擾動抵消，此時會無法探測到明顯的擾動現(xiàn)象.G21衛(wèi)星與接收機連線的方向就屬于這種情況，所以如前文所述G21衛(wèi)星數(shù)據(jù)中只探測到少而弱的TEC擾動.

瑞利波從震中向四周傳播，理應(yīng)在各個方向上都形成上述的波前結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的電離層擾動是以震中為圓心的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，模擬研究也再現(xiàn)了這種環(huán)形TEC擾動的主要特征(Rolland et al., 2011b; Inchin et al., 2020).對于此次地震，在震中附近的GPS網(wǎng)絡(luò)確實觀測到圓環(huán)狀的、從震中向四周傳播的TEC擾動，速度與瑞利波速相近(Tsugawa et al., 2011; Kakinami et al., 2013).但是，在遠場類似的觀測證據(jù)還比較少，如在臺灣地區(qū)的GPS網(wǎng)觀測到大致東西走向的TEC擾動(Chen et al., 2011).本文圖4則顯示，江蘇地區(qū)擾動先開始，條帶起初是偏西北—東南方向，后來趨于大致東西方向；山西地區(qū)的擾動主要為西北—東南走向.結(jié)合這兩個區(qū)域的觀測和相對于震中的方位可以看出，擾動開始時的形態(tài)似乎與瑞利波形成的大氣波動的疊加波前有關(guān)，即以震中為圓心的環(huán)狀結(jié)構(gòu).但圖5顯示，在更大的空間尺度上，TEC擾動結(jié)構(gòu)多以東西向為主，并非以震中為圓心的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，這與前述在震中附近觀測到的現(xiàn)象完全不同.

圖4和圖5中擾動條帶的運動方向主要向南，這是由于地磁場的傾角特點會導(dǎo)致擾動的南北不對稱，即大氣擾動會在朝向赤道一側(cè)(在北半球即為向南)產(chǎn)生較強的電離層擾動(Rolland et al., 2011b; Kakinami et al., 2013).但需要強調(diào)的是，在南方(低緯地區(qū))出現(xiàn)的擾動并不是從北方傳播過去的，而是由瑞利波在當(dāng)?shù)丶ぐl(fā)產(chǎn)生為主，原因如圖3所示，TEC擾動的出現(xiàn)是與瑞利波的傳播同步的，它們具有相同的約3.77 km·s-1的水平速度；并且從圖5顯示的時間切片可知，條帶結(jié)構(gòu)傳播速度較慢，不足以迅速地從北方傳播到低緯地區(qū).這不同于Chen等(2011)的研究，他們認為臺灣上空觀測到的TEC擾動直接來源于震中產(chǎn)生的次聲波，并估算其水平傳播速度為1000～1700 m·s-1.

圖5顯示條帶在中緯度產(chǎn)生時更偏向西北—東南走向，之后逐漸轉(zhuǎn)向，特別是在低緯度區(qū)域，大致為東西走向.這說明擾動波前在傳播時發(fā)生了逆時針的旋轉(zhuǎn)，該過程可能與地磁場作用下的中性-離子耦合有關(guān).在對大氣波動導(dǎo)致的電離層行擾的研究中發(fā)現(xiàn)：因為在電離層F區(qū)離子磁回旋頻率遠高于離子-分子碰撞頻率，中性分子推動等離子體沿磁力線運動的效率是最高的，同時在磁場方向上離子曳力對大氣波動的阻尼作用最弱，這最終導(dǎo)致大氣波動和電離層行擾的傳播都以沿磁場方向為主(Liu and Yeh, 1969; Kelley and Miller, 1997).本文觀測到的TEC擾動結(jié)構(gòu)的傳播和轉(zhuǎn)向，可能也經(jīng)歷了類似的過程.

綜合本文的觀測事實可以推斷：在距震中不同距離處，瑞利波到達后其能量從地表經(jīng)大氣耦合到達電離層高度，并導(dǎo)致TEC擾動.但觀測到的電離層大尺度擾動并不是以震中為圓心的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，說明它不是第一時間由瑞利波產(chǎn)生的，而是擾動產(chǎn)生后在傳播過程中被改變形成的形態(tài)：瑞利波激發(fā)的電離層擾動在電離層中自由傳播，其方向在地磁場作用下轉(zhuǎn)為南向為主，形成東西走向的TEC條帶.本文首次給出了地震遠場瑞利波產(chǎn)生的電離層大尺度擾動結(jié)構(gòu)，但這些擾動激發(fā)和傳播的具體過程還有待更深入的研究.

致謝感謝子午工程提供部分GPS接收機觀測數(shù)據(jù).