印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震對(duì)電離層的響應(yīng)

印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震對(duì)電離層的響應(yīng)

自從1968年阿拉斯加大地震發(fā)生以來(lái)，leonard和barna發(fā)現(xiàn)了電離層擾動(dòng)。地震前，電離層的異?，F(xiàn)象引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并取得了許多科學(xué)研究成果。然而這些研究工作大多是利用地基GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的,而地基GPS測(cè)量受自然條件的限制,有其地域的局限性,使得科學(xué)家們無(wú)法實(shí)施大范圍的觀測(cè)。因此,利用GPS掩星技術(shù)探測(cè)地震電離層效應(yīng)的方法憑借其高精度、全球覆蓋和低成本的優(yōu)點(diǎn)吸引了許多研究者的目光。Liu等分析了臺(tái)灣地區(qū)GPS觀測(cè)網(wǎng)所觀測(cè)的TEC數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前的幾天里,電離層TEC值以及電離層F2層的臨界頻率f0F2出現(xiàn)異常。由此文獻(xiàn)探討了GPS無(wú)線電掩星技術(shù)在地震電離層異常研究中的可行性。本文通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)COSMIC星座GPS掩星系統(tǒng)所獲得的電離層電子密度觀測(cè)數(shù)據(jù)的研究,分析2009年9月30日印尼蘇門答臘南部發(fā)生的7.7級(jí)地震前后其震區(qū)上空是否存在電離層的顯著異常變化。COSMIC星座由6顆低軌道小衛(wèi)星組成,于2006年4月15日發(fā)射升空。初期軌道高度約為400km,最終軌道高度為800km。每顆衛(wèi)星都擁有各自的繞地軌道,其軌道傾角為72°,并各攜帶一臺(tái)GPS接收機(jī)。目前COSMIC掩星觀測(cè)星座每天可以提供大約2000多個(gè)電離層掩星觀測(cè)剖面,每隔100min就能夠覆蓋一次全球,為研究地震電離層響應(yīng)提供了大量寶貴的數(shù)據(jù)。1天氣形勢(shì)變化本文所采用的方法選取以地震發(fā)生地帶為中心,經(jīng)度跨度為70°、緯度跨度為50°的矩形框,這個(gè)區(qū)域基本覆蓋了地震對(duì)其上空電離層引起的變化的范圍。選取時(shí)間為從地震發(fā)生前20d到地震發(fā)生后5d(即從2009年9月11日～2009年10月4日)。從COSMIC每天公布的數(shù)據(jù)中挑選出符合該空間范圍的電離層F2層最大電子密度NmF2、發(fā)生時(shí)刻(采用世界時(shí))、以及經(jīng)度和緯度。比較引人注意的是在地震發(fā)生前后兩天所觀測(cè)的掩星數(shù)據(jù)明顯減少,有可能涉及地震電離層掩星觀測(cè)的天線設(shè)計(jì)指標(biāo)和天線安裝問(wèn)題。由于每天觀測(cè)的掩星數(shù)據(jù)具有不同的時(shí)間和經(jīng)緯度的分布狀態(tài),也就是說(shuō),某一天內(nèi)的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)可能集中分布于當(dāng)日的日間時(shí)段或夜間時(shí)段,而太陽(yáng)輻射的變化可直接導(dǎo)致電離層電子密度時(shí)間、空間分布的變化。因此,本文經(jīng)過(guò)對(duì)掩星數(shù)據(jù)的仔細(xì)分析以及在考慮到地震發(fā)生時(shí)刻為當(dāng)?shù)貢r(shí)間18點(diǎn)之后,將選取世界時(shí)日間6～12點(diǎn)(即當(dāng)?shù)貢r(shí)間日間12～18點(diǎn))這段時(shí)間內(nèi)的掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。2震區(qū)高空電離層的異常擾動(dòng)載荷針對(duì)掩星數(shù)據(jù)的時(shí)間和經(jīng)緯度方面的分布不是非常的均勻,本文將地震發(fā)生前5～20d的掩星數(shù)據(jù)作為正常時(shí)刻數(shù)據(jù)組,也就是非地震時(shí)刻的一般狀態(tài)下,震區(qū)上空的電離層F2層最大電子密度NmF2的數(shù)值狀態(tài);同時(shí)把地震發(fā)生當(dāng)天到地震發(fā)生前1～5d作為地震發(fā)生前,容易造成地震電離層響應(yīng)掩星數(shù)據(jù)作為異常數(shù)據(jù)組,也就是地震發(fā)生前的震區(qū)上空電離層F2層最大電子密度NmF2的電離層狀態(tài)。而后利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)插,得到這個(gè)地區(qū)電離層參數(shù)在地震前后的狀態(tài),比較地震前第5d～第20d的電離層參數(shù)值和地震前5d內(nèi)的電離層參數(shù)值,檢驗(yàn)地震前其震區(qū)上空電離層是否存在異常擾動(dòng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種強(qiáng)非線性的數(shù)據(jù)處理技術(shù),本文采用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),也就是Back-Propagation(反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)用于函數(shù)逼近、模式識(shí)別、分類、數(shù)據(jù)壓縮等領(lǐng)域,現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到控制、預(yù)測(cè)、組合優(yōu)化等方面。本文選取的改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),輸入層3個(gè)神經(jīng)元、隱層20個(gè)神經(jīng)元、輸出層2個(gè)神經(jīng)元組成。分別將正常組和異常組作為輸入樣本集對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。即對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)整,使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)給定的輸入輸出映射關(guān)系。其學(xué)習(xí)過(guò)程包括正向和反向傳播兩個(gè)過(guò)程。當(dāng)有信息向網(wǎng)絡(luò)輸入時(shí),信息首先由輸入層傳至隱層節(jié)點(diǎn),經(jīng)特性函數(shù)作用后,再傳至下一隱層,直到最終傳至輸出層進(jìn)行輸出,期間每經(jīng)過(guò)一層都要由相應(yīng)的特性函數(shù)進(jìn)行變換。圖1所示為一典型的單隱層節(jié)點(diǎn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。3電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)分析2009年9月30日18時(shí)16分(北京時(shí)間),在印尼蘇門答臘南部地區(qū)(震中位于南緯0.8°,東經(jīng)99.8°)發(fā)生了7.7級(jí)地震。分析中數(shù)據(jù)選取的空間范圍為-30°～30°N,60°～135°E,時(shí)間范圍為2009年9月11日～2009年9月30日。查詢地震目錄和參考中國(guó)氣象局空間天氣預(yù)警中心的電離層報(bào)告,在本例所選定的范圍內(nèi),在本次地震前沒(méi)有地震發(fā)生,由圖2可知地磁KP指數(shù)值始終在4以下,9月份這段時(shí)間地磁活動(dòng)評(píng)價(jià),空間天氣未出現(xiàn)大范圍的異常,而且也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的磁暴活動(dòng),震區(qū)上空電離層活動(dòng)水平低。由此可以推斷,若震區(qū)上空電離層存在異常擾動(dòng),則很有可能是地震活動(dòng)引起的。圖3顯示的是印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震發(fā)生前20天(9月11日)到發(fā)生當(dāng)天(9月30日),經(jīng)過(guò)有效范圍內(nèi)的COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)分布圖,其中黑色實(shí)心圓點(diǎn)為9月11日～9月25日的COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)分布狀況,藍(lán)色空心方點(diǎn)則代表的是9月26日～9月30日COSMIC掩星事件提供的電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)分布情況,紅色五角星處為震中位置。以COSMIC掩星事件提供的NmF2作為輸入值,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別對(duì)地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)在1.5°×1.5°(經(jīng)度×緯度)的網(wǎng)格分辨率上進(jìn)行插值運(yùn)算,經(jīng)過(guò)改進(jìn)型BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別得到地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)的地震區(qū)域上空電離層F2層峰值電子密度的插值分布情況(如圖4、圖5),圖6為地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)地震區(qū)域上空電離層F2層最大電子密度之差,圖7為地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)地震區(qū)域上空電離層F2層最大電子密度的相對(duì)偏差。圖4、圖5、圖6、圖7中五角星位置為震中位置。通過(guò)對(duì)比可以看出,地震前5～20d(9月11日～9月25日)震中附近上空的電離層F2層電子密度峰值較高,而地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)的地震區(qū)域上空電離層F2層電子密度峰值已有了明顯的下降。從圖6、圖7中可以看出,震中附近的NmF2在地震發(fā)生前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)明顯下降,在-10°～10°N、90°～110°E地理范圍內(nèi),NmF2下降了約4×105el/cm3。與地震前5～20d(9月11日～9月25日)相比較,地震發(fā)生前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)震中附近上空區(qū)域的NmF2降低了約40%。經(jīng)過(guò)以上分析可以看到:以地震前5～20d(9月11日～9月25日)和地震前5d內(nèi)(9月26日～9月30日)震區(qū)上空電離層F2層最大電子密度NmF2為正常時(shí)狀態(tài),在地震前5d內(nèi),地震區(qū)域上空出現(xiàn)了明顯的電離層擾動(dòng),電離層F2層最大電子密度NmF2呈現(xiàn)出負(fù)異常的特征明顯。利用COSMIC掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)提取NmF2,通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值,分析地震前5d內(nèi)與地震前5～20d(參考時(shí)期)內(nèi)NmF2的相對(duì)變化,可以獲取地震前電離層異常擾動(dòng)的特征。通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值技術(shù),利用GPS無(wú)線電掩星觀測(cè)研究震前電離層擾動(dòng)現(xiàn)象是地震預(yù)測(cè)研究中的一次嘗試,在地震短臨預(yù)報(bào)工作中具有一定的應(yīng)用前景。4實(shí)施人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可行性一般認(rèn)為,在地震的孕震期、臨震期、主震和余震中,形變和電磁等地球物理場(chǎng)都要發(fā)生不同程度的變化,而在本文中主要考慮的是地震孕震期和臨震期對(duì)其上空電離層參數(shù)的影響。印尼蘇門答臘南部地區(qū)地震前后,震區(qū)上空電離層電子密度存在明顯的負(fù)異常擾動(dòng),異常擾動(dòng)發(fā)生在地震前5d內(nèi),然而地磁KP指數(shù)以及太陽(yáng)輻射在這期間并無(wú)大的變化。因此,地震發(fā)生區(qū)域上空的電離層參數(shù)在震前所產(chǎn)生的變化極有可能是由于地震活動(dòng)而導(dǎo)致的,這也說(shuō)明了