一种电离层与地震前兆相关量时空特性分析方法与流程

本发明属于地震前兆分析领域，尤其涉及一种电离层与地震前兆相关量时空特性分析的方法。

背景技术：

地震前兆预报是目前全世界面临的科学难题。电离层能够提供清晰的地震前兆响应。为了推进前兆地震预报研究的发展，许多科学家不断地探索地震观测与预报的新方法，其中利用地震前的电离层异常现象以及地震电离层耦合理论来研究地震预报成为目前的热点之一。

近些年来，随着电离层观测站点的增多，全球定位系统反演技术的发展，以及相关监测卫星的使用，科学家们观测到了更多强震前后的电离层数据．对这些数据进行分析研究，人们发现多种震前电离层参数发生了扰动，如电子浓度，临界频率、虚高，电子浓度总含量、离子浓度温度以及电离层电磁辐射背景中超低频、极低频等等。barnes(1965年)在1964年阿拉斯加大地震时，发现电离层有扰动现象的发生，而此次的观测分析似乎是第一次发现电离层的扰动与地震的发生两者之间存在某种关联性^【1】。之后pulinets(1998年)用电离层观测仪分析电离层f2层的临界频率、最大电子浓度nmf2和层高度的日变化，发现在1979-1981年发生的几个强震前，这些电离层参数有扰动存在,其中fof2会异常减小，高度会异常增大^【2】。pulinets(1998年)研究发现，层电离层异常区与震源区的位置是对应的，但是异常的峰值点与震中的投影点不是重合的，发生扰动的异常区的直径大概是量级，而且有时异常扰动区在相对应的另一个半球的磁共轭区也可以观测到^【3】。对比1997年11月8日玛尼7.5级与2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震前磁场与电离层异常分布及特征，结果显示，两次巨大地震前磁场与电离层短临异常时空分布特征有较好的一致性，震中周围出现日变异常，拉萨台出现电离层fof2明显异常^【4】。汶川地震前3天（5月9日），重庆电离层发生重大异常,fof2明显增加，幅度很大，约为背景参考值的3倍多^{【5】【6】}。昆明fof2于前3天（5月9日）、前2天（5月10日）也明显增加，幅度也很大^{【7】【8】}。表明了地震活动引起的电离层临界频率fof2的变化确实存在。2004年jyliu等人分析了1994~1999年共184次m>5.0级地震在震前fof2的变化情况，发现震前5天内fof2降低百分比超过25%，随着震级的增加震前电离层异常情况逐步显著，证明在地震发生前出现的电离层扰动可能与地震相关^【9】。

为进一步研究前兆地震预报研究，同时充分利用电离层的相关数据，急需采用一种有效的方法，用于分析电离层与地震前兆相关量的时空特性，为电离层异常与地震前兆分析提供基础。

参考文献

【1】leonardrs,jrrab.observationofionosphericdisturbancesfollowingthealaskaearthquake[j].journalofgeophysicalresearch,1965,70(5):1250–1253.

【2】pulinetssa,legenkaad,karpachevat.theearthquakespredictionpossibilityonthebaseoftopsidesoundingdata[j].1991,34a(981):25.

【3】pulinetssa,legenkaad,zelenovati.local-timedependenceofseismo-ionosphericvariationsatthef-layermaximum[j].geomagnetism&aeronomy,1998,38(3):400-402.

【4】丁鉴海,索玉成,余素荣.地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系[j].空间科学学报,2005,25(6):536-542.

【5】丁宗华,吴健,孙树计,等.汶川大地震前电离层参量的变化特征与分析[j].地球物理学报,2010,53(1):30-38.

【6】吴健,徐彤,胡艳莉.基于国家电波观测站网电离层垂测数据的地震电离层异常研究进展[j].地震学报,2016,38(3):345-355.

【7】郭万振.基于地面电波探测的电离层剖面重构和异常分布研究[d].西安电子科技大学,2011.

【8】何建辉,张学民,林剑,等.汶川地震同震电离层扰动研究[j].地震,2017,37(2):126-134.

【9】liujy,chuoyj,shansj,etal.pre-earthquakeionosphericanomaliesregisteredbycontinuousgpstecmeasurements[j].annalesgeophysicae,2004,22(5):1585-1593。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种电离层与地震前兆相关量时空特性分析方法，利用此方法可得到电离层临界频率时间变化与空间分布特性，为地震预报提供研究基础。

一种电离层与地震前兆相关量时空特性分析方法是通过以下的技术方案实现的，包括：

步骤a：采集地震电离层观测网的斜向探测链路的最高可用频率数据；

步骤b:探测数据预处理，利用十分位法去除异常数据，计算数据中值；

步骤c：确定反演过程中的参数，包括转换因子、磁旋频率以及传输因子；

步骤d：利用两个站点之间的经纬度确定电离层距离，利用修正克里格法计算权重，最后利用此结果以及临界频率反演结果进行区域重构；

步骤e：利用反演及重构得到的结果分析算电离层参数时间和空间特性。

进一步，对步骤c具体叙述如下：

步骤c1：根据经验公式，利用探测站点之间的传输距离，确定转换因子；

步骤c2：基于六级球谐函数地磁场模型计算路径中点处的磁旋频率的参考值；

步骤c3：利用基本muf对应时延估算m(3000)f2；

步骤c4：进行临界频率反演。

进一步，对步骤d具体叙述如下：

步骤d1：利用两个站点之间的地理经纬度计算电离层距离；

步骤d2：利用重构方程组计算出权重；

步骤d3：利用上述结果计算未知地点的电离层参量fof2。

进一步，对步骤e具体叙述如下：

步骤e1：分析电离层参数的昼夜、季节以及随太阳活动变化特性；

步骤e2：利用网格等值线追踪算法，计算电离层参数的空间等值线分布。

本发明基于电离层斜测站接收到探测链路的数据，利用反演得到观测链路中点的电离层临界频率，利用多维空间重构方法，得到电离层临界频率空间变化规律，以及电离层变化态势分析结果，此结果可为电离层异常分析、地震前兆分析提供基础。

附图说明

附图1为本发明流程示意图；

附图2为步骤c“临界频率反演”流程示意图；

附图3为步骤d“区域重构”流程示意图；

附图4为步骤e“时空特性分析”流程示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明中的主要步骤进行简单说明。

步骤a:采集地震电离层观测网的斜向探测链路的最高可用频率数据；

步骤b:数据预处理，利用十分位法去除异常数据，计算数据中值；

步骤c：进行临界频率反演：

对于小于4000km探测链路，利用射线传播理论反演临界频率；

步骤c1：确定转换因子：

步骤c2：确定路径中点处磁旋频率：

式中，f代表地磁场；

步骤c3：分析路径中点处的f2层3000km传输因子m(3000)f2：

式中，τ为基本muf对应的时延，a0为地球半径，d为传播距离，c为光速；

步骤c4：基于上述参数进行临界频率：

步骤d：采用修正kriging插值方法进行电离层参数的区域重构；

步骤d1：定义电离层距离为dij：

其中和分别表示i、j站的地理经度和纬度，c是相关距离比例因子,取1.4；

步骤d2：利用重构方程组计算权重：

步骤d3：计算未知点的kriging估计量：

用多个电离层观测点的实测值fof2i（i=1,2,…n）计算未知地点的电离层参量fof2：

步骤e：利用反演及重构得到的结果分析算电离层参数时间和空间特性：

步骤e1:分析电离层参数的昼夜、季节以及随太阳活动变化特性；

步骤e2：利用网格等值线追踪算法，计算电离层参数的空间分布。