PI算法提取DEMETER卫星地震电离层扰动异常的应用研究

【摘要】：地震是对人类造成破坏最大，危害最严重的突发性自然灾害。中国是一个多地震的国家，而当前的地震预测研究尚处于探索阶段，地震预测仍然是世界性的科学难题。近些年，随着空间对地观测技术的发展，尤其是法国DEMETER（Detection of Electro-Magnetic EmissionTransmitted from Earthquake Regions）卫星发射以后，利用卫星数据提取地震电离层前兆成为地震预测研究中越来越受到关注的新方法，卫星数据中探测到地震前电离层异常扰动的研究获得了重大进展，震例研究和统计研究结果进一步证实了地震电离层效应的存在。发展新的观测手段，充分利用现有电磁卫星数据资源，尝试多种提取异常方法，对地震电离层研究具有重要的作用。 图像信息方法（pattern informatics method，以下简称PI方法）是Rundle等在地震活动研究中提出的具有统计物理意义的地震预测新方法，并一直应用于地震活动的中长期预测研究中，该方法预测的时间尺度为5~10年，具有较高的空间分辨率。PI方法的基本原理是把研究区域进行时空网格划分，对每个网格的地震活动构建其频度时间序列，形成地震活动的时空演化图像，然后通过时空变化计算空间上每个网格里的地震时间发生的概率，再减去背景概率，检测发震概率高的网格，即“地震热点”。 电离层参数具有明显随时间、空间的变化规律，在原始的时空图像中难以获得震前的异常信息；而PI方法具有较好的时空融合能力，能够剔除背景变化，提取细微的异常扰动。本文尝试把地震学中PI方法应用于电磁卫星资料处理当中，将DEMETER卫星朗缪尔探针探测的电离层电子浓度（Ne）和电子温度（Te）为参量，对2006-2010年国内外11个震例进行回溯性研究，寻找地震前的异常扰动变化。 研究结果如下： （1）大地震前电子浓度、温度的PI时空异常演化图像中均存在不同程度的扰动变化；电子浓度在地震前经历持续扰动异常逐渐消失再度出现异常短期平静（震前几天）的变化过程，不同震例出现的异常范围，异常形态和幅度有所不同，震后趋于平静；电子温度在地震前后时空演图像有所区别，但时空图像变化凌乱，震前异常并不是很明显。 （2）震例研究结果表明，对于不同的T1-T0（参考时段），T2-T1（变化时段）时间变化尺度，PI时空演化图像具有明显的差别，PI方法处理的时空演化图像的信息量与T2-T1大小的选取具有一定的关系。针对不同的T2-T1时间尺度，当然也包含着背景时段T0-T1和两者的比例关系，但是T2-T1对PI计算结果的影响很大。多次实验结果表明，只有合理选取T2-T1的大小和T1-T0的比例关系，才可以提取可能与地震相关的异常信息。 （3）本文为了剔除电离层背景变化，通过数学处理方法建立电离层的逐日背景场，将逐日背景场值和卫星观测值的差异（差异场）作为PI方法的输入量，重新进行了震例计算。从本文研究的2006-2009年期间10个震例结果来看，电子浓度、温度基于差异场的PI异常演化图像剔除背景效果均比较好，使震前的异常更加明显。个别震例尽管剔出了背景，但是震前异常扰动仍然凌乱，难以看出震前扰变化。 （4）PI方法最初用于地震活动的中长期概率预测，其依据是某一区域的地震活动水平相对于背景地震活动水平（如地震发生率）的偏离度与未来强震的发生存在相关性。本文把这一统计物理方法应用到电离层资料地震异常提取，震例结果显示，强震前电离层出现明显的PI异常变化过程，表明这一方法可应用到地震电离层异常提取。但是PI异常时空图像与地震之间的关系仍需要深入研究。