中国中东部地区地震电离层低频电场扰动频段及背景时段选取分析

王亚璐，张学民，欧阳新艳，王晓，娄文宇，杜晓辉，董磊

1 中国地震局地震预测研究所，北京 100036 2 中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

1965年，Davies和Baker(1965)利用Alouette卫星数据在美国阿拉斯加8.5级地震前提取到电离层异常，自此拉开了地震电离层扰动研究的序幕.之后，俄罗斯、美国、日本、法国等国相继发射卫星，开展基于卫星观测的地震电磁扰动研究，几十年的观测与研究结果表明，地震前电离层存在较宽频段范围的电磁扰动，扰动出现的时间在震前几小时到几天不等(Parrot and Mogilevsky，1989;Parrot，1994；Serebryakova et al.，1992；Molchanov et al.，2006；Němec et al.，2008，2009；张学民等，2009a；张蓓等，2010；泽仁志玛等，2012).在已开展的研究中，学者们根据各自的需求利用不同的方法进行电离层背景电磁场的定义和电磁扰动的提取，如Němec等(2008，2009)和Píša等(2012，2013)将DEMETER(Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions)卫星记录到的电场功率谱划分至一个六维网格矩阵中，计算每个网格内电场功率谱的概率密度并将其作为背景场，将地震时该网格观测数据的累积概率定义为扰动幅度指标，发现震前0～4 h内1.7 kHz±200 Hz的电场功率谱会降低3倍标准差；张学民等(2009b)在分析汶川地震前VLF频段(19.53 Hz～20 kHz)电场变化情况时采用震前1个月即2008年4月份的数据作为背景场，将地震时观测的功率谱数据偏离背景值的倍数作为扰动幅度指标，发现震前1周VLF频段电场呈现明显增强现象；泽仁志玛等(2012)将5年同期地震前2个月到1个月的卫星磁场功率谱数据作为背景场，利用背景场均值和均方差，定义地震时段扰动幅度指标，发现77%的地震在震前30天内磁场相对于背景场扰动幅度超过3倍标准差.

虽然关于地震前后电离层电磁扰动的震例研究越来越多，但背景电磁场的定义和电磁扰动的提取严重依赖于研究者特定的目的和需求.上述研究成果中，学者们对频段和背景场时段的选取各有不同，即使同一学者，在不同震例研究中所关注的频段也不尽相同.这一方面反映了地震前后电离层电磁扰动的复杂性，另一方面说明对电离层背景电磁场特征缺乏普适性认识，因此，需要基于大量数据开展研究以丰富对其的认知.

地震卫星所处的轨道空间，既可以探测到来自空间的电磁波动(电磁离子回旋波、哨声波、嘶声、合声和地磁脉动等)信号，也可以探测到来自地面的电磁信号(人工VLF电磁波、电力线谐频电磁波等)(曹晋滨等，2009a).为了从来源众多的电磁信号中识别出地震异常信息，首先需要开展背景电磁场特征研究.关于电离层背景电磁场特征，已有相关研究成果发表，如路立等(2011)基于法国DEMETER卫星2007年观测数据分析了VLF频段磁场的全球分布情况，指出地磁宁静期间VLF频段磁场随频率的升高而降低，随纬度的升高而增强；姚丽等(2011)基于DEMETER卫星3年的电场观测数据，分析了VLF频段电场全球分布和季节变化情况，指出不同年份、相同季节的电场功率谱全球分布特征及功率谱强度有较高相似度；杨牧萍等(2018)基于电场功率谱密度均值和均方差对东北亚地区不同频段电场功率谱的年变、季节变化和日夜变化特征进行了分析；杨静等(2021)对汶川地区夏季电离层VLF频段背景电场进行了分析，指出该区域夏季日夜侧电场没有明显的年变化和月变化.

以上研究成果的关注焦点是背景电场/磁场的全球分布特征或者某一区域较宽频段尤其是VLF频段(>3 kHz)电场/磁场的季节和年变特征，只考虑了地磁活动的影响，没有排除地震可能产生的电离层扰动.本文针对中国地震活动相对平静的中东部地区，同时排除地磁活动和地震的影响，利用DEMETER卫星长达6年的电场观测数据对电离层背景低频电场的特征进行分析，在此基础上对电离层低频电场扰动提取时背景电场的频段和时段选取开展研究.本文第1节介绍了所使用的数据和处理方法，低频背景电场的频率特征和频段选取分析详见第2节，低频背景电场的时间演化特征和时段选取分析详见第3节，第4节是讨论及结论.

1 数据来源及处理方法

DEMETER卫星是一颗圆轨道极轨卫星，从2004年6月服役至2010年11月，在660～710 km轨道高度内积累了6年之久的观测数据，为地震电离层扰动研究提供了宝贵的资料.由于DEMTER卫星磁场数据中有较多干扰，本文只使用DEMETER卫星电场仪(ICE)观测的电场数据开展研究.电场仪VLF频段(19.53 Hz～20 kHz)频率分辨率为19.53 Hz，时间分别率为2 s(Berthelier et al.,2006).曹晋滨等(2009b)指出，卫星本体电磁辐射主要集中在190 Hz以下，在此研究指导下，中国首颗专门用于地震电离层扰动研究的张衡一号卫星(China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES)感应式磁力仪(SCM)ELF频段的范围为200～2200 Hz(Wang et al.,2018).为对标分析张衡一号卫星ELF频段(6 Hz～2.2 kHz)电磁扰动现象(Shen et al.,2018)，本文将所研究的频段范围设定为200～2200 Hz.DEMETER卫星每天可记录14条轨道数据，每条轨道包括升轨(夜侧)数据和降轨(日侧)数据，记录时长均约30 min，对应的地方时分别为22∶30和10∶30.一天之中，相邻的两条轨道的经度间隔约为25°.DEMETER卫星轨道覆盖的重访周期为16天，在一个重访周期内，两条相邻轨道的经度间隔约1.7°.DEMETER卫星有巡查和详查两种观测模式，详查模式只在全球活动地震带开启，可获得时域波形数据和功率谱数据，而巡查模式下，VLF频段只记录了一个方向的电场，标签为E12，代表东西向的电场.本文使用的是巡查模式下DEMETER卫星观测的VLF频段电场功率谱数据.

本研究收集了DEMETER卫星2004年11月—2010年11月共73个自然月的电场观测数据，期间中国及其周边邻区(4°N—54°N，73°E—135°E)发生508次5级以上地震，中国5级以上地震主要分布在中国西北(新疆，青海)和西南(西藏，云南，四川)等地区，中东部地区地震较为平静，可认为该区域上空的电离层受地震影响较小.为更好地研究非震期间电离层背景电场的时频特征，本文选择中国中东部地区作为研究区域，经纬度范围为29°N—39°N，107°E—117°E.在研究区域内2004年11月—2010年11月共发生了两次5级以上地震，分别是2005年11月26日江西省九江市的5.7级地震和2006年7月4日河北省文安市的5.1级地震，为排除地震可能产生的电离层电磁扰动影响，在后文的分析中剔除了这两次地震前后15天的数据.

前人研究表明，电离层中来自空间的低频电磁波动受地磁活动影响较大，磁暴期间增幅可达8倍，一般性地磁扰动期间，功率谱的最大增幅也有3～4倍(路立等，2011).因此为了更有效地提取地震引起的扰动信息，需要将空间地磁扰动(Kp≥3或Dst≤-30 nT)带来的影响进行剔除.2004—2010年在非震和地磁活动平静期经过研究区域的轨道数共有1527条，其中夜侧(升轨)数据792轨，日侧(降轨)数据735轨(详见表1).

表1 非震和地磁活动平静期经过研究区域的轨道数Table 1 The orbits passing through the study area during periods of non-seismic and quiet geomagnetic activity

由于一天之中，DEMETER卫星两条相邻轨道的经度间隔约25°，本文的研究区域(经度范围为10°)，需要2～3天才有1条轨道落入研究区域内，为了保证有足够多的数据样本来开展背景电场的时频特征研究，本文将研究区域作为整体，不再进一步划分小网格.建立一个三维元胞数组，第一维度是日/夜侧，长度为2，第二维度是天数，长度为365×7，第三维度是频率，长度为102(由DEMETER卫星的频率分辨率和本文研究的频段范围所决定)，将电场数据分散至每个元胞数组，计算每个元胞单元中电场功率谱的均值和均方差，分析其随频率的变化特征，及年变和季节变化特征(没有记录到数据的日期，将对应的元胞单元数据记为nan)，以此为基础，进一步研究地震电离层电场扰动提取时的时频段选取问题.

2 地震电离层低频电场扰动频段选取分析

2.1 电场功率谱随频率的变化特征

DEMETER卫星VLF频段电场的频率范围为19.53 Hz～20 kHz，为了更有针对性地提取电离层电场扰动，分析了200～2200 Hz范围内的背景电场功率谱随频率的变化特征，图1给出了2008年8月电场功率谱随频率的变化曲线，其他月份的频率曲线变化形态与此相近.

图1 2008年8月DEMETER卫星观测到的电场月均功率谱随频率的变化曲线横轴为频率，纵轴为电场功率谱，虚线代表日侧结果，实线代表夜侧结果，实线上的3个五角星指示电场功率谱极小值.Fig.1 The variation curve of the monthly mean electric power spectrum via frequency observed by DEMETER in August 2008The horizontal axis is the frequency,and the vertical axis is the electric field power spectrum.The dashed line represents the day side result,and the solid line represents the night side result.The three stars on the solid line represent the minimum point.

夜侧电场功率谱曲线(图1实线)存在3个功率谱极小值(如图1中的3个五角星)，分别记为极值点1、极值点2和极值点3，其中极值点1和极值点3对应电场功率谱下降幅度较小，而极值点2对应的电场功率谱下降幅度接近1个数量级，2004—2010年共计73个自然月内这3个极值点对应的频率(后文称为特征频点)统计结果见图2c—e，特征频点1对应的频率约为300 Hz，特征频点2对应的频率约为600 Hz，特征频点3对应的频率约为1600 Hz，下文对这3个特征频点代表的电离层现象进行说明.

图3为2008年8月份经过研究区域的1条升轨(夜侧)数据，图3a为卫星的飞行轨迹，图3b为该轨道的电场功率谱图，图3b中的黑色曲线是根据理论公式计算的质子回旋频率，黑色曲线上的红色线段对应本文的研究区域.质子回旋频率与地磁场和质子的荷质比成正比，地磁场采用IGRF模型计算得到，质子回旋频率与地磁场呈现相同的纬度变化特征，即磁赤道的质子回旋频率最小，随着纬度的增加，质子回旋频率相应增加.图3b中红色线段下方有一个窄带的电场功率谱增强带，上边缘频率对应特征点2，约为600 Hz，下边缘频率对应特征频点1，约为300 Hz.该窄带电场功率谱增强现象与离子回旋作用密切相关，由于电场频率与质子回旋频率十分相近，本文称之为质子回旋增强现象.

图3 2008年8月份某条经过研究区域的电场功率谱图(a)卫星飞行轨迹；(b)电场功率谱时频图.Fig.3 The electric field power spectrum map of one orbit flying through the study area in August 2008(a)The orbit trace；(b)The electric field power spectrum map.

与夜侧电场功率谱变化曲线(图1实线)相比，日侧电场功率谱曲线(图1虚线)同样存在质子回旋增强现象，但统计结果(图2a、b)显示两个特征频点对应的频率比日侧高几十Hz，这是由于地磁活动平静期卫星高度处的日侧地磁场略大于夜侧，从而导致日侧质子回旋频率略高于夜侧.值得注意的是，日侧在1700 Hz附近不存在极小值，这可能因为日侧电离层受磁层电磁耦合作用更明显，从而掩盖了地-电离层波导截止频率处电场强度下降的现象.

质子回旋增强和地-电离层波导截止频率现象是电离层中天然存在的现象，电场幅度和其他频段相差较大，因此在做地震电离层扰动分析时有必要将其和其他频段分开讨论.根据图2的统计结果，夜侧电场的3个特征频点对应的频率范围分别为NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)和NFreq3(1523～1679 Hz).这3个特征频点将200～2200 Hz分为3个较宽的频段，分别记为NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz).日侧电场的2个特征频点的范围分别为DFreq1(215～330 Hz)和DFreq2(703～742 Hz)，将200～2200 Hz划分为DBand1(330～703 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)两个频段.

图2 日侧和夜侧电场功率谱极小值对应的频率直方图(a)日侧电场功率谱特征频点1对应的频率直方图，中值为273 Hz；(b)日侧电场功率谱特征频点2对应的频率直方图，中值为722 Hz；(c)夜侧电场功率谱特征频点1对应的频率直方图，中值为273 Hz；(d)夜侧电场功率谱特征频点2对应的频率直方图，中值为585 Hz；(e)夜侧电场功率谱特征频点3对应的频率直方图，中值为1621 Hz.Fig.2 The histograms of the frequency corresponding to minimum values of day-side and night-side electric field power spectrum(a)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(b)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the dayside electric field power spectrum,with a median value of 722 Hz;(c)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 1 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 273 Hz;(d)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 2 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 585 Hz;(e)The frequency histogram corresponding to the characteristic frequency point 3 of the night-side electric field power spectrum,with a median value of 1621 Hz.

2.2 频段选取分析

在提取地震前后的电离层电场扰动时，学者们针对不同频段的电场开展分析研究.如Němec等(2008)为避免人工源VLF发射站的影响，分析了10 kHz以下的电场功率谱，将电场频率等间隔划分为16个频段(每个频段有32个频点).杨静等(2021)将电场频段划分为SLF(30～300 Hz)、ULF(330～3300 Hz)、VLF(4～15 kHz)和LF(15～20 kHz)4个频段.本节依据2.1节的分析，将200～2200 Hz的夜侧电场分为3个特征频点(NFreq1-NFreq3)和3个频段(NBand1-NBand3)，下文统称为6个频段.200～2200 Hz日侧电场分为2个特征频点(DFreq1-DFreq2)和2个频段(DBand1-DBand2).图4是夜侧电场6个频段功率谱月均值时变曲线，其均值和标准方差结果见表2，各频段间的相关系数见表3.

从图4可以看出，高频端的3个频段(NBand2-NBand3)月均值时变曲线具有很好的相似性，而低频端的3个频段(NFreq1-NFreq2)月均值时变曲线相似.根据表3，NFreq3和NBand2频段及NBand3频段的相关性均高于0.9，表明相关性很好，结合表2中夜侧电场均值和标准方差，NFreq3与NBand2频段和NBand3频段的均值相近，可以将其合并为一个频段进行分析.而NBand1与NFreq1和NFreq2的相关系数接近0.9，说明相关度较好，但NBand1频段的均值与NFreq2相差较大，因此可以将NFreq1和NBand1频段合并分析，NFreq2需单独分析.

表2 夜侧电场6个频段功率谱均值及标准方差Table 2 The mean value and standard variance of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

图4 夜侧电场6个频段功率谱月均值时序曲线Fig.4 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field

表3 夜侧电场6个频段功率谱相关系数Table 3 The correlation coefficient of power spectrum between the six frequency bands of the night-side electric field

表4分别为日侧4个频段电场功率谱均值和标准方差表，表5为日侧4个频段间的相关系数表.可以看出，对于日侧的4个频段，只有DFreq2与DBand2频段的相关系数大于0.9，但表4显示这两个频段的均值相差较大，表明日侧电场各频段间的相关性较差，因此各频段应尽量单独分析以减小背景数据的离散度.

表4 日侧电场4个频段功率谱均值及标准方差Table 4 The mean value and standard variance of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

表5 日侧电场不同频段间的相关系数表Table 5 The correlation coefficient of power spectrum between the four frequency bands of the day-side electric field

3 地震电离层低频电场扰动背景时段选取分析

3.1 电场功率谱的年变和季变特征

夜侧电场6个频段功率谱月均值时序曲线如图4所示，日侧电场4个频段功率谱月均值时序曲线见图5.可以看出，年尺度变化上，从2005年到2009年，日侧和夜侧电场功率谱呈现逐渐变小的趋势，在2009年达到最小值，2010年开始，电场功率谱幅度有所回升.这种变化趋势与太阳活动强度呈现正相关.

根据图4，夜侧电场功率谱有明显的季节变化特点，功率谱值通常在每年的7—9月份(夏季)达到最大.但不同频段电场的季节变化特征又有不同.高频端(NBand2-NBand3，>600 Hz)，夜侧电场功率谱曲线呈现类余弦变换趋势(参考2009年)，夏季值最大，冬季次之，分点季电场功率谱最小，其他年份曲线形态略有改变，但仍保留了这种季变特点.而低频端(NFreq1-NFreq2，<600 Hz)，夜侧电场功率谱呈现类高斯分布趋势，即夏季电场值最大，冬季最小，分点季次之.

图5显示，日侧电场的季节变化规律和夜侧略有不同，DBand1频段没有明显的季节变化规律，而高频端(DFreq2-DBand2)频段呈现类高斯季节变化规律，在夏季取得最大值，冬季取得最小值.只有DFreq1频段，日夜侧随时间变化规律相似，表明该频段受地方时影响较小.

3.2 时段选取分析

根据3.1节的分析，不管是日侧还是夜侧，电场功率谱均值通常在夏季取得最大值，从图4和图5可以看出，夏季月份和其他月份的电场功率谱均值有时可差1个数量级，而同一月份，不同年度的变化相对较小.正因如此，有的学者在进行地震电离层异常研究时会采用往年同期的数据作为背景场，但也有学者采用震前一个月或几个月的数据做背景场，背景取值法的使用更多依赖于学者的个人经验，并无文献给出两种背景取值法的效果比较.本节基于DMETER卫星6年的统计数据，采取同一评价标准对这两种背景取值法的效果和适用条件进行分析.由于每个月的地磁活动情况不同，导致本文研究区域内每个月的数据量也不相同(如夜侧2005年12月研究区域内共52个数据点，2004年12月共184个数据点，2006年1月共365个数据点)，从而无法计算月与月之间的相关性，因此，本节采用数据集标准差对两种背景取值法的效果作出评价.具体过程为，针对2005年后的每个月份，在当前月份的数据中分别加入去年该月份的数据和该月份前一个月的数据，获得两个新的数据集(如针对2006年2月，分别将2005年2月的数据和2006年1月的数据与2006年2月的数据进行合并，获得两个新的数据集)，用新数据集的标准方差来考察背景取值法的效果，显然，新数据集的标准方差越小，表明加入的背景场数据与当前数据相关性越高，越适用于做背景场.下文中加入往年同月数据的方法称为方法一(Method1)，加入前一个月数据的方法称为方法二(Method2).

图5 日侧电场4个频段功率谱月均值时序曲线Fig.5 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the four frequency bands of the day-side electric field

图6为通过两种背景取值法加入背景场数据后的夜侧电场6个频段功率谱月均值时序曲线，图中的散点为每个月的观测值.可以看出，这两种方法得到的功率谱均值量级相当，曲线变化趋势相似.日侧月均值时序曲线呈现相似的变化特点，这里不再给出图件.

图6 加入背景场后夜侧电场6个频段功率谱月均值时序曲线Fig.6 Time series curve of the monthly mean value of the power spectrum for the six frequency bands of the night-side electric field after adding the background field

图7是夜侧电场6个频段功率谱标准方差时序曲线和统计结果，图7a1—a6中蓝色和红色曲线分别为6个频段方法一和方法二的标准方差时序曲线，图7b1—c6分别为6个频段两种方法的标准方差统计结果.根据图7b1—c6，对于夜侧电场，低频段(Freq1-Band2，≤600 Hz)标准方差集中在0.5附近，高频段(Freq3-Band3，>600 Hz)标准方差较大，大部分大于0.5.图7a1—a6中两条曲线大致重合，6个频段方法一占优(即方法一的标准方差小于方法二)的月份数分别为36/72、34/72、35/72、30/72、31/72和34/72，与方法二占优的月份数基本相当，两种方法占优的月份有一定的随机性，并无明显的季节规律.但需要注意的是，在方法二占优的月份中，方法一虽然比方法二的方差大，但两者基本接近，但在方法一占优的月份中，部分方法二的方差比方法一要大得多，如2009年3月份方法二的方差很大，甚至接近1.

图7 夜侧电场功率谱标准方差时序曲线及统计结果Fig.7 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at night-side

图8显示，日侧结果与夜侧相似，高频端标准方差相对较大，集中在0.5以上，而对于DFreq1频段，方差集中在0.5以下.与夜侧相同，2009年3月份方法二的方差比方法一大得多，但综合日夜侧的结果，这只是个别月份存在的现象，不具规律性.以上结果显示，两种背景取值法的效果相当，往年同月数据略优于当月前一个月数据.考虑到开展与地震有关的电离层电磁异常实时跟踪分析的简便性和可操作性，可优先考虑使用邻期数据做背景场，而在做科学研究时，在有大量往年同期数据的情况下，可考虑使用往年同期数据做背景场.

图8 日侧电场功率谱标准方差时序曲线及统计结果Fig.8 Time series curve and statistical results of standard variance of electric field power spectrum at day-side

针对实时跟踪分析与地震有关的电离层电磁异常的需求，以下分析邻期背景场数据的最优时长.同样，采用数据集标准差法来衡量不同时长的效果，图9给出了夜侧电场分别加入当前月份前1个月、2个月和3个月数据后数据集的标准方差时序曲线，黑色为当月数据的标准方差曲线，蓝色、红色和绿色曲线分别为加入前1个月、前2个月和前3个月的数据集标准方差曲线.可以看出，几条曲线吻合较一致，表明多加入背景数据对提高数据的集中性作用并不明显，而蓝色曲线与黑色曲线吻合最好，部分月份红色曲线和绿色曲线高于蓝色曲线，表明背景数据量并非越多越好.在空间天气平静的情况下，使用当前日期前一个月的数据做背景场更优.日侧与夜侧结果相似，这里不再给出图件和分析.

图9 不同时长的夜侧背景电场标准方差时序曲线Fig.9 Time series curve of the standard variance of the background electric field for different time period

4 讨论及结论

4.1 讨论

DEMETER卫星和张衡一号卫星飞行的空间是一个各圈层紧密联系的复杂耦合系统，直接受太阳活动、行星际扰动、内磁层、岩石圈和大气层的影响，产生了各种类型的电磁波动现象，在本文研究的频段(200～2200 Hz)中，主要有ELF频段的电磁离子回旋波、嘶声波，ELF/VLF频段的哨声波、合声波等(Parrot et al.,2006;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2013,2014).依据电磁波动的来源方向，可将电离层ULF/ELF/VLF电磁波动分为上行和下行两种类型(Zhima et al.,2013,2017).

上行电磁波动是从岩石圈、大气层向上传播的电磁波动，主要有闪电(雷暴)等自然电磁辐射和地基甚低频发射站发射的VLF电磁信号及地面电力线路感应的谐频电磁波.地基甚低频发射站发射的VLF信号通常在10 kHz以上，超出了本文研究频段范围，可不予考虑.电力线谐频现象(PLHR)，是指卫星上观测到的由地基工业电力线系统(50 Hz/60 Hz)激发的电磁辐射，功率谱上表现为50/100 Hz或60/120 Hz为间隔的平行线，无明显的频散现象.这些谐振电磁波由电力线产生后直接穿透电离层传播到达卫星高度，统计结果显示，在全球大部分区域可以观测到该现象.Wu等(2017)基于DEMETER卫星数据对中国区域上空的PLHR现象开展了统计研究，结果显示，1～2 kHz的PLHR现象大部分集中于日侧低纬地区(19°N—23°N)，且其电场功率谱密度的变化范围为10-2.5～10-1μV2·m-2·Hz-1，该值在本文低频背景电场变化范围内(表4).某一地区的电力线谐频现象一旦产生将长期存在，其幅度在背景场范围之内，因此可视为背景场.嘶声属于电离层中的背景扰动，闪电(雷暴)是电离层嘶声波的主要来源，由于夏季闪电高发造成夏季电离层电场强度明显高于其他季节，图4也明显反映出了这一特征.除此外，电离层可能还会受到中性大气潮汐波和行星波的影响，已有研究表明(Mo et al.,2017;Mo and Zhang,2018)，平流层增温期间(SSW)存在于低层大气中的16日行星尺度波较易向上传播，直至电离层高度影响赤道电离异常(EIA)结构.作者对DEMETER卫星低频电场数据也开展了频率成分分析，发现背景数据中存在微弱的14日和数10日的周期成分，但对应月份的电场幅度在一年之中处于中等强度范围，表明这些周期成分可以作为背景场使用.关于中性大气波动对电离层影响的深入研究已超出了本文的研究范围，这里不再给出讨论.

下行电磁波动是从等离子体层或内磁层向下传播到顶部电离层的电磁波动(Chen et al.,2017;Santolík et al.,2006;Zhima et al.,2017；曹晋滨等，2009a,b)，包括电磁离子回旋波、嘶声波和合声波等，这些波动在平静时期可以被观测到，是电离层背景扰动，在磁暴和亚暴期间会显著增强，因此本文通过Kp指数和Dst指数对这部分强扰动进行了限制，刻画的低频电场特征更接近于电离层背景特征.下行电磁离子回旋波中的质子回旋波频率约为600 Hz，是本文进行频段划分的一个重要依据，统计结果显示(图1)，夜侧质子回旋增强频段约为330～566 Hz，日侧质子回旋增强频段约为330～703 Hz，频段比夜侧略高，这是由于日侧地磁场强度较夜侧略高.由于质子回旋波的主要能量来源与其他频段不同，所受影响因素也不同，因此需要将其和其他频段分开讨论.

质子回旋增强和地-电离层波导截止现象是电离层中存在的自然现象，这两个频段的电场幅值与其他频段也有较大差别，如果将这些自然现象纳入其他频段的电磁场背景统计中,会天然增加数据的离散度,从而加大异常提取的难度,在进行与地震有关的电离层电磁扰动研究时，需要分频段讨论.依据这两个现象和日夜侧的频率统计结果(图2)，将200～2200 Hz频段的夜侧电场划分为NFreq1(253～332 Hz)、NFreq2(566～605 Hz)、NFreq3(1523～1679 Hz)、NBand1(332～566 Hz)、NBand2(605～1523 Hz)和NBand3(1679～2200 Hz)共6个频段，而日侧电场可以划分为DFreq1(215～330 Hz)、DBand1(330～703 Hz)、DFreq2(703～742 Hz)和DBand2(742～2200 Hz)共4个频段.由于图4中NBand2、NFreq3和NBand3频段月均值时序曲线具有高度的相似性，频段间的相关性分析表明，这3个频段相关系数确实很高，且月均值接近，因而在分析地震前后的电离层电场异常时，可将这3个频段合并为一个宽频段进行研究.虽然图5中DFreq2和DBand2曲线具有很高的相关性，但这两个频段的均值相差较大，因此建议分开讨论.

前人在分析地震前后的电离层电磁异常时，一些学者采用了往年同期数据做背景场，一些学者采用了震前几个月数据做背景场，背景的取值方法依赖于研究人员的经验.本文试图分析这两种方法的优劣，以期为基于张衡一号卫星开展电离层电磁异常实时跟踪分析提供指导.最直观的方法是分析当前月与背景值的相关系数，但由于每个月的地磁活动情况不同导致每个月的数据量不同，因此无法直接求取相关系数.作者采用在当月数据中加入背景场后的数据集标准方差来间接衡量当月数据与背景数据的相关性.分析发现这两种方法的效果并无明显区别，虽然部分月份(如2009年3月)的数据中加入邻期数据后，标准方差会达到1，但只是个别现象，并不能直接否认邻期数据做背景场的可能.事实上，统计发现，用邻期数据做背景场时，数据集标准差与往年同月数据做背景场时的标准差相差并不大.而关于邻期数据优势时长的分析表明，背景数据时长并非越长越好，在背景数据量足够的前提下，优先选取与当月邻近的一个月数据最好，使用的时长越长，背景场受季节变化的影响越大，从而降低了与当月数据的相关度.

为排除地震可能产生的电离层电磁扰动，本文选取了中国中东部地震平静区域(29°N—39°N，107°E—117°E)进行了电离层背景电场研究，并获得了一些认识.这些结论是否可以对中国其他区域的电离层电场异常研究提供帮助呢？为回答这个问题，图10给出了中国及其周边邻区(3°N—55°N，73°E—137°E)2005年DEMETER卫星记录到的200～2200 Hz电场功率谱均值空间分布及其随经纬度的变化曲线，图10a—c为日侧结果，图10d—f为夜侧结果.可以看出，无论是日侧还是夜侧，中国及其周边邻区上空电场随经纬度的变化并不大，电场功率谱随经度没有明显的变化规律(图10b、e)，电场功率谱随纬度的增加先减小再变大，在15°附近取得极小值，但随着纬度从0°增加到50°，电场功率谱的变化范围仍小于10-0.5μV2/(m2·Hz)，尤其在中国区域(纬度>20°)电场功率谱随纬度的变化更小，这种空间方向上的变化，远小于昼夜侧电场功率谱变化和不同频段间的电场功率谱差异.因此，本文的研究结论可以推广到中国其他区域，为其他区域电离层电场异常研究提供指导.

图10 中国及其周边邻区DEMETER卫星2005年电场功率谱空间分布图(a)—(c)为日侧结果，(a)为空间分布图，横轴为经度，纵轴为纬度，色标为200～2200 Hz的电场功率谱均值，(b)为电场功率谱均值随经度的变化曲线，灰色点为2005年12个月的数据散点，红色曲线为中值及误差棒，(c)为电场功率谱均值随纬度的变化曲线，灰色数据点及红色曲线意义同(b)；(d)—(f)为夜侧结果，图(d)横纵坐标及色标意义和图(a)意义，图(e)同图(b)，图(f)同图(c).Fig.10 Spatial distribution of electric field power spectrum in China and its surrounding areas observed by DEMETER satellite in 2005(a)—(c)are the day side results,(a)is the spatial distribution map,the horizontal axis is longitude,and the vertical axis is latitude,the colorbar is the mean of the electric field power spectrum of 200～2200 Hz,(b)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the longitude,the scatter gray point is the data point of the 12 months in 2005,the red curve is the median and error bar,(c)is the mean curve of the electric field power spectrum varying with the latitude,both the gray points and red curves have the same meaning as (b)；(d)—(f)are the results for night-side,(d)is the same as figure (a),(e)is the same as figure (b),(f)is the same as figure (c).

在本文研究区域内，2005—2010年共发生了两次5级以上地震：2005年11月26日江西九江5.7级地震(29.7°N，115.7°E)和2006年7月4日河北文安5.1级地震(38.9°N，116.3°E).根据Dobrovolsky等(1979)提出的岩石圈孕震区大小估算公式R=100.43M(R为孕震区直径，单位为km，M为地震震级)，江西九江5.7级地震和河北文安5.1级地震的孕震范围分别约为282 km和156 km，在剔除空间扰动干扰(Kp>3,Dst<-30)后，江西九江5.7级地震前后的5个月(2005年8月1日—2005年12月30日)内飞越震中上空区域(26.7°N—32.7°N，112.7°E—128.7°E)只有13条升轨和14条降轨数据，河北文安5.1级地震前后的5个月(2006年4月1日—2006年8月31日)内飞越震中上空区域(36.9°N—40.9°N，114.3°E—118.3°E)只有20条升轨和10条降轨数据.这两次地震前后可用数据量太小，无法支撑开展震例分析.因此在上文分析的基础上，本文以2008年5月12日MS8.0汶川地震(31°N，103.4°E)为例进行震例分析.

表6 低频背景电场均方差和相对扰动幅度统计信息表Table 6 The mean square error of the background electric field and the relative disturbance

图11 汶川地震不同背景时长时背景电场(253～566 Hz)功率谱均值、均方差和相对扰动结果(a)震前3个月电场功率谱均值；(b)震前3个月电场功率谱均方差；(c)地震时观测值相对3个月背景场的扰动幅度；(d)震前2个月电场功率谱均值；(e)震前2个月电场功率谱均方差；(f)地震时观测值相对2个月背景场的扰动幅度；(g)震前1个月电场功率谱均值；(h)震前1个月电场功率谱均方差；(i)地震时观测值相对1个月背景场的扰动幅度.Fig.11 The mean value and the mean square error of the background electric field (253～566 Hz)and the relative disturbance results for Wenchuan earthquake with different background duration(a)The mean value of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(b)The mean square error of PSD for three months before Wenchuan earthquake;(c)The relative perturbation via background data of three months;(d)Same as (a)but for two months before the earthquake;(e)Same as (b)but for two months before the earthquake;(f)Same as (c)but for two months before the earthquake;(g)Same as (a)but for one month before the earthquake;(h)Same as (b)but for one month before the earthquake;(i)Same as (c)but for one month before the earthquake.

4.2 结论

本文针对中国中东部地震平静区域(29°N—39°N，107°E—117°E)，筛选出地磁活动平静期(Dst>-30 nT，Kp<3)内，DEMETER卫星观测到的73个自然月共计1527条轨道的VLF频段电场数据，对其时频特征进行了分析和研究，获得了以下认识：

(1)在利用夜侧数据跟踪分析与地震有关的电离层异常时，可将200～2200 Hz划分为253～566 Hz、566～605 Hz和605～2200 Hz共3个频段，而处理日侧数据时，可划分为215～330 Hz、330～703 Hz、703～742 Hz和742～2200 Hz共4个频段.

(2)高频端(>600 Hz)的背景数据方差较大，在提取电离层异常时需要设置较大的阈值，而低频端(<600 Hz)需要设置相对较小的阈值.

(3)采用往年同月数据和当月前1个月数据做背景场的效果相当，就震情实时跟踪分析需要，可优先考虑使用邻期数据做背景场.

(4)使用邻期数据做背景场时，数据时段并非越长越好，在空间天气平静的情况下，可使用当前日期前1个月的数据做背景场.

以上研究结论可以推广到中国其他区域，为地震频发的川滇地区及新疆地区上空电离层电场异常的提取和研究提供指导.

致谢感谢法国DEMETER数据中心提供的卫星观测数据，感谢中国地震局地震预测研究所的张盛峰博士提供的地震目录，感谢审稿专家提出的宝贵建议.