基于ucar數據的nmf2局部地區(qū)nmf2模型構建

1實施opagation神經網絡技術根據地震電離層可視化分析，在發(fā)生大地震之前，婚震區(qū)空間電離層v2層的最大電子密度為nmf2（2拉離層），以及電子層電子密度（各層）的異常變遷[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。但在這些研究成果中,電離層異常判斷的背景值是基于震前多天觀測值的均值,而這種異常判斷方法無法保證背景值不會受到地震活動的影響,所以其準確性值得商榷。本文將采用BP(BackPropagation)神經網絡技術,利用2006—2010年UCAR公布的NmF2數據,建立局部地區(qū)電離層模型,解算電離層NmF2,提供“干凈”的電離層NmF2參考值,以避免異常判斷方法的弊端。掩星觀測與電離層測高儀、衛(wèi)星電離層頂部探測、地基TEC觀測等電離層探測手段相比,掩星觀測能夠提供準實時、高精度、全天候的全球電離層三維電子密度數據,而且,相關研究結果表明掩星探測數據反演的電子密度剖面與非相關散射雷達和電離層測高儀觀測結果一致。目前,美國、德國、阿根廷等多個國家均有掩星計劃在研或運行,而中國臺灣地區(qū)與美國合作的COSMIC(ConstellationObservingSystemforMeteorology,IonosphereandClimate)是迄今為止最成功的掩星計劃,它由6顆在800km處運行的低軌小衛(wèi)星組成觀測星座,在軌期間能提供每天最多約3000個掩星探測剖面,雖然現(xiàn)在衛(wèi)星已到使用壽命,但其在軌6年累計的觀測數據能為電離層模型的建立提供豐富的電離層電子密度數據,而且正在研制的COSMIC-2系統(tǒng),預計其數據觀測能力將十倍于COSMIC-1。為了研究2008年5月12日汶川7.9級地震前孕震區(qū)電離層電子密度的變化情況,我們選取UCAR公布的2006-08—2010-12月電離層F2層最大電子密度NmF2,建立以震中為中心,經緯向跨度為80°×80°(10°S～70°N,60°E～140°E)的區(qū)域電離層NmF2模型,解算震前孕震區(qū)上空各掩星NmF2探測點的模型值,通過觀測值與模型值的比較,研究汶川地震前電離層是否出現(xiàn)異常變化。2區(qū)域電離層模型的不確定性選取年積日DOY、當地時LT、經度LON、緯度LAT和F10.7太陽活動指數FLUX為網絡輸入,掩星觀測點NmF2為網絡輸出,利用MATLAB神經網絡工具箱構建BP網絡模型,以2006-08—2010-12月考察范圍內的數據集訓練網絡。另外,由于在磁暴發(fā)生時期,COSMIC數據誤差較大,為了使模型更加精確,我們剔除磁擾時段(kp≤3)的數據。而且,在日出日落時段,電離層電子密度變化劇烈,故也將此時段的數據剔除。目前的研究顯示,汶川地震前的電離層異常主要出現(xiàn)在當地時的下午時段,同時,為了避免過多的數據導致MATLAB運算內存溢出錯誤,故只選取考察區(qū)域當地時12:00LT—17:00LT的掩星探測數據來訓練網絡。另外,為了確保區(qū)域電離層模型的準確性,我們采用均方根(RMS,RootmeanSquareError)描述網絡的整體誤差。其中,Oi為觀測值,Mi為模型值,N為符合篩選條件的掩星NmF2觀測點的總數。經過比較各種網絡參數的組合,例如:隱層層數及神經元個數、激活函數、學習速率、期望誤差等,得出最優(yōu)的網絡參數組合,根據RMS=1N∑ni=1(Oi?Mi)2????????????????√RΜS=1Ν∑i=1n(Οi-Μi)2得到對應的最小網絡誤差為:RMS=1.1×105el/cm3。3兩組nmf2觀測點的變化情況針對汶川地震前出現(xiàn)的電離層異常,目前的研究成果均基于TEC數據,而電離層NmF2與TEC有明顯的正相關性,于是可以將汶川震前TEC的異常變化情況與NmF2的變化情況相比對。相關研究表明,汶川地震前第3天(5月9日)當地時下午17:00LT震中附近2495km半徑范圍內,震中南部及東南部上空TEC出現(xiàn)明顯的增強現(xiàn)象,幅度增大約40%～50%。圖1(a)黑色虛線圈內為NmF2明顯增大的區(qū)域,半徑約為2000km,兩條藍色實線之間的NmF2觀測點將用來代表震中所在經度帶內NmF2在不同緯度的變化情況;圖1(b)表示震中附近3個NmF2觀測點對應掩星事件的電子密度剖面顯示的2008年5月9日12:00LT—17:00LT考察區(qū)域內的電離層NmF2觀測值與由BP神經網絡模型解算相應的NmF2模型值之間的偏離程度,表示為:(O-M)/M,其中,O為NmF2觀測值,M為對應NmF2觀測點的模型值。從圖1(a)可以看出,震中南側大約475km(95km/°×5°=475km)處,電離層NmF2出現(xiàn)明顯增強的現(xiàn)象(圖1(a)中的3號NmF2點),幅度約為50%,而離3號NmF2點西南向約100km的處的2號NmF2點幅度增大不到10%,震中東側大約2000km(115km/°×20°=2300km)的1號NmF2點也出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,增強幅度約為20%,在考察區(qū)域其他地區(qū)的NmF2沒有出現(xiàn)明顯的異常,變化的幅度基本低于10%。地震前第2天(5月10日)當地時下午時段,TEC的變化幅度沒有超過異常閾值(圖2,(a)表示汶川地震前第2天(2008年5月10日)12:00LT-17:00LT考察范圍內的電離層NmF2觀測值與對應點模型值的偏差程度,黑色虛線圈內為NmF2明顯增大的區(qū)域,半徑約為2000km,兩條藍色實線之間的NmF2觀測點將用來代表震中所在經度帶內NmF2在不同緯度的變化情況;(b)表示震中附近4個NmF2觀測點對應掩星事件的密度剖面)。與基于TEC的研究結果不同的是,圖2(a)顯示NmF2出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象,幅度達到50%。圖3(a)為4月28—5月19日震中所在的區(qū)域(10°S～70°N,83°E～123°E,即圖1、2中藍色實線之間的區(qū)域),各天下午時段12:00LT—17:00LT內NmF2觀測值相對模型值的變化情況。圖3(b)為對震中所在的經度帶以5°劃分緯度,用各緯度區(qū)域內NmF2偏離程度的均值代表該區(qū)域NmF2的變化情況。圖3(c)表示上述時期Kp指數的變化情況,經查詢國家空間天氣監(jiān)測預警中心的空間天氣報告(/bulletin/month/),雖然4月底至5月初沒有發(fā)生小磁暴,但4月28—5月5日Kp指數均在3左右,說明地磁環(huán)境較為活躍,從圖3(b)可看出,此段時間各緯度區(qū)域的NmF2均出現(xiàn)明顯擾動,5月3—5日電離層出現(xiàn)明顯的正擾動,這與TEC的異常分析結果相一致。而后直到5月19日,Kp指數均在2以下,說明地磁環(huán)境極為平靜,但6—8日NmF2出現(xiàn)明顯的負異常,幅度約30%,而9日出現(xiàn)明顯正異常,幅度達到40%,TEC的異常分析也有類似的現(xiàn)象。另外,10日也出現(xiàn)明顯正異常,幅度達到50%,這與TEC的分析結果不同。4月10日tec異常與地震活動關聯(lián)研究圖1顯示汶川地震前第3天(5月9日)震中附近上空電離層下午時段出現(xiàn)NmF2顯著增強的現(xiàn)象,相關研究表明,當天下午的TEC及foF2也有明顯增強的現(xiàn)象。震前第6～4天(5月6—8日)出現(xiàn)一系列NmF2減小的現(xiàn)象,同時,TEC也出現(xiàn)類似的情況。與TEC分析結果的一致性,說明采用BP神經網絡建立區(qū)域電離層模型的分析方法是可靠的。而5月10日的TEC沒有出現(xiàn)異常增大的現(xiàn)象,我們認為這有可能是與TEC異常分析的方法有關,其異常判斷的閾值基于當前觀測值若干天前的觀測值均值,則閾值很可能已經包含了地震活動對電離層的影響,而我們采用模型值作為異常判斷的閾值,可以避免上述方法的弊端。目前,關于地震電離層耦合效應的物理機理還沒有定論,有研究證明,地震前孕震區(qū)巖石的微破裂可以產生大量正電