地震前兆舒曼谐振异常提取技术及机理研究

Schumann resonance (SR) anomaly is a newly found electromagnetic precursor for short-term earthquake (EQ) prediction. Due to the inadequate researches on the methods of abstraction and observation and the mechanism of its appearance, the accumulated EQ examples are limited. This project aims to research the anomaly abstracting method and the mechanism of EQ-induced SR anomalies. According to the facts that SR parameters are characterized by two factors: one depends on the universal time (UT) and the other is the function of the local time (LT), and the EQ-induced SR anomalies vary with LT, an anomaly abstracting method based on the technique for separating the LT and UT variations in the SR amplitude is proposed for the first time. Considering the limited EQ examples, the abstraction method is studied by the data produced by numerical modelling of the EQ-affected Earth-ionosphere cavity with FDTD technique in addition to the data observed practically. The numerical models of SR radio wave transmitting in both normal and EQ-affected Earth-ionosphere cavity are improved, including that the height of the cavity is extended to the higher part of the anisotropy ionosphere, and the dynamic models of conductivity and lightning worldwide are established with the relevant measuring data of ion density and lightning frequency. The research results will provide theoretical and operating foundations for the practical application of the short-term EQ prediction technique.

舒曼谐振（SR）异常是一种新发现的短临地震电磁前兆现象，因提取和观测方式以及机理等的研究不足，目前积累的震例有限。本项目拟对SR地震前兆提取方法及其产生机理进行研究。针对SR参数包括随世界时间（UT）和本地时间（LT）变化两大部分的观测事实，以及地震引发SR异常随LT变化的前提，本课题首次提出基于UT和LT变化因素分离的SR地震前兆提取方法。考虑到实际观测震例有限的事实，采用基于FDTD数值技术的模型构造数据和实际观测数据相结合的分析方法，对SR观测数据中地震引发的LT变化因素的分离技术进行探索研究。在对地-电离层波导的数值建模中，将腔体高度扩展到各向异性的电离层中高部，首次基于离子密度和闪电频次等的相关测量数据建立电导率和雷暴源的全球动态分布模型，进一步完善地-电离层波导中的SR传播模型以及地震前兆SR异常机理模型。研究结果将为进一步的短临地震预测技术的应用提供理论和实际操作基础。

舒曼谐振（SR）是自然存在的ULF/ELF电磁谐振现象，其谐振参数与地-电离层谐振腔的电参数密切相关，因此可感知强烈的地震、太阳耀斑等活动引发的大气电导率的异常变化。本项目首先对地-电离层谐振腔的电波传播模型进行了修正：基于卫星观测闪电数据建立全球闪电模型；基于全波法计算得到与knee解析模型相对应的大气电导率分布模型，研究表明导出的电导率分布模型用于数值计算中，可提供与knee解析模型接近的SR参数估计精度；采用了基于Matlab平台的远程多台云服务器并行运算技术，大大降低了数值计算对内存空间的要求。基于实测数据提取到了太阳耀斑活动期间SR的谐振频率的异常变化，并仿真其机理：在X射线增强时，谐振频率增大，因为扰动高度高于60 km，导致磁高度降低；在太阳质子事件期间，谐振频率降低，因为扰动高度低于60 km，导致电高度降低；与已有报导结论相同。基于卫星观测闪电数据统计了闪电的月平均变化，仿真分析了均匀地-电离层谐振腔中SR参数随全球闪电的变化而呈现的变化规律，基于实际测量数据和模型仿真数据分离并研究了SR参数变化中的随世界时间（UT）变化成分和随本地时间（LT）变化成分。采用极化特征提取方法提取到东日本大地震的ULF/ELF电磁异常，该异常出现在震前第3天，与前期提取到的SR异常出现的时间是吻合的；另外，基于卫星观测闪电频次数据，证实了提取的震前SR异常与雷暴活动异常是无关的；进一步基于震前卫星观测到的电离层TEC异常分布对地-电离层谐振腔内的电导率异常进行了假设，研究了电波传播异常机理。最后，采用月平均值为背景信息，对永胜和威海两站均有观测数据期间的震级>7.0、震源深度<20 km的陆地浅源地震进行了初步筛选，对筛选出的震例进一步基于LT和UT成分分离算法分析了可能的异常。本项目的研究结果为进一步基于SR的应用研究提供了前提。