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2024-08-31 17:21:10

1.徐文耀的学术贡献

2.地震预报方法的探索

3.地磁暴什么时候开始

4.空间物理学的意义

5.地磁和地电流在地震前会发生什么变化？

6.电离层详细资料大全

7.五种预报地震的方法

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洪水前兆的初步探讨（冯利华）

://hwcc 时间： 2002年5月16日 09:01 来源：《灾害学》2000-3

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摘要:根据历史洪水和现有研究,比较系统地分析了各种洪水前兆,可以为洪水预报提供一定的理论依据,同时指出,为了提高预报精度,必须对洪水前兆进行综合分析,去伪存真,最终达到防洪减灾的目的。

主题词:洪水前兆;洪水预报;前兆异常

中图分类号:P338+.6 文献标识码:A 文章编号:1000-811X(2000)01-00210-06

洪水预报,尤其是长期和超长期的洪水预报是一个长期令人困惑的难题。

这里一个重要的原因是洪水发生前的征候或迹象即洪水前兆难以认识和掌握。

事实上,和地震发生前具有前兆一样,洪水发生前也会出现一些明显的前兆。

这些前兆包括洪水形成的影响因素,以及有关的现象。

由于它们的出现预示着一个地区将来可能发生洪水,因而都是洪水的前兆信息,对洪水预报具有重要的指示作用〔1〕。

为此,本文拟根据历史洪水和现有分析,对洪水前兆作一初步研究,以供商榷。

1 洪水前兆

1.1 太阳黑子活动

太阳黑子活动具有11a的周期变化,而某些流域的洪水与太阳黑子活动具有明显的对应关系。

为了分析这种关系,把长江汉口站113a的年最高洪水位按太阳黑子活动11a周期位相进行排列,得到该站年最高洪水位超过警戒水位(26.30m)的各位相的次数(表1)。

从表1中可以看到,该站超过警戒水位的年份主要集中在太阳黑子活动的峰年(M年)和谷年(m年)及其前后。

为了进一步分析这种关系,把汉口站按11a周期位相排列的平均年最高洪水位绘成图1(其中=(H-1+2H0+H+1)/4,可以更清楚地看到,与太阳黑子活动关系密切。

太阳黑子活动还有22a的磁周期变化,这种变化与11a周期的谷年是一一对应的。

1998年符合这种对应关系,因此这一年长江流域发生了特大的洪水〔2〕。

由此可知,太阳黑子活动的峰谷年变化是长江流域重要的洪水前兆。

1.2 太阳质子耀斑

太阳质子耀斑是一种能辐射高能质子的耀斑,它通过扰动地磁,使极涡南移和西太平洋副高西伸北移,最终导致某些流域的汛期洪水〔3〕。

统计表明,约有81.3%的质子耀斑(峰值质子流量≥100pfu)发生后的第一个月内,长江中下游地区雨量明显增加,容易出现洪水。

1991年春夏之交,日面上连续两次出现了太阳质子耀斑。

第一次出现在5月13～18日,共3个;第二次出现在5月29日～6月15日,共7个,其中6个质子耀斑的射电爆发峰值流量都大于14000sfu,为非爆发时的30倍以上。

在这两次质子耀斑后的27天和30天,太湖、淮河流域出现了两次特大暴雨过程,第一次在6月9～17日,第二次在6月28日～7月13日,以致该区发生了严重的洪涝灾害,直接经济损失高达450亿元。

图1 汉口站年最高洪水位与太阳黑子活动的关系

1.3 日食

太阳辐射能在地球上呈现不均匀的纬向分布,使两极成为低温热源,赤道成为高温热源,从而导致大气环流的运行。

日食与洪水具有一定的关系,因为当日食发生时,地球上接受的太阳辐射减少,从而使大气环流发生异常变化,以致出现洪水〔4〕。

1900年以来,发生过两次罕见的日全食。

第一次在1955年6月20日,当时恶劣的天气使原先准备进行的科学考察工作全部停止;第二次在13年6月30日,世界上许多地区都出现了异常天气。

利用日食对我国各大江河1981～1987年的洪水进行检验性预报,其预报成功率可达84.7%。

1.4 近日点交食年

在近日点,地球受太阳的吸引力最大,公转速度最快,日月食在年头、年尾出现,此种年份称为近日点交食年〔5〕。

一方面在近日点交食年,日月引潮力引起近日点交食年潮汐,并引起厄尔尼诺现象,另一方面在近日点地球接受的太阳辐射比在远日点多7%,赤道暖流把吸收的热量通过黑潮送至我国沿海,且暖流蒸发也较多,增强了太平洋副高的活动能量,进而影响我国水文气象的异常变化,导致特大洪水发生。

自1860年以来,长江特大洪水发生在近日点交食年的年份有1860、1870、1935、1945、1954和1991年,其中1954年和1870年的洪水为1860年以来的最大值和次大值。

1.5 超新星

超新星是比亮新星更为猛烈的天体爆发现象。

当超新星辐射中光子能量较高部分的辐射穿越大气层时,导致电离增强区域的高度较低,将在中国引起洪水,其时间将滞后数十年〔6〕。

自公元1500年以来,有历史记载和推测的超新星共出现过7次,根据中国近500a旱涝史料的研究表明,在这7次超新星爆发之后,我国都出现了严重的洪涝期,其ZZK指数均小于2.55,滞后的时间为25～40a不等。

1.6 天文周期

把黄道面四颗一等恒星先后与太阳、地球运行成三点一直线的四个天文奇点的太阳投影瞬时位相,看成一种天文周期〔7〕。

天文奇点出现时,地球受到的天体引潮力达到最大值,同时大气环流也发生异常变化,从而导致洪水灾害。

研究证实,已知的天文周期与长江流域的旱涝有着较好的统计相关,相关率可达94%。

1.7 九星会聚

九星会聚指地球单独处于太阳的一侧,其它行星都在太阳的另一侧,且最外两颗行星的地心张角为最小的现象〔8〕。

九星于冬半年会聚时,地球单独位于太阳的一侧,太阳系质心处在与地球相反的方向,地球的公转半径必然加大。

此种年份的夏半年,地球也运行到太阳的另一侧,而几个巨行星(木星、土星、天王星和海王星)走得很慢,太阳系质心仍偏在太阳这一侧,使地球夏半年公转半径缩短。

因此,在九星会聚中,地球的冬半年延长,夏半年缩短,以致北半球接受的太阳总辐射量减少。

这就是九星会聚的力矩效应。

这种效应累积若干年,最终导致北半球气候变冷的趋势。

相反,如果九星会聚发生在夏半年,那么就会导致北半球气候变暖的趋势,产生各种气象灾害。

近1000a以来,长江流域1153、1368、1870和1981年的特大洪水都处在九星会聚的前后阶段;近500a以来,黄河流域发生过4次特大洪水,其年份是1482、1662、1761和1843年,其中除1761年以外,其它3次也都处在九星会聚的附近时期。

1.8 星际引力

在太阳、月球和各大行星对地球的引潮力中,月球的引潮力最大,太阳次之,木星再次〔9〕。

虽然它们的引潮力数值很小,但当它们的方位出现冲合时,引潮力将增大,从而引起气潮变化,激发异常天气过程的形成和发展。

统计表明,自1153年以来,长江中上游出现过8次特大洪水(1153、1560、1788、1796、1860、1870、1896、1954年),除1560年以外,其余7次特大洪水均发生在木星处于冲合或其邻近方位之时。

尤其是1954年夏至前后,正值水星内伏,火星正退,土星退毕,三个星都靠近地球,叠加在一条直线上,以致长江流域这一年出现了百年未遇的特大洪水。

1.9 大气环流异常

大气环流是制约一个地区水文变化的主要因素,大范围的洪涝总是与大范围的大气环流异常联系在一起的。

如1991年副热带高压强度偏强,并比常年提早近一个月北跳,副高脊线位置在5月中旬就到达19°～20°N,并一直到7月中旬仍维持在20°～26°N之间;与此同时,亚洲西部的乌拉尔山维持着阻塞高压,使西伯利亚冷空气频繁南下,以致冷暖空气在江淮流域持续交绥,出现了长达56d的梅雨期。

该区1954年的大气环流异常也与此类似,以致出现了一次长达4个月之久的由近20次暴雨过程组成的暴雨群降水。

1.10 热带气旋

热带气旋,尤其是热带风暴级以上的热带气旋是我国东南沿海地区最强的暴雨天气系统。

日雨量≥200mm的特大暴雨绝大多数是由热带气旋引起的,主要出现在7～9月。

热带气旋内水汽充足,气流上升强烈,阵性降水强度大,常造成特大的洪涝灾害,因而是东南沿海地区最明显的洪水前兆。

1994年17号强热带风暴袭击了浙江省,受灾人口达1333万人,直接经济损失高达144亿元;15年3号强热带风暴深入河南省中部,林庄站3d最大暴雨量高达1605mm,成为我国大陆上最大的暴雨记录。

1.11 西太平洋暖池

西太平洋暖池指菲律宾东南到印尼的海温≥28℃的区域。

统计表明,西太平洋暖池海温的高低,尤其是暖池125m深区海温的高低与江淮流域的旱涝关系密切。

当西太平洋暖池的海温较低时,从菲律宾经南海到中印半岛一带对流活动弱,而在日期变更线附近对流活动强,副热带高压强而偏南,并且成条状结构,江淮流域因此降水偏多,容易出现洪涝灾害。

过去几十年江淮流域基本上保持这种关系。

1.12 前冬海温距平场

通过分析北太平洋前冬(头年12月～当年3月)海温距平场与长江流域水旱年份的关系,表明在前冬海温距平场上,水旱年份不同,异常前兆也不同,大涝大旱年份的异常前兆更为突出〔10〕。

若以N表示海温正距平,L表示海温负距平,那么根据北大平洋海温自西向东的变化情况,可以得到四种海温异常型,即NLNL型(偏涝)LNLN型(偏旱)、NL型(大涝)和LNL型(大旱)。

如1953～1954年冬季,黑潮海域强烈增温,从西北太平洋副热带洋面起,沿着暖流方向,一直延伸到日本海均为暖水区,而东北太平洋的广阔海域几乎全为冷水区(NL型),对应的1954年汛期,长江流域出现了百年未遇的特大洪水。

1.13 ENSO现象

ENSO现象是厄尔尼诺现象和南方涛动的总称,它们对全球性的大气环流和海洋状况异常都有重大的影响,最终导致陆地上的洪涝灾害。

统计表明,从1949～1998年,已出现过12个厄尔尼诺年,而江淮流域在10个厄尔尼诺同年或次年发生过洪水(包括1998年);在这50a中,浙江金华站年径流量W>50亿m3的年份共有13a,其中9个年份也出现在厄尔尼诺同年或次年,并且1954年和13年的年径流量为系列中的最大值和次大值。

1.14 地球自转速率

地球自转速率变化包括多种周期变化和不规则变化,它主要是通过形成厄尔尼诺现象来影响洪水的〔11〕。

在地球自转速率大幅度减慢时期,由于“刹车效应”,海水和大气获得了一个向东的惯性力,从而使自东向西流动的赤道洋流和赤道信风减弱而发生海水增暖的厄尔尼诺现象。

据研究,四川盆地西部的历史洪水大都发生在地球自转速率由慢变快和由快变慢的不规则运动的转折点附近〔12〕;江淮流域发生特大洪水的1991年,也正值地球自转速率接近减慢段的终点。

1.15 地极移动

地球自转轴的方向是不断变化的,它包括长期变化、周期变化和其它变化,其中6～7a的周期变化是非常明显的〔13〕。

在有利的条件下,地极移动可以使海平面高度上升8～10mm,因而它也能使大气环流发生变化。

长江中下游的上海、南京、九江、芜湖和武汉五站5～8月降水距平有7a左右的周期变化;浙江省金华站的年最高洪水位也有6～7a的周期变化。

研究认为,在地极移动高振幅年,大气环流出现异常,亚欧大部和太平洋中纬地区经向环流指数增高,于是西风指数降低,相应的副热带高压偏南偏弱,因而长江中下游的降水增多。

1.16 地磁异常

地球磁场在正常月份呈线性分布,其线性相关系数Rz=75～100。

当地球磁场出现异常时,Rz值将减小〔14〕。

从1990年11月开始,我国出现了以皖南为中心的包括安徽、江苏和浙江在内的大面积地磁异常区。

到了1991年1月,异常中心的Rz值下降到-10。

5个月后,在这些地区出现了特大的洪涝灾害。

因此地磁异常也是一种明显的洪水前兆。

1.17 地震

自然灾害系统之间具有互相触发、因果相循等关系,从而造成灾害现象〔15〕。

研究表明,如果在蒙新甘交接地区发生7级以上的大震,那么其后一年内黄河往往会出现特大洪水,这种地震与洪水的对应率可以达到88%以上。

研究认为,当蒙新甘交接地区发生大震时,大范围的构造运动使地下携热水汽溢入低层大气,这一方面使大气水汽增加,同时使这里气压变低,诱使西风带上的水汽向这里输送;另一方面,大震后所造成的低压环境可吸引北方的冷空气南下和西太平洋的副高西伸北上,由此在黄河流域形成特大洪水。

因此,蒙新甘交接地区的大震活动就成为黄河流域的洪水前兆。

1.18 火山爆发

强烈的火山爆发可形成全球性的尘幔。

这些尘幔在高层大气中能停留数年之久。

它们能强烈地反射和散射太阳辐射,在大爆发后的几个月到1a之内,直达辐射可减少10%～20%,因此火山爆发产生一种使地球变冷的效应。

历史上赤道地区四次强烈的火山爆发曾引起四川温度偏低,大量凝结核使降水偏多,相当一部分地区出现洪涝灾害。

根据历史洪水资料分析,在火山爆发后的第二年,四川盆地发生较大洪水的概率为85%,在第三年发生较大洪水的概率为79%〔12〕。

2 结语

洪水是地球上最严重的自然灾害,它所造成的损失占各类灾害总损失之首,但洪水预报至今仍是一个令人困惑的难题。

本文根据大量资料,比较系统地分析了各种洪水前兆,可以为洪水预报提供一定的理论依据。

作者根据长期的研究工作,对长江流域的洪水前兆曾提出自己的看法,1995年9月浙江省教委批准了作者申请的课题:“1998年前后巨洪预警研究”。

其后经过大量的综合分析工作,发表了多篇论文〔2,16〕,并得到了证实。

因此,洪水前兆的研究对防洪减灾具有重要的理论意义和实际意义。

洪水前兆是客观存在的,只是目前的认识水平还很有限。

因此在利用洪水前兆进行洪水预报时,尤其要注意两点:1对洪水前兆必须进行综合分析,因为洪水是各种影响因素综合作用的结果,当然洪水前兆越多,信号越强,那么洪水量级越大;2对洪水前兆必须进行去伪存真,因为在观测到的大量异常现象中,既包含了洪水前兆信息,也可能包含了一些与洪水无关的其它信息。

随着资料的积累和认识的深入,洪水前兆无疑将成为提高洪水预报精度的突破口之一。

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[16] 冯利华,骆高远.太阳黑子活动与近期巨灾预警[J].预测,1996,15(7):19～22.

徐文耀的学术贡献

太阳磁爆对地球的影响如下：

1、气象：太阳磁暴会激发太阳的高能带电粒子流（也称为太阳风），这些高能粒子流会以极高的速度向地球方向冲击，可能会对地球的大气环境和气象带来影响，如极光等现象可能会增强或减弱，甚至消失，另外还会产生杂音掩盖通讯时的正常讯号，甚至使通讯中断。

2、磁场：太阳磁暴会影响太阳的磁场，从而影响地球的磁场。地球磁场是地球的保护力量，可以减少太阳风对地球的侵扰，但太阳磁暴会使磁场发生扰动，可能会对地球的空间环境和电磁环境产生影响。磁暴会增强大气中电离层的游离化，也会使极区的极光特别绚丽

3、电磁场：太阳磁暴会激发太阳的高能带电粒子流，这些高能粒子流会以极高的速度向地球方向冲击，可能会对地球的电磁场产生影响。例如，太阳风中的高能粒子流可能会干扰地球上的通信系统和电子设备的正常运行。

磁爆：

磁暴（全称：地磁暴，英文名：Geomagneticstorm）指的是地球磁场全球性的剧烈扰动现象。以地磁指数来表征磁暴的大小。磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小。磁暴的强度等级一般用Kp指数和Dst指数这两类地磁指数来划分。

在研究中通常用Dst指数分级，而在预警应用中用Kp指数。磁暴是高速等离子体云到达地球空间后，引发的最具代表性的全球空间环境扰动。根据预报时间提前量，地磁暴预报又分为警报、短期预报和中期预报。

磁场扰动时，磁场方向和大小的改变会影响它们之间的力矩，致使卫星的姿态发生变化。卫星的姿态发生变化后，通信卫星将无法正常通信，甚至有时可能会中断通信；气象卫星、军事卫星也无法监测地球。。由于磁暴的发生是全球同步，会造成一些保护装置产生跳闸等误动作

地震预报方法的探索

徐文耀在中、美、英、法、日、瑞等国学术刊物上发表论文200多篇。

1980年首次发现“行星际磁场反向扇形效应”，并提出解释这种现象的“共轭电场”机制，得到了产生扇形效应的磁层-电离层三维电流体系，大大提高了世界数据中心A(WDC-A，美国，波德尔)由地球磁场推断行星际磁场扇形结构的准确率。

1981年，首次计算出包括极区在内的全球L(地磁太阴日变化)电流体系，用三维发电机理论研究了L电流体系的产生机制，理论与观测很好吻合。

1983年最先提出“中国地磁场嵌套模型”，推导出既包括地球主磁场的内源场部分，又包括外源场部分的矩谐级数表达式，结合使用球谐分析和矩谐分析，建立了包括全球、中国、华北三个层次的地磁场嵌套模型。

1985年提出中低纬地磁子午台链思想，研究出一整套用中低纬地面观测手段诊断和监测地球电磁环境的方法，为研究日地能量耦合和磁暴预报提供了重要的基础。并且用磁流体冻结场理论，（这里删除“首次”）得到地核表面无通量线运动的全速度。

1992年提出了一个新的地磁指数——“Sq指数”，用于描述地磁太阳日变化的结构和强度特征，对中低纬大尺度电流体系的时空特点和物理机制进行了系统研究。

1996年提出普遍适用的“半开磁层模型”，用地面和卫星观测资料，求得太阳风-磁层能量耦合函数的一般表达式和参数。同时实现了磁层亚暴电流体系主要成分(驱动过程和卸载过程)的定量分离，推动了磁层-电离层耦合的定量研究。

1998年根据地磁场形成的物理过程，对组成主磁场的成分进行了定量分离，并研究了各种成分的空间结构及其长期变化。

2002年建立了地球磁场的“自然正交分量”模型，并将只有100年长度的国际地磁参考场序列向前外推到十六世纪，得到长达450年的国际地磁参考场序列，推动了地磁场长期变化的研究。

2003年用本征模方法对地磁场日变化进行了分解，得到了有物理意义的日变化成分，对空间天气预报有一定意义。

地磁暴什么时候开始

（一）反映地震活动时间序列的统计预报

在统计预报中，把地震看成是一种随机。即地震在单位时间内出现的概率分布，要求具有独立性、序列性、平稳性，服从泊松分布：

固体地球物理学概论

其中：f（n）为单位时间内发生n次的概率；λ为单位时间内发生地震的平均次数。例如，温纳早在1937年取1925～1930年的全球地震进行过统计。为保证具有独立性，要去掉大震发生后一个月内的余震，计在2191d内发生2585次独立地震，平均每天发生数λ=2585/2191=1.18（次/日）。代入式（6-8），可得

固体地球物理学概论

将所得f（n）再乘以总天数2191，则得每日发生n次的天数。这就是表6-1中给出的计算天数，同时给出由观测数据分别统计出来的结果。这个表表明，地震是可以作为随机处理的。

表6-1 地震频度分布表（1925～1930年）

由于地震时间序列可以作为随机处理，所以能运用一些统计规律去推测未来。例如，应用极值理论做中国中长期地震预报，应用相关性做全球地震与中国大陆地震的相关性分析，以及大陆地震重现周期和量级分布律的研究等。

统计预报只能对较大地区和较长时间做出粗略估计。由于这种预测是在一定概率意义下给出的，不具有确定性，所以，概率虽高而实际并未发震的情况并不少见。

（二）反映地震大小比例失调的b值预报

古登堡、里克特最早发现地震震级M与地震次数n（M）的指数衰减关系：

lgn（M）=a—bM

由此不难写出b值的表达式：

固体地球物理学概论

b表示某一震级的次数与高一级的地震次数之比的量级值，即通常所说的大小地震比例关系。如果b值严重偏离正常值，即大小比例失调，当b值偏低时，则可能发生大震。

我国地震工作者对b值进行了大量研究和资料整理。图6-1是海城、龙陵、唐山、松潘四次地震前震中附近的b值变化。这是将每个月的b值点出来的逐月变化图。

图6-1 几次较大地震前的b值逐年变化曲线

反映大小地震比例关系的b值在时间和空间上的变化，属于一种能量分配的变化。保持一定的能量分配，是固体介质的固有要求和固有属性。对于b值的监测，正是追踪能量分配是否失去平衡的一种有效手段。

（三）反映地震频度衰减的h值预报

在一个不太长的时间和不太大的地区内，发生一组地震。取其中最大地震为起点，最大地震之后的地震频度随时间的变化，一般可以写成

n（）t=n1t—h （6-10）

茂木称式（6-10）为余震衰减公式，刘正荣在19年利用该式分析云南地区的地震资料，得出：h≤1，地震群是前震型；h≥1，地震群是余震型。并且结合b值大小进行预报。图6-2是根据一组地震的h、b值对未来地震进行预报的h—b示意图。如果是落在A区内，将发生比该组最大地震还要大的主震；落在B区内，将发生低于该组最大地震的强余震；而落在C区和D区，相对来说较为安全。当然，不同地区的余震衰减情况相差较大，不可等同视之。

图6-2 h-b空间图

（四）反映地震震源断层面总面积的∑值预报

用地震频度和地震能量虽可分别表示地震活动强弱，但由于小震数目远大于大震数目，故频度变化实际反映的是小震活动。而由于一次大震的能量远大于一次小震或数次小震能量，故能量变化实际反映的主要是大震活动，因此单用频度和能量不足以表征地震活动的全体，从而引入一个兼顾两者的量∑，它定义为

固体地球物理学概论

式中：N（K）为时间t至t+?t间隔内，能级为K的地震数目，K=lgE（当然，所谓能级为K是指从K— 到K+ 的一个范围）。根据L的大小，可分三种情况：

（1）L=1，，退化为频度；

（2）L=10，，退化为能量；

（3）L=4.5，，表示不同能级的地震断层面面积之和。

为了说明第三种情况，可做以下分析：因为地震波能量E正比于地震释放能量E0，即E∞E0，而E0又正比于震源体积V，或者说，正比于震源断层面S的3/2次方，即E0∞S3/2，因此有以下关系：

固体地球物理学概论

即是说，式（6-11）中的LK以4.5K代替，则得

∑（t）=∑ N（K）S（K）（6-12）

它表明∑（t）为不同能级的断层面面积之和，这就是∑（t）的物理意义。

实际工作表明，在一定地震带∑（t）曲线的峰值与其后发生的强震往往有一定对应峰值越大，峰到强震的时间间隔越长，则地震的震级越大。关系。一般说来，∑（t）

（五）根据波速变化进行预报

当地震波通过未来震源区时，由于震源区的结构（断层分布等）和物理状态（弹性模量等）的变化，其传播速度应当发生相应变化。大致用以下几种办法进行研究：

1.近震的和达清夫作图法

令K=vP/vS，则有

固体地球物理学概论

式中：、为直达纵波和横波到时；O为发震时间。对于同一个地震，可以由若干个台记录的和数据，算出K和O。

2.双台远震视速度法

同样利用K=vP/vS，可得

（S—P）2—（S—P）1= （K—1）（P2—P1）　（6-14）

式中1，2为两个台序号。条件是两个台要在同一震中方向上，P、S为直达纵波和横波到时。

3.远震残差法

在测定地震基本参数时，总得到一个P波走时的残差平均值：

固体地球物理学概论

式中：，Ri为第i个台的残差，Ri=P＇i—Pi（P＇i为观测值，Pi为计算值），为残差正常值。

4.定点爆破法

固定爆破点和接收点，定期进行爆破，以取得爆破点与接收点之间的可靠走时，距离与走时相除得行进速度。

前面两种是利用波速比值K，后面两种利用波速vP，曾用K值在一些地区进行过预报尝试或发震后对可能的前兆进行分析。图6-3是北京地区的K值典型曲线：它先是下降，到达最低点又回升，这个时间称为异常持续时间（T），从异常结束到发震称为发震延迟时间（?t）。一般认为，异常持续时间与震级有关。

图6-3 K值曲线示意图

利用波速变化预报地震，曾给人们带来希望，然而，随着震例的增加，这种方法没有完全经得住考验，是观测精度有问题，还是物理模型有问题，抑或两者兼有，目前还没能给出确切结论。

（六）根据地面形变进行预报

日本是最早研究地形变与地震关系的国家。一般认为，地震形变从开始积累到最后释放共有三个阶段，分别标以α、β和γ。α：危险地区的地壳在长期缓慢形变的基础上出现异常；β：危险地区的地壳形变速度剧增且发生方向改变；γ：最后破裂，以弹性回跳方式大量释放能量，幅度最大，方向相反。图6-4是其地形异常变化示意图。

图6-4 地形异常变化示意图

地形变测量，一般使用包括三角测量和水准测量在内的大地测量。但大地测量只能发现α形变，不宜于监视β变形。β变形的时间短变化急，只有用连续记录才能奏效。因为β变形是弹性形变的累积从稳定过程变为不稳定过程的临震异常阶段，尤其引人注意。

国际上公认的地形变可以预报地震或可以显示地震前兆的例子，是日本1964年的新潟地震（M=7.5）和苏联塔什干1965年（M=6）地震。有人认为，海城地震之前，金县站的短水准地形变资料有一定程度的显示。

（七）根据地磁和地电变化进行预报

地磁预报曾吸引了许多地球物理学家和地震预报工作者，因为它既有可靠的科学基础（压磁效应），又有精确的测量仪器（理论上计算震源区岩石受压所产生的附加磁场可达5nT，而仪器可以测量到10—1～10—3nT）。一时间，研究者颇多，但都没有获得预期结果。最为著名的是美国布兰纳在圣安德列斯断层一段120km长的实验基地上，进行精度为10—3nT的地磁测量。在试验期间，试验区及附近发生许多地震（较大的M=4），却没有发现预想的地磁场变化。1980年，我国祁贵仲根据模型计算和部分震例，得出分量测量等效于空间加密测点的概念，提出并论证震磁观测中总强度测量的有效性，在这个思想指导下，在我国重点地震区布置了以观测总强度为主的流动测网。

因为岩石压电效应和压磁效应是同样明显的。为了测量地下岩石的电阻率变化，各国都布设了大量地电观测台，并取得一些数据。有人认为地光也是压电效应形成的。地光就是地震时在当地天空出现的异常光焰，有关地光的历史记载和现在的观察很多。如15年辽宁海城地震前，当地居民普遍看到各种颜色地光，而且范围很广。由于地光与震电关系的内在联系还不清楚，因而目前还难以引入预报实践。

（八）根据地下水位和地下水氡变化进行预报

如前所述，震源处含水是发震的一个重要物质条件，水中所含放射性氡又是鉴别震源区介质和一般地区介质的重要指标。

针对地震预报，我国对地下水位进行了系统观测和研究，是群测群防网监视临震异常的重要内容。地下水位的变化，一般认为是地壳形变引起的。但是季节、天气、灌溉等也会引起水位变化，要区别干扰和地震信息还是很困难的。有些地区专门选取一些对地震敏感的专用井，作为“地震窗口”，进行连续自动记录。

我国对地下水氡的测量和研究，是作为水文地球化学的一部分来进行的。除了放射性氡，还有多种离子（硝酸根离子、氯离子等）可以作为地震前兆参与预报。而且发现7级以上大震（如唐山地震），这些水化前兆反应，不是从震中向外推移，而是具有从向震中方向推移的特点。苏联对地下水氡（尤其是深井泉水氡）与地震的关系做了细致探讨。图6-5是在塔什干疗养院所取得的泉水氡含量记录图（单位：Bq/m3），水氡等化学成分的变化，是由于地壳形变造成含水层中气体的运移引起的。

图6-5 苏联塔什干疗养院地下水氡含量随时间变化曲线图

（九）综合预报

上述诸项属于单项预报，更有利的是对各单项进行综合。表6-2给出临震的前兆异常综合表。根据各种前兆反应的时间尺度和控制范围，根据资料的可靠程度，以及它们在震源物理过程中的发展地位，通常按图6-6进行综合中长期和临震预报。其中震情分析是根据测震系统所得地震活动性做出的，可给出整体变化趋势。在此主要标志启示下，对危险地区和危险时段的地球物理场进行深入对比。当尚未进入临震状态时，用更大范围的地形变资料和地质构造背景资料，剖析危险区并估计震级大小。当临近地震时，除继续监视专业测点的测震前兆和地球物理场变化之外，还应注意群测群防点的宏观现象（如动物反常、井水水位和水氡变化等），此时宏观现象更加明显和集中，依此确定震中危险区。还要在整个预报分析中考虑天文因素和气象等因素的影响。

表6-2 几种前兆异常综合表

应当强调指出，地震预报是一种概率性的、经验性的和综合性的灾变预测。与概率性相对的是确定性。由于地震的发生是多方面因素决定的概率件，不可能像天象（如日食、月食）那样可以给出唯一确定的预报，只能给出发生地震的可能性大小。与经验性相对的，是理论性的或称模式化的预报。我国海城地震预报成功，在很大程度上依赖邢台地震经验，而四川松潘地震的预报成功，又在一定意义下是借助海城地震经验。由于唐山地震的类型不同于邢台、海城，即无经验可借鉴，以致漏报。出现这种情况，人们又容易走上轻视经验而片面依赖理论的极端。这样，同样会造成严重社会影响。其反例是，美国布雷迪在1980年根据实验室中岩石破裂过程的红外连续摄影照片，按相似法则提供的实验微破裂与实际断层的比例关系，应用于南美的秘鲁等地区的地震预报。曾预言：1981年8月14日那里将发生一次8级地震。其结果，地震没有发生，却造成“公众恐慌和社会混乱”。因此，理论上过于简单和经验上过于片面，都会造成严重社会后果。在这种情况下，取的预报原则应该是综合性的。这里所说的综合，即包括各种手段的综合，也包括经验与理论的综合。

图6-6 综合预报流程图

国际上公认的具有科学意义的成功预报只有两次：中国海城15年7.3级地震和苏联帕米尔地区1981年7.0级地震。显然，目前国际上地震预报成功率是很低的，而这两次成功预报又带有一定偶然性。即是说，目前对地震本质的认识，还没有实质性进展，仍然处于积累资料和积累经验的发展阶段。

空间物理学的意义

据国家空间天气监测预警中心消息，北京时间2023年4月24日凌晨2时，地球发生了一场特大地磁暴，预计将持续两天左右。

这是第25个太阳活动周期以来，地球经历的最强地磁暴。据报道，地磁暴曾经使马斯克的38颗“星链”卫星脱轨。24日凌晨，地球发生了一次特大地磁暴，Kp指数（即全球磁场指数，其反映的是每三小时地球磁场活动的情况，数值越大对应的地磁活动越强）达到了少见的“8”。

据中国科学院空间环境研究预报中心介绍，在北京时间2023年4月22日凌晨两点，太阳和日球层观测台（SOHO卫星）监测到一次伴随M1.7级太阳耀斑的全晕日冕物质抛射（简称“CME”），CME正是产生这次地磁暴的直接原因。

地磁暴介绍

此次CME来自于太阳活动区AR3283的耀斑和暗条联合爆发。也就是说，此次地磁暴由太阳产生的“冲击波”引发。据介绍，此次地磁暴过程是由日冕物质抛射作用产生的，是典型的太阳爆发。当这些携带太阳能量的物质以数百千米每秒的高速飞离太阳表面时，就会形成类似爆炸冲击波的效果，快速传递到太阳系的各处。

在它的作用下，地球磁场发生了方向以及大小的明显变化，地磁暴就随之发生了。中国科学院空间环境研究预报中心在24日下午3时发布消息称，此次地磁暴仍将持续1天左右。在北京时间24日20时，当G星经过卫星地面站时，基于最新的轨道预报结果，国家空间天气监测中心再次准确捕捉到了它的位置，显示其运行情况正常。

地磁和地电流在地震前会发生什么变化？

空间技术的发展，使宇宙空间不再是可望不可及的遥远的世界，而是在人类生活中起着越来越重要的作用。但是空间环境以多种方式对在其中飞行的飞行器产生影响，例如，高速飞行的微流星体可以击穿飞行器的外壁；高能带电粒子以巨大的辐射剂量损伤各种材料，特别是暴露于飞行器表面的太阳能电池，威胁在空间活动的宇航员的生命安全；等离子体可以使飞行器充电到几千伏以上，干扰以至彻底破坏飞行器的工作；地球高层大气密度的改变能改变卫星的轨道，缩短卫星的寿命，影响导弹的命中精度；磁场则能改变飞行器的姿态。而空间物理的探测研究正是通过弄清所有这些因素的空间分布和变化规律,以及它们对飞行体的影响,成为人类能够置身于宇宙空间之中，并且开发和利用这一领域所不可缺少的一个环节。随着宇宙航行的规模越来越大，宇航系统的复杂性不断增长，更好地掌握空间环境的变化规律的要求也会更迫切。

太阳活动通过电磁辐射和微粒辐射来影响地球及其周围的空间，更通过对地面系统的扰动直接地影响人类的生活，电离层暴导致无线电通信中断；地磁活动可以在输油管、通信电缆和输电线路中引起相当大的感应电流，加速油管的腐蚀，干扰监测系统，并可能在输电系统中造成严重的事故。空间物理的探测和研究可以为预报这些提供重要的依据。

空间物理学研究中具有极其重要实践意义的，然而又是争论最多的一个问题是太阳活动同天气和气候的关系。主张太阳活动对天气和气候有影响的学者已经找到一些相关统计结果来证明这一点，它们是以直接或间接描述太阳能输出的参量（如太阳黑子数、行星际磁场指向、地磁扰动指数等）与地球天气及气候的测量数据(如温度、气压、降水、雷暴频率等)之间的相关形式出现的。反对者则怀疑这些结果，认为这些数据是局部的，而不是全球性的；资料涉及的时间太短，以及没有经过必要的统计显著性检验。此外，还没有建立起将两者联系起来的物理机制。但由于这一问题自身的重要性及其与空间物理的密切联系，它已成为空间物理研究中的极有生命力的课题。

电离层详细资料大全

这是一篇新闻报道你可以略知一二根据这个变化预测地震现在在学术界还有争论，当年512过后也有人拿出之前的研究成功，但是这些都是事后了，也没有真正应用在地震预报上

DST指数测量的是中低纬度地磁水平方向的扰动，反映的是赤道上空的环电流强弱，当有带电粒子进入环电流区域，环电流就会增强，由于环电流产生的磁场会削弱地磁场，在地面就探测到地磁场减弱的现象。

地磁DST反映的是地球外部磁场的扰动，而地震的发生是因为地球内部的板块间活动，有人提出过用卫星来揭示地震发生前的地磁异动，但这还处在未启动阶段，地震与地磁的关系在地磁学里还没有理论性的分析。

各地频传“要地震”

专家称两者没有必然联系

金陵晚报记者王君

最近两天，地球磁场的DST指数陡然跳水，根据国家空间环境预报中心的监测，在6月17日至6月18日间，地磁DST曾在6小时内急降了将近90。

而与此同时，前天深夜到昨天清晨，全球多地发生了有感地震。两者之间有必然关联还是仅仅是巧合？网络上各种意见纷纷扰扰。

记者访了紫金山天文台的空间活动专家和南京市地震局的地震专家，他们均表示，近期发生了一次比较强的地磁暴，扰动了地球磁场，而地磁暴和地震的发生，可能有某种偶然性的联系，但是并没有特别直接的必然关联，也不会对我们的生活造成比较大的影响，大家不用担心。

五种预报地震的方法

电离层（Ionosphere）是地球大气的一个电离区域。电离层（ionosphere）受太阳高能辐射以及宇宙线的激励而电离的大气高层。60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域，其中存在相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。

基本介绍中文名：电离层外文名：Ionosphere 区域：60千米以上的大气层部分电离区域研究对象：电子密度随高度的分布存在星体：地球、金星、火星等上层：磁层简介,研究历程,形成机理,内部分层,4.1综述,4.2D层,4.3E层,4.4F层,结构,模式,异常,7.1综述,7.2冬季异常,7.3赤道异常,扰乱,8.1X射线,8.2质子,8.3地磁风暴,测量,9.1电离层图,9.2太阳流,9.3研究项目,和电波传播,10.1综述,10.2无线电,和地震预测,11.1综述,11.2研究发现,11.3监测方法,11.4得到验证,11.4震前异常,电浆态,电离层中离子的分布,电离层中自由电子的运动, 简介由于受地球以外射线（主要是太阳辐射）对中性，原子和空气分子的电离作用，距地表60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态，电离层是部分电离的大气区域，完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星也有电离层。 图1 电离层与磁层 在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。在55公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。电离层内任一点上的电子密度，决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。电离层的发现，不仅使人们对无线电波传播的各种机制有了更深入的认识，并且对地球大气层的结构及形成机制有了更清晰的了解。研究历程 1899年尼古拉·特斯拉试图使用电离层进行远距无线能量传送。他在地面和电离层所谓的科诺尔里亥维赛层之间传送极低频率波。基于他的试验的基础上他进行了数学计算，他对这个区域的共振频率的计算与今天的试验结果相差不到15%。1950年代学者确认这个共振频率为6.8Hz。 图2 中国地区电离层北京趋势图 1901年12月12日古列尔莫·马可尼首次收获跨大西洋的信号传送。马可尼使用了一个通过风筝竖起的400英尺长的天线。在英国的传送站使用的频率约为500kHz，其功率为到那时为止所有传送机的100倍。收到的信号为摩尔斯电码中的S（三点）。要跨越大西洋，这个信号必须两次被电离层反射。继续理论计算和今天的试验有人怀疑马可尼的结果，但是1902年马可尼无疑地达到了跨大西洋传播。 1902年奥利弗·黑维塞提出了电离层中的科诺尔里亥维赛层的理论。这个理论说明电波可以绕过地球的球面。这个理论加上普朗克的黑体辐射理论可能阻碍了射电天文学的发展。事实上一直到1932年人类才探测到来自天体的无线电波。1902年亚瑟·肯乃利(ArthurKennelly)还发现了电离层的一些电波-电子特性。 1912年美国国会通过1912年广播法案，下令业余电台只能在1.5MHz以上工作。当时 *** 认为这以上的频率无用。致使1923年使用电离层传播高频无线电波的发现。 1947年爱德华·阿普尔顿因于1927年证实电离层的存在获得诺贝尔物理学奖。莫里斯·威尔克斯和约翰·拉克利夫研究了极长波长电波在电离层的传播。维塔利·金兹堡提出了电磁波在电离层这样的电浆内的传播的理论。 1962年加拿大卫星Alouette1升空，其目的是研究电离层。其成功驱使了1965年Alouette2卫星的发射和1969年ISIS1号和11年ISIS2号的发射。这些卫星全部是用来研究电离层的。形成机理大气的电离主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致。此外，太阳高能带电粒子和宇宙射线也起相当重要的作用。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成电浆区域即电离层。电离层从巨观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。 图3 电离层知识的拓宽 电子生成率是指中性气体吸收太阳辐射能发生电离，在单位体积内每秒钟所产生的电子数。电子消失率是指当不考虑电子的漂移运动时，单位体积内每秒钟所消失的电子数。带电粒子通过碰撞等过程又产生复合，使电子和离子的数目减少；带电粒子的漂移和其他运动也可使电子或离子密度发生变化。内部分层 4.1综述电离层形态是电离层中电子密度等基本参量的空间结构（高度和经纬度分布）及其随时间（昼夜、季节和太阳活动周期）变化的情况。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等，其中F层还可分为F1层和F2层。E层和F1层中，电子迁移作用较小，具有查普曼层的主要特性。层的临界频率П（其平方正比于峰值电子密度）与太阳天顶角ě近似地满足由简单层理论所导出的关系式П=ɑcosě(兆赫)，式中ɑ和b为常数。这个关系式反映了电离层电子密度随时间和地区变化的基本趋势。在较高的F2层，电离输运起着重要作用；在地球磁极，存在着外来带电粒子的轰击，形态更为复杂。D层和F1层的峰形一般并不很凸出。图1为电离层电子密度的典型高度分布。 图4 中国地区电离层TEC现报分布 4.2D层离地面约50～90公里。白天，峰值密度NmD和相应高度hmD的典型值分别为10厘米和85公里左右。无线电波中的短波在该层受到较大的吸收。太阳活动最高年的吸收几乎是最低年的两倍。一年之中，NmD的夏季值大于冬季值，但在中纬地区，冬季有时会出现异常吸收。夜间，电离基本消失。 图5 电离层电子密度的典型高度分布 4.3E层离地面约90～130公里。白天，峰值密度NmE及其相应高度hmE的典型值分别为10厘米和115公里。NmE的昼夜、季节和太阳活动周期三种变化，大致符合简单层理论公式，分别于中午、夏季和活动高年达到最大值；这时，公式中常量ɑ≈0.9(1801.44R)，b≈0.25，R为12个月内太阳黑子数流动平均值。夜间，NmE下降，hmE上升；NmE≈5×10厘米，hmE的变化幅度一般不超过20公里。 4.4F层离地面约130公里以上，可再分为F1和F2层。 ①F1层（离地面约130～210公里）：白天，峰值密度NmF1及其相应高度hmF1的典型值分别为2×10厘米和180公里。F1层峰形夜间消失，中纬度F1层只出现于夏季，在太阳活动高年和电离层暴时，F1层变得明显。NmF1和hmF1的变化与E层类似，大致符合简单层的理论公式，这时ɑ≈4.30.01R，b≈0.2。 图6 电离层各层峰值密度Nm及相应高度hm ②F2层（离地面约210公里以上）：反射无线电信号或影响无线电波传播条件的主要区域，其上边界与磁层相接。白天，峰值密度NmF2及其相应高度hmF2的典型值分别为10厘米；夜间，NmF2一般仍达5×10厘米。在任何季节，NmF2的正午值都与太阳活动性正相关。hmF2与太阳活动性一般也有正相关关系，除赤道地区外，夜间值高于白天值。在F2层，地球磁场大气各风系、扩散和其他动力学因素起着重要的作用，其形态变化不能用查普曼的简单层理论来描述，于是F2层比起E层和F1层便有种种“异常”。所谓日变化异常是指F2层电子密度的最大值不是出现在正午(通常是在本地时间13时至15时)，同时NmF2还具有半日变化分量，其最大值分别在本地时间上午10～11时和下午22～23时。季节异常是指F2层正午的电子密度在冬季要比夏季高。赤道异常是指F2层电子密度并不在赤道上空最大，它明显地受地磁场控制，其地理变化呈“双峰”现象，在磁纬±20度附近达到最大值。在高纬度地区，可观测到许多与带电粒子沉降有关的异常现象。其中，最为重要的是F层“槽”，这是地球背阳面上从极光圈开始朝向低纬宽约5～10度的低电子密度的带区。峰上固定高度的电子密度和电离层电子总含量的时间变化，与NmF2有类似之处。图2为电离层各层的峰值密度Nm和相应高度hm在中纬度地区的平均昼夜变化。除上述各均匀厚层外，电离层还存在着两种较常见的不均匀结构：Es层即偶发E层（见Es层电波传播）和扩展F层（见电离层不均匀体）。结构太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。电离层在垂直方向上呈分层结构，一般划分为D层、E层和F层，F层又分为F1层和F2层。最大电子密度约为10厘米，大约位于300千米高度附近。除正规层次外，电离层区域还存在不均匀结构，如偶发E层（Es）和扩展F。偶发E层较常见，是出现于E层区域的不均匀结构。厚度从几百米至一二千米，水平延伸一般为0.1～10千米，高度大约在110千米处，最大电子密度可达10厘米。扩展F是一种出现于F层的不均匀结构，在赤道地区，常沿地磁方向延伸，分布于250～1000千米或更高的电离层区域。 图7 电波传播的途径 电离层分层结构只是电离层状态的理想描述，实际上电离层总是随纬度、经度呈现复杂的空间变化，并且具有昼夜、季节、年、太阳黑子周等变化。由于电离层各层的化学结构、热结构不同，各层的形态变化也不尽相同。模式电离层模式是电离层诸参量随高度变化的数学描述。这种变化与地理位置、季节、地方时，以及太阳和地磁活动性有关。复杂的电离层形态给实际套用带来极大困难，因此，人们在大量实测数据的基础上，用较简单的数学模式描述电离层形态和结构，以便在无线电通信和宇宙航行等工程设计中套用。研究最多的是对无线电波传播有直接影响的电子密度模式。式中N(h)为离地面高度h处的电子密度；h0为起算高度；α为常数；ɑ为层的半厚度。这些模式只能描述电离层电子密度剖面的某一部分。为了完整地描述剖面，须在不同部分用不同的数学表达式。对F层峰值以下的电子密度剖面，可按照不同的实际套用，用不同的组合模式。国际无线电咨询委员会推荐用于短波场强计算的布雷德利－杜德奈模式，是抛物模式(F2层)-线性模式（F1层）-抛物模式（E层）的组合模式。模式参数可以从电离层观测站所得到的特性参数推算出来。一般情况下，所得的电子密度分布与实际分布的高度差别小于20公里。其他的模式还有：余弦模式（F2层）-正割模式（E-F层）-抛物模式（E层）的组合模式，可用于精度要求较高的射线追踪计算；抛物模式（F2）层与多项式组合模式，便于从电离层垂测仪的频率-高度图计算F2层的峰值高度、峰处标高和等效峰下平板厚度。《国际参考电离层》(IRI，19)给出的电子密度、电子温度和离子温度剖面。包括F层峰值区域在内的电子密度剖面中，较典型的有本特模式和宾夕法尼亚州1号电离层模式。本特模式的高度范围约从150公里到2000公里。峰值高度以下为抛物平方模式，峰值高度以上为抛物模式；更高的高度上为三个相接的指数模式。本特模式忽略剖面（特别是F部区域）的细节，着眼于精确地表达电离层电子含量。它适用于计算无线电波由于折射所造成的时延和方向的变化。宾夕法尼亚州1号电离层模式（120～1250公里）是在一个经验所得的高度范围内，模拟电离层的物理化学过程，通过调节电离反应速度和垂直电子流计算电子密度。这一模式主要用于研究输运过程和风的衰减等理论问题。国际无线电科学联盟和美国空间研究委员会根据电离层的实测资料编制成《国际参考电离层》，它是一套专门的电脑程式，输入数据为地理经度和纬度、月份、本地时间、太阳黑子数。输出数据为电离层诸参量的垂直分布。图3为输出剖面示例。由于来自外空，太阳和地球大气本身的各种扰动源的激发，电离层还会产生相应的扰动变化和不规则结构，表现各种不同的形态（见电离层扰动、电离层不均匀体、电离层调变）异常 7.1综述实际上电离层不像上面所叙述的那样由规则的、平滑的层组成。实际上的电离层由块状的、云一般的、不规则的电离的团或者层组成。 7.2冬季异常夏季由于阳光直射中纬度地区的F2层在白天电离度加高，但是由于季节性气流的影响夏季这里的分子，对单原子的比例也增高，造成离子捕获率的增高。这个捕获率的增高甚至强于电离度的增高。因此造成夏季F2层反而比冬季低。这个现象被称为冬季异常。在北半球冬季异常每年都出现，在南半球在太阳活动低的年度里没有冬季异常。 图8 朝阳面电离层里的电流 7.3赤道异常朝阳面电离层里的电流在地球磁赤道左右约±20度之间F2层形成一个电离度高的沟，这个现象被称为赤道异常。其形成原因如下：在赤道附近地球磁场几乎水平。由于阳光的加热和潮汐作用电离层下层的等离子上移，穿越地球磁场线。这在E层形成一个电流，它与水平的磁场线的相互作用导致磁赤道附近±20度之间F层的电离度加强。扰乱 8.1X射线太阳活跃时期强烈的耀斑发生时硬X射线会射击到地球。这些射线可以一直穿透到D层，在这里迅速导致大量自由电子，这些电子吸收高频（3-30MHz）电波，导致无线电中断。与此同时及低频（3-30kHz）会被D层（而不是被E层）反射（一般D层吸收这些信号）。X射线结束后D层电子迅速被捕获，无线电中断很快就会结束，信号恢复。 8.2质子耀斑同时也释放高能质子。这些质子在耀斑爆发后15分钟至2小时内到达地球。这些质子沿地球磁场线螺旋在磁极附近撞击地球大气层，提高D层和E层的电离。极冠吸收可以持续一小时至数日，平均持续24至36小时。 8.3地磁风暴地磁风暴是地球磁场暂时的、剧烈的骚扰。地磁风暴时F2层非常不稳定，会分裂甚至完全消失。在极地附近会有极光产生。测量 9.1电离层图电离层图显示使用电离层探测仪测量的电离层层次的高度及其临界频率。电离层探测仪垂直向电离层传送一系列频率（一般从0.1至30MHz）。随频率增高，信号在被反射前可以穿透更高的层。最后频率高到不再被反射。 9.2太阳流太阳流是使用加拿大渥太华的一台射电望远镜测量的太阳辐射在2800MHz频率的强度。测量结果证明这个强度与太阳黑子活动相称。不过导致地球大气上层电离的主要是太阳的紫外线和X射线。地球静止业务环境卫星可以测量太阳的X射线流。这个数据与电离层的电离度更加相应。 9.3研究项目科学家使用不同手段研究电离层的结构，包括被动观测电离层产生的光学和无线电信号，研究不同的射电望远镜被反射的信号，以及被反射的信号与原信号之间的差别。 图9 电离层监视图 1993年开始的为期20年的高频主动极光研究计画以及类似的项目研究使用高能无线电发射机来改变电离层的特性。这些研究集中于研究电离层电浆的特性来更好地理解电离层，以及利用它来提高民用和军事的通讯和遥测系统。超级双子极光雷达网研究高高度和中高度对8至20MHz频率的相干散射。相干散射与晶体的布拉格散射类似，是由电离层密度差异造成的相增衍射散射。这个项目包括全球11个不同国家的多部雷达。科学家还测量卫星和其它恒星的无线电波经过电离层所产生的变化。位于波多黎各的阿雷西博天文台本来就是打算用来研究地球电离层的。和电波传播 10.1综述电离层对电波传播的影响与人类活动密切相关，如无线电通讯、广播、无线电导航、雷达定位等。受电离层影响的波段从极低频（ELF）直至甚高频（VHF），但影响最大的是中波和短波段。电离层作为一种传播介质使电波受折射、反射、散射并被吸收而损失部分能量于传播介质中。3～30千赫为短波段，它是实现电离层远距离通讯和广播的最适当波段，在正常的电离层状态下，它正好对应于最低可用频率和最高可用频率之间。但由于多径效应，信号衰落较大；电离层暴和电离层突然骚扰，对电离层通讯和广播可能造成严重影响，甚至讯号中断。300千赫至3兆赫为中波段，广泛用于近距离通讯和广播。 10.2无线电百年前，三声短促而且微弱的讯号，向世界宣布了无线电的诞生。一九〇一年，扎营守候在讯号山(SignalHill位于加拿大东南角)的义大利科学家马可尼，终于接收到了从英格兰发出的跨过大西洋的无线电讯号，这个实验向世人证明了无线电再也不是仅限于实验室的新奇东西，而是一种实用的通讯媒介。此后短波用作全球性的国际通讯媒介便开始发达起来了。和地震预测 11.1综述在地震多发区，其上空的电离层常常异常，这是由俄罗斯及日本的学者组成的研究小组通过多年对电离层电子浓度的观测发现，得出的结论，它将对人类研究地震形成及地震前期预报提供帮助。他们分析了由原苏联发射的一颗卫星在五年半时间内对电离层观测得到的相关数据和全球各地的地震发生记录，并进行了比较。电离层扰动，就像一盆水放在地面上，即使没有风吹，自己内部有泡泡也会导致水面不平静，因此，跟踪大气电离层电子浓度的变化可预测地震的发生，能够最大限度地减少地震带来的人员伤亡和财产损失。比较公认的地震影响电离层的理论有两种：一是地震区产生的内重力波对电离层的影响，二是地震区的异常垂直电场进入电离层从而引起电离层扰动。 11.2研究发现参与共同研究工作的是日本宇宙开发事业团及俄罗斯科学院航空宇宙监测科学中心通过多年研究发现，地震前震中上空大气电离层电子浓度发生着急剧改变。过去曾有科学家指出地震与电离层变化之间有联系，也有在地震发生的前后观测到地磁波的存在和电离层的变化等相关记录，但在关于“地面上的电磁波是不是会对电离层产生影响”这一问题，人们普遍存在怀疑。此次，科学家们将一九七七至一九七九年的记录数据进行分析，发现包括日本在内的太平洋西部地震多发区，在这段时间内共发生了一百五十次以上的里氏五级以上大地震，而这些地区的上空电离层的电子密度也远远高于平常密度。而那些很少发生地震的地区，电离层的电子相对较低。 11.3监测方法电离层中电子浓度的变化比较复杂，参与研究工作的日本专家儿玉哲哉指出，如增加观测电离层的卫星数量，那么准确预报地震将不会再是一句空话。但借助于美国的GPS和俄罗斯的“格洛纳斯”全球卫星系统就可以监测电离层状态的变化。该方法对预测短期地震很有价值，条件是大气电离层电子浓度的变化应该是周期性测量得到的。为了周期性的观测大气电离层的状态，俄研究人员使用了无线电信号，卫星释放出的双频无线电信号可以被地面站接收到。在卫星定位系统双频信号的基础上，科研人员研制出了计算信号参数变化的算法，并编制了电脑程式。 2009年3月，国内首个根据大气电离层变化来监测地震的探测试验站在聊城地震水化试验站建成。 11.4得到验证研究人员指出，跟踪大气电离层电子浓度变化预测地震的这种方法在2004年9月16日至22日发生在俄罗斯加里宁格勒的地震中得到了验证。这次地震是在同一地方以2.5小时为间隔发生的，地面卫星信号接收站距离震中在260千米到320千米之间。观测数据表明，震前的3至5个昼夜的时间内电离层电子浓度在增长，而在震前2个昼夜的时间内电子浓度的最大值大大下降了，电离层电子浓度急剧下降只发生在震中附近，位于震中1100千米的地面设备记录的信号没有任何改变。因此，可以认为，电离层电子浓度的急剧下降是由于地震效应引起的，电离层的这种状态就是要发生地震的征兆。以往的研究结果显示，对于5级以上的地震，在地震附近地区一般会出现电离层扰动，机率约为74.1%。 11.4震前异常从2008年5月5日到15日，汶川以东至日本冲绳、南至海南南部地区的电离层出现明显扰动，电离层TEC出现了明显增加，而平时，这样的增加很少能看到。5月9日的扰动，则是“往水中扔了一块石头”，后来发生大地震的所在地附近出现了大范围的电离层参数异常增加。电浆态由于热运动和电磁力的作用，从某个分子逸出的电子可能与另一失去电子的阳离子碰撞而复合，也可与中性分子暂时结合而成阴离子。在电离层中，电商与复合总在不断地进行着，但在一块地区内，自由电子和阴离子的浓度与阳离子的浓度基本上是相同的，因而总体呈电中性。这是物质的第四态，称为电浆态。电离层的温度最高不超过1000K，属于冷而弱的电浆。太阳辐射的各种成分对大气的作用不同，短紫外线和X射线使大气电离，较长的紫外线使大气分子分解为单个原子，更长的紫外线使O2变为O3。微粒流能引起大气电离和升高温度等多种作用。太阳辐射穿过大气时，因被吸收而衰减。穿越相同的气层，辐射的波长越短，衰减越多。因此，只有波长较长的紫外线能达到地面，大气的成分也因吸收紫外线而随高度改变。电离层中离子的分布研究和火箭实测表明，大约90km高度以下大气分子量没有明显变动，但在高度l0～50km范围内O3含量的百分数较大，极大值约在20～35km处。35～40km以上出现NO。90km以上O2开始分解为氧原子，在更高处N2也开始分解，在约100km以上，大气的主要成分为O、N2和N。在约500km以上，N2和O2就都不存在了，He和H含量的百分数则逐渐增加，到2000km以上就只有这两种原子了。大气分子有向外散逸的趋势。这种趋势与地球引力对抗的结果，大气压力随高度按指数规律衰减。各种成分所含的离子数可能在某一高度上出现最大值，但因各种因素（包括地磁场）对电离层同时作用以及带电粒子的迁移、散逸的结果，实际的离子浓度随高度的变动并不是几种成分理论分布的叠加。大体上，阴离子只存在于70km（白天）或90km（夜晚）以下，其上主要是浓度基本相同的阳离子和自由电子。浓度随高度的分布曲线在某几个高度上出现逗留，这些高度对于电磁波的反射起着重要的作用。各区域从下而上命名为D层（约在地面以上40～90km）、E层（约90～160km）和F层（伸展到数千公里以外）。电子浓度随高度的分布受时间、季节和太阳的活动性影响很大，浓度值和各区的范围都不是固定的。在夜间由于受不到太阳的照射，而低层大气的密度又较大，复合较强，D层会消失，E、F层的电子浓度也会降低一、二个数量级。在很偶然的情况下，E层中会出现Es层，电子浓度程高，甚至能反射50MHz左右的电磁波，其寿命则只有数小时或更短。在太阳表面黑子较多而喷出大量粒子流时，F层可能因受热膨胀而浓度大大下降，以致短波通信中断几小时乃至几十小时。这种情况在高纬度地区比较严重。电离层是色散性媒质。当折射率成为虚数时，电磁波受到截止衰减，不能传播。电离层中自由电子的运动电离层中的自由电子在电场的作用下，其运动方式是随机的热运动与有规则的振动相叠加。在与其它较重粒子碰撞时，其振动动能由被撞的粒子吸收，而这种动能是由对电子施力的电磁场能流转化而来，因此碰撞使电磁波受到吸收衰减。在D层，由于大气密度高，碰撞频率约有8×107次/秒。在F层，除在太阳爆发时（热骚动）以外，其碰撞几乎可以忽略。电离层中自由电子的运动还受地磁场的影响。电子热运动的轨迹并不是直折线。在电离层中有外电磁场作用时，由于电离程度弱，电荷之间的相互作用以及电磁波中的磁场对电子的作用都相对很弱，决定电子有规运动的力来自电磁波的电场和地磁场。地磁场力的方向正交于地磁场与电子速度所共的平面，使电子随时得到横向加速度，因而电子的有规振动不与电场共直线，于是等效电极化强度矢量与电场强度矢量不平行。电离层在地磁场影响下成为磁旋各向异性媒质。电离层的等效折射率具有双值n1、n2，且与波的传播方向和地磁方向的夹角有关，在n1、n2，都是实数的情况下，n1<n2。在波传播方向和地磁方向垂直时，n2与地磁场无关，故称为寻常折射率而n1则称为异常折射率。电离层并不是整体静止的，那里也存在着随机的流动。带电粒子的分布是在其平均值上叠加著随机的起伏，在某些地区还可能存在浓度较高的团块，而且起伏和团块都是随时间变动的。电离层精细结构的探测与机理分析，正吸引著很多人的注意。

地震监测预报是防震减灾的一个重要环节，也是整个防震减灾工作的基础。破坏性地震给人类造成的灾难，使地震预报成为人们长期以来追求的目标，成为当代地球科学中最富有魅力的一项前沿性课题。近代科学技术的进步逐渐为实现这种目标提供了可能。特别是经过近40年来艰辛的探索，人们在认识地震发生过程，掌握和应用地震预报理论、技术、方法等方面已经取得了长足进步。在地震预报的实际应用中所获得的某些成功，对减轻地震灾害的经济损失和鼓舞人们实现预报地震的信心起了积极的作用。

地震科技工作者经过长期的辛勤劳动，特别是地震监测预报“清理攻关”、“实用化攻关”、“深入攻关”以及“七五”、“八五”科技攻关。使测震学分析预报方法、地壳形变分析预报方法、电磁学分析预报方法、地下流体地震预报方法、地震宏观异常预报方法、地震综合分析预报方法等取得了丰硕成果。

地震学地震预报方法就是利用前期发生的地震（包括大、中、小地震）的信息来预报其后的较大地震。地震是应力和构造活动的产物，地震活动的时、空、强分布图像及地震波特征正是地壳应力场、构造活动格局及地壳介质变化的反映。因此，通过对已发生地震的分析，寻找大地震前由震源区附近应力的集中、增强所产生的各类前兆，正是地震学预报方法所研究的对像。地震学预报方法所获得的大震前兆信息可称为“震兆”。与各类前兆预报方法相比，地震学预报方法在目前研究得最深入，预报方法最丰富，在实际应用尤其在中长期预报中使用得最为广泛。地震学预报方法分为：1、空间图像方法；2、时间进程方法；3、地震序列方法；、4、地震相关方法；、5、震源及介质参数方法；6、合成方法。

地壳形变是地壳介质在内生的构造应力和外生的天体引力以及地表荷载力的作用下发生变形的一种表现形式。而与地震有关的地壳形变则是在孕震过程中，随着构造应力的不断积累，直到岩石发生破裂前后的一种最直接的伴随现象，这种构造应力积累直到岩石快速破裂，一般需要十年甚至更长的时间，因此与其伴生的地壳形变呈现出长、中、短、临的时空变化图像。

近几年我国地壳形变观测技术有了长足进展，主要表现在两方面：一是在时空尺度上把地壳形变观测的各个手段联成一个整体的观测系统，从而有可能获得真实的地壳运动图像；二是几何观测和物理（重力）观测相结合，使地壳形变研究工作由几何学向运动学、动力学方面发展，使我们有可能定量化的研究地壳形变动力学过程，从而可以对地壳形变进行一定的预测，推动地震预报及地震灾害的预测研究工作。

实验和理论研究表明，在应变积累过程中由于地壳介质的不均匀性，会在破裂（地震）之前出现明显的在时间上分阶段性的不同周期的地壳形变，这就是目前用大面积形变测量，跨断层形变测量和固体潮汐形变测量方法进行地震预报的理论基础。

将电和磁两种现象密切联系起来的电磁学理论体系是麦克斯韦于1862年建立起来的电磁场理论。地球电磁学是在现代电磁学的基础上推进和发展的，他的基础是电磁理论在地球介质条件下的应用，形成了特定的地球电磁学学科。地震是发生在地球内部的一种自然现象，是地球内部介质相互作用的结果，地震的孕育和发生将伴随有介质电磁性质的改变或电磁场的变化，因此地球地磁学方法应用于地震研究的基本任务就是利用地球地磁学的理论和技术，探索与孕震过程有关的地球介质的电磁性质及电磁场本身的变化，为地震预报以及孕震过程提供理论依据和有效方法。

我国地震电、磁前兆的观测是分开的，其观测方法有以下四种分类划分法：

（1）按使用场源的种类划分，可分为被动场源（天然场源）和主动场源（人工场源）；

（2）按场源频率划分，可分直流、交流电磁场法，使用的频率有：

DC—超低频（ULF），频率在10Hz以下；极低频（FLF）、甚低频（VLF），频率从0.01到30KHz。

（3）按观测的物理量划分，可分为岩层（岩石）的物理性质和场强的观测。

（4）按测量方式划分，可分为固定台站（定点）测量，定点定期重复测量和不定时不定点测量（面积和剖面线测量）等等。

地下流体的异常动态变化与地震的孕育和发生过程之间有着密切的成因上的联系，这是利用地下流体方法预报地震的基本依据。地下流体是构成地壳介质的一种特殊的、最活跃的组成成分，能够灵活地反映地震孕育过程中岩石的应力应变；同时，地下流体的动态变化，对岩石的应力应变过程还要产生促进作用。

地下流体动态变化能够灵活地反映岩石的应力应变，已为大量资料所证实。地下水位对固体潮引起的地壳体应变反映的灵敏度可高达10-10。流体中含有的丰富多样的化学元素组分，尤其是其中的气体组分，也能灵敏地反映岩石的变形破坏，且显示出多种测项的异常变化，从而可提供丰富多样的地震前兆信息。

地下流体的动态观测，是流体方法预报地震的基础。观测内容包括：水位、流量、水温、水化、气体及断层气等。目前，我国已建成多层次、多项目、立体式的流体观测体系，积累了十分丰富的流体前兆资料，为流体前兆理论研究和实际地震预报提供了可靠的依据。

宏观异常现象一般是指人们在日常生活中仅凭感官就能观察或感觉到的与正常现象不同的自然现象。地震宏观异常现象则指在地震发生前后出现，且与地震的孕育、发生和发展有密切关系的宏观异常现象。常见的宏观异常现象有：

（1）地下流体异常

A、地下水异常：水位升降异常、物理性质异常、化学组分异常；B、地下气体异常：气体溢出异常、翻花冒泡异常、燃气火球异常；C：地下油、七异常：石油产量异常、深井喷油异常。