近日，预测所李美研究员团队发表在Advances in Space Research期刊上的论文“Temporal-spatial characteristics of seismo-ionospheric influence observed by the CSES satellite” 被国际工程领域著名机构Advances in Engineering (AIE)遴选为“关键科学论文”，进行专题报道并颁发证书。
电离层作为地球高层大气的关键一层，受到包括地震活动在内的各种复杂地球物理过程的影响。识别地震电离层扰动有助于理解震前电离层前兆信息。事实上，由于对地震预测和岩石圈-大气层-电离层耦合(Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling, LAIC)的理解具有潜在的重要意义，识别地震电离层异常越来越重要。研究地震电离层响应的主要挑战源于，一方面，电离层的复杂多变性，主要影响因素有太阳活动、磁暴以及电离层本身的日变，在强电离层背景变化下，识别微弱的地震电离层扰动异常困难：另一方面，卫星观测数据量大、时空变化以及环境噪声和传感器限制等。为此，中国地震局的李美研究员、姜祥华和李杰飞高级工程师、张永仙研究员以及中科院空间中心的申旭辉研究员利用张衡一号电磁试验卫星(China Seismo-Electromagnetic Satellite, CSES or ZH-1)数据，研究了地震电离层异常的时空演化特征。
研究团队利用张衡一号卫星观测3年多(2018年8月–2021年11月)等离子体浓度数据，首先，使用Savitzky-Golay方法对数据进行平滑滤波以去掉脉冲式变化，然后，软件自动探测和识别电离层扰动(控制空间尺度t=20–300s, 若考虑卫星飞行速度7km/s, 约为140–2100km；不控制变化幅度A)，得到96,863个电离层扰动；收集研究时段全球发生的MW5.0以上地震3577个(去余震)和代表磁暴活动的Kp指数，探测距离震中1500km内、震前15天电离层扰动并进行时空统计。结果表明，时间上，电离层扰动主要出现在震前5天，与前人研究结果相同；空间上，扰动主要偏移震中500–700km，而不是在正上空，这一结果与地震电磁场传播理论模型相符。根据地震电磁信号的传播机制，地震产生的电流沿磁力线传播，当地震发生在极区或者高纬地区时，磁力线近似垂直于地面，电离层异常通常出现在震中上空；当地震发生在中低纬地区时，磁力线的水平分量不可忽略，电离层异常通常相对于震中有一个飘移。参与本次统计的3577个震例，97.5%的地震发生在中低纬度。同时，研究还表明，大幅度和大空间尺度的电离层扰动主要反映大尺度的电离层结构，例如赤道电离异常(EIA)、威德尔海异常(WSA)、行星尺度的磁异常等；磁暴对电离层的影响是全球性的。
李美研究员团队的研究成果加深了我们对地震电离层前兆异常的认识，在地震预报领域具有潜在的应用价值。除此，这一新的研究结果为LAIC提供了有力的证据，增强了我们对电磁能量怎样在地球圈层间传播、地震事件怎样在时间和空间上改变电离层属性的理解。本次研究有两个关键发现：一个是，地震电离层异常偏离震中500–700km与区域电磁场沿磁力线传播理论模型相一致。这一结果提高了理论模型的可信度，并为进一步的理论发展奠定基础。另一个是，地震电离层异常主要出现在震前5天。这一时序特征预示着潜在的地震预警信号，对研发更为可靠的地震预测模型是一大贡献。事实上，李美研究员团队的发现可以整合到现有的地震预测框架中，以加强其准确性。通过将电离层数据作为前兆信号，新的预测模型可以提供更早、更可靠的预警，以挽救生命并减少经济损失。此外，更好地预测地震可以对决策和应急准备产生重大影响，因为救灾机构可以及时实施疏散计划，加强基础设施，并更有效地分配资源。
预测所李美研究员为该论文第一作者兼通讯作者，张永仙研究员为第四作者。该成果得到了预测所基本科研业务专项(CEAIEF2022030206)和国家重点研发计划专题(2018YFC1503506)的资助。
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