Skip to main content
SpringerLink
Log in

Principal component analysis method in the detection of total electron content anomalies in the 24 hrs prior to large earthquakes

طريقة تحليل العنصر الرئيسي في رصد شاذات المحتوى الاليكتروني الإجمالي في الساعات ال24 السابقة للزلازل الكبيرة

  • Original Paper
  • Published:
Arabian Journal of Geosciences Aims and scope Submit manuscript

Abstract

The goal of this research is to examine one-dimensional total electron content (TEC) data using principal component analysis (PCA) to search for total electron content (TEC) anomalies associated with large earthquakes in 24 h prior to nucleation. The characteristics of principal eigenvalues generated for TEC prior to 24 earthquakes of magnitude scale M ≥ 5.0 and 6 lesser earthquakes of magnitude scale M < 5 that occurred in Taiwan from 01 January 2000 to 31 December 2001 are examined. In an earlier paper, I was able to confirm the statistical findings of Liu et al. (J Geophys Res 111, 2006) that sparse earthquake-associated TEC anomalies existed in 5 days prior to the 12 large earthquakes they examined (Lin, Terr Atm Ocean Sci, 2010). In this paper, I wish to examine the subtlety of principal component analysis in detecting earthquake-associated TEC anomalies by examining if such precursors can be detected in 24 h prior to large earthquakes. Of the earthquakes examined, TEC anomalies given by clear extreme principal eigenvalues were evident within 24 h of nucleation for 21 of the 24 earthquakes of M ≥ 5.0. After making allowance for the general status of background TEC, it is clear that these extreme principal eigenvalues are representative of earthquake-associated anomalies. For the smaller earthquakes (M < 5), it was not possible to differentiate earthquake-associated anomalies from background effects on TEC status. These new findings confirm the validity of PCA in searching for earthquake-associated TEC anomalies and show that it is subtle enough to detect TEC anomalies within 24 h leading to a large earthquake. If this approach continues to prove successful, it could theoretically be used in real-time prediction of large earthquakes through early detection of earthquake-associated TEC anomalies.

بحث رقم

هدف هذا البحث هو فحص بيانات المحتوى الاليكتروني الإجمالي أحادي البعد باستخدام تحليل العنصر الرئيسي للبحث عن شاذات الTEC المصاحبة للزلازل الكبيرة في الساعات ال24 السابقة لبداية الزلزال. تم فحص خصائص القيم الذاتية (eigenvalues) الناتجة للTEC التي تسبق الزلازل في 24 زلازل ذات قدر زلزالي 5 و6 زلازل ذات قدر زلزالي اقل من 5 والتي وقعت في تايوان من 1 يناير عام 200 إلى 31 ديسمبر عام 2001. في بحث سابق استطعت تأكيد نتائج الاحصاءات كما في Liu وآخرين (2006) أن شاذات الTEC المصاحبة للزلازل المتناثرة وجدت في ال5 أيام السابقة لل12 زلزال كبير تم فحصهم (Lin 2010). في هذا البحث ، آمل فحص قدرة تحليل المركبة الرئيسية في رصد شاذات الTEC المصاحبة للزلازل الكبيرة بالنظر إذا كانت هذه السوابق يمكن رصدها في ال24 ساعة السابقة للزلازل الكبيرة. في الزلازل التي فحصت ، شاذات الTEC الناتجة عن القيم الذاتية الرئيسية المتناهية الوضوح قد أثبتت خلال 24 ساعة من بدء التنوي (nucleation) ل 21 زلزال من ال24 ذو قدر زلزالي 5.0. بعد تقييم السماحية للحالة العامة لخلفية الTEC ، يتضح أن القيم الذاتية الأساسية القصوى هي تعبير عن الشاذات المصاحبة للزلزال. بالنسبة للزلازل الأقل قدر زلزالي (M < 5) ، لم نتمكن من التفريق بين الشاذات المصاحبة للزلزال من التأثيرات الخلفية على حالة الTEC. هذه الاستنتاجات الجديدة تؤكد قابلية الPCA في البحث عن شاذات ال TEC المصاحبة للزلزال وتبين أنه يكفي براعة إكتشاف شاذات الTEC خلال ال24 ساعة السابقة لزلزالي كبير. إذا استمر هذا الاتجاه في تحقيق نجاح فإنه ، نظريا ، يمكن استخدامه في توقع الزلازل الكبيرة في الزمن الحقيقي(real-time) من خلال الاكتشاف المبكر لشاذات الTEC المصاحبة للزلزال.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12
Fig. 13
Fig. 14
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17
Fig. 18
Fig. 19
Fig. 20
Fig. 21
Fig. 22
Fig. 23
Fig. 24
Fig. 25
Fig. 26
Fig. 27
Fig. 28
Fig. 29
Fig. 30
Fig. 31
Fig. 32
Fig. 33
Fig. 34
Fig. 35

Similar content being viewed by others

References

  • Davies K (1990) Ionospheric radio. Peter Peregrinus, London, 580 pp

    Google Scholar 

  • Hayakawa M (2007) VLF/LF radio sounding of ionospheric perturbations associated with earthquakes. Sensors 7:1141–1158

    Article  Google Scholar 

  • Hegai VV, Kim VP, Liu JY (2006) The ionospheric effect of atmospheric gravity waves excited prior to strong earthquake. Advance in Space Research 37:653–659

    Article  Google Scholar 

  • Heki K, Otsuka Y, Choosakul N, Hemmakokom N (2006) Detection of ruptures of Andaman Fault segments in the 2004 great Sumatra earthquake with coseismic ionospheric disturbances. J Geophys Res 111, B09313. doi:10.1029/2005JB004202

  • Liperovskaya EV, Meister CV, Parrot M, Bogdanov VV, Vasil’eva NE (2006) On Es-spread effects in the ionosphere connected to earthquakes. Terr Atm Ocean Sci 7(1):107–117

    Google Scholar 

  • Lin JW (2010) Ionospheric Total Electron Content (TEC) Anomalies Associated with Earthquakes through Karhunen-Loéve Transform (KLT). Terr Atmos Ocean Sci 21(2):253–265

    Google Scholar 

  • Liu JY, Chen YI, Chuo YJ, Chen CS (2006) A statistical investigation of pre-earthquake ionospheric anomaly. J Geophys Res 111, A05304. doi:10.1029/2005JA011333.

  • Liu JY, Chen YI, Chuo YJ, Tsai HF (2001) Variations of ionospheric total electron content during the Chi-Chi earthquake. Geophys Res Lett 28(7):1383–1386

    Article  Google Scholar 

  • Liu JY, Chuo YJ, Shan SJ, Tsai YB, Pulinets SA, Yu SB (2004) Pre-earth-quake ionospheric anomalies monitored by GPS TEC. An Geophys 22:1585–1593

    Article  Google Scholar 

  • Liu JY, Tsai HF, Jung TK (1996) Total electron content obtained by using the global positioning system. Terr Atmos Ocean Sci 7:107–117

    Google Scholar 

  • Pulinets SA (2004) Ionospheric precursors of earthquakes; recent advances in theory and practical applications. Terr Atm Ocean Sci 15(3):413–435

    Google Scholar 

  • Pulinets SA, Boyarchuk KA, Lomonosov AM, Khegai VV, Liu JY (2002) Ionospheric precursors to earthquake: a preliminary analysis of the foF2 critical frequencies at Chung-Li ground-based station for vertical sounding of the ionosphere (Taiwan Island). Geomag Aeron 42(3):508–513

    Google Scholar 

  • Pulinets SA, Gaivoronska TB, Leyva Contreras A, Ciraolo L (2004) Correlation analysis technique revealing ionospheric precursors of earthquakes. NHESS 4:697–702

    Google Scholar 

  • Pulinets SA, Boyarchuk KA (2004) Ionospheric precursors of earthquakes. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  • Voitov GI, Dobrovolsky IP (1994) Chemical and isotopic-carbon instabilities of the native gas flows in seismically active regions. Izvestiya Earth Science 3:20–31

    Google Scholar 

Download references

Acknowledgments

The author is grateful to Dr. J. Y. Liu of the Institute of Space Science, Dr. Louis (L.Y.) Tsai of the Graduate Institute of Applied Geology, and Dr. H.W. Chen of the Institute of Geophysics, National Central University for their useful references and data support. Special gratitude is extended to the author’s German professors, Dr. Jürgen Fertig and Andreas Weller of the Institute of Geophysics, Technische Universität Clausthal, for his training in Germany.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Institut für Geophysik, Technische Universität Clausthal, 38678, Clausthal-Zelerfeld, Germany

    Jyh-Woei Lin

  2. Kaohsiung Municipal Jhong-Jheng Industrial High School, No.80, Guanghua 2nd Rd., Kaohsiung City, 806, Taiwan

    Jyh-Woei Lin

Authors
  1. Jyh-Woei Lin
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Jyh-Woei Lin.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Lin, JW. Principal component analysis method in the detection of total electron content anomalies in the 24 hrs prior to large earthquakes. Arab J Geosci 4, 575–593 (2011). https://doi.org/10.1007/s12517-010-0204-4

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s12517-010-0204-4

Keywords

Search

Navigation