中央大學太空中心教授劉正彥參與日中台跨國研究團隊，成功以三維視角重建 2011年東日本大地震後電離層擾動的完整演化，研究突破過去僅能以二維解析全球導航衛星系統(GNSS)總電子含量(TEC)資料的限制，首次呈現地震與海嘯在大氣層中激發的多種波動立體結構，研究成果發表於國際期刊Scientific Reports1。
這項成果由日本千葉大學大學院理學研究院服部克巳教授團隊領導，與中國地震局、中央大學合作，突破傳統觀測技術限制，使地震後的大氣波動不再是TEC平面影像，能以接近真實的立體方式呈現，提升地震電離層科學研究的深度與精確度，為地震海嘯的太空監測技術奠定重要里程碑。
電離層位於距地60-1000公里的高度，是大氣中最易受到地面擾動影響的區域。當大型地震與海嘯發生時，地表與海面的劇烈變動會向上激發聲波、雷利波與內重力波，進而在電離層造成可被觀測的電子密度擾動，稱為地震電離層同震擾動（Co-seismic Ionospheric Disturbances, CIDs）。
以往研究因受限二維資料，只能在水平方向辨識這些訊號，難以掌握其垂直傳播行為。本次國際團隊採用日本 GEONET GNSS 密集觀測網的資料，搭配自主開發的 ICLSF（Ionospheric Correction with Localized Smoothing Filter）三維重建方法，在無需背景模型的情況下，成功以高解析度重建 100- 1000 公里高度區間的三維電子密度變化。
研究發現，在地震發生後約4分鐘，電離層即出現由聲波脈衝造成的圓形擾動，其被偵測到的時間較傳統二維方法提前6分鐘，顯示三維重建技術能更早掌握地震觸發的大氣反應。
此外，團隊也發現聲波在不同高度呈現不同速度，而地磁傾角會影響聲波能否向高空傳播。研究也同時觀測到約在震後40分鐘，由海嘯引發的內重力波在遠距離地區形成倒圓錐型擾動，其相位向下傳遞，符合大氣重力波的物理特性，這些精細結構過去從未以如此清晰的三維方式呈現。
為評估電離層訊號做為海嘯預警工具的可行性，研究團隊比對日本5處潮位站的海嘯抵達時間。結果顯示，距震央超過300公里外的沿岸，電離層擾動比海嘯提早8-29分鐘被偵測到，具早期警戒潛力。
但在300公里內的近岸地區，電離層訊號反而會稍稍晚於海嘯到達，顯示近岸監測技術仍需突破。研究團隊指出，未來提升預警能力的關鍵在於強化 100 - 130 公里 E 層高度的三維資訊，同時將結合電離層探測儀與低軌衛星資料，以改善近岸偵測的敏感度。
中大長期深耕太空天氣以及地震與海嘯電離層研究，此次跨國合作成果不僅展示中大在國際太空監測領域的學術影響力，也為全球地震和海嘯預警科技提供新可能。中大表示，未來將持續推動國際合作與跨領域研究，發展更具前瞻性的三維重建技術及預警方法，為提升區域與全球防災和減災能力做出貢獻。
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1Song, R., Hattori, K., Zhang, X. et al. A case study of the three-dimensional co-seismic ionospheric disturbance evolution. Sci Rep 15, 42209 (2025).
