利用GPS数据研究地震电离层TEC异常

摘要

空间对地观测技术具有覆盖面广、信息量大、动态性好以及分辨率高等优势,可以提供丰富的地震前兆信息。目前中国地震电磁卫星项目已经正式列入国家卫星发射规划。借助空间对地观测,配合地基观测手段,建立天地一体化的监测体系,有助于识别和提取与大震孕育发生过程有关的地震电磁、电离层、高能粒子前兆信息,实现我国及邻区大范围、连续的地震电磁信息时、空、强动态监测,提高我国地震预测的科学水平,增强短临预测能力,为地震预测预报实现突破提供基础。
　　 电离层应用于地震分析的研究在我国刚刚起步,地震异常的提取和确定还需要更多资料的积累验证。利用现有卫星数据及地面观测资料,提前开展地震电离层效应的分析研究,总结地震电离层效应的规律,是必须的准备工作之一。
　　 按照地震电磁立体观测体系发展思路,配合电磁卫星计划和地基电离层监测网的推进。本论文利用地基GPS观测体系,研究地震电离层TEE异常变化特征。对原有TEC异常检验方法进行优化改进,并发展了TEC异常信号探测、TEC扰动滤波分析等多种用于地震电离层TEC异常识别和信息提取技术的数据处理方法。基于中国大陆2000年以来的33个6级以上震例资料,对地震电离层扰动效应进行了统计研究,总结了强震前电离层异常特征。利用低轨GPS掩星数据和临频数据foF2开展了地震电离层扰动研究,从多参量角度揭示地震电离层扰动的时空演化过程。
　　 论文首先对地震及其成因、电离层及电离层扰动进行了介绍,调研了国内外地震电离层异常研究现状,回顾了国内外在地震电离层效应方面震例研究的案例,并初步介绍了地震电离层耦合机理。
　　 介绍了GPS系统的基本情况,包括GPS信号、GPS观测量及观测方程、GPS信号传播过程中的电离层延迟等。重点介绍了利用双频GPS获取电离层TEC的原理与方法。
　　 讨论了几种常用的TEC异常检验方法,在此基础上对地震电离层TEC扰动的检验方法进行了优化,并发展了几种用于地震电离层TEC异常识别的数据处理方法,具体如下:
　　 (1)对包络线法进行了优化改进。以前15天滑动TEC中值作为背景参考值,滑动四分位距作为异常判定界限,避免了离群值及震时震后效应的影响,有助于科学探讨震前电离层TEC扰动与地震孕育的关系。
　　 (2)利用Neyman—Pearson信号探测方法,对震前电离层TEC异常可能性进行初步定量分析。
　　 (3)发展了TEC扰动滤波方法。对单颗GPS卫星及单站间TEC时空变化过程进行详细研究。
　　 (4)开展了GPS掩星数据和临频数据的地震电离层扰动对比研究,从多参数角度揭示地震电离层扰动的时空演化过程。
　　 利用多种电离层异常检验方法,分析汶川地震前后电离层TEC异常变化,得到如下结果:
　　 (1)汶川震前TEC出现明显正异常。排除来自空间因素影响,震前三天出现的TEC正异常与汶川地震具有较大相关性。
　　 (2)TEC异常仅出现在汶川震中偏东南部,且异常区呈现共轭形态。
　　 基于2000年以来,中国大陆33个6级以上震例的电离层效应统计研究,初步总结了强震前电离层TEC异常特征。震例统计分析结果如下:
　　 (1)中强地震电离层TEC异常多出现在震前数天,为非持续性变化,异常持续时间多为几个小时,但一些大地震前TEC异常变化能持续几天。电离层TEC异常与震中区域的地方时有关。
　　 (2)TEC异常的变化形态可能为正异常也可能为负异常。TEC异常的相对变化幅度一般为20％～30％,某些大地震前TEC异常变化幅度可能超过100％。
　　 (3)中国大陆TEC异常区多偏震中东南方向,多种电离层参量的变化具有相似性。

目录

文摘

英文文摘

标题

第一章 绪论

1.1 论文选题背景

1.2 论文研究内容及主要技术思路

1.2.1 论文研究内容

1.2.2 论文技术思路

1.2.3 论文主要开展的工作

第二章 地震电离层异常研究现状

2.1 地震及电离层概述

2.1.1 地震及其成因解释

2.1.2 电离层及电离层扰动

2.2 地震电离层异常研究回顾

2.3 地震电离层耦合机理

第三章 GPS技术监测电离层TEC原理与方法

3.1 GPS概述

3.1.1 GPS系统的组成

3.1.2 GPS时间系统

3.1.3 GPS坐标系统

3.2 GPS基本观测量及观测方程

3.2.1 GPS信号及基本观测值

3.2.2 GPS观测方程

3.3 GPS信号传播中的电离层延迟

3.4 GPS反演电离层TEC方法及实现

3.4.1 TEC及电离层薄壳模型

3.4.2 双频GPS获取电离层TEC

3.4.3 GPS解算TEC的算法实现

第四章 TEC异常检验方法及汶川震例分析

4.1 TEC异常检验方法

4.2 TEC异常检验方法的优化

4.3 汶川震例分析

4.3.1 GPS数据选取

4.3.2 数据分析

4.3.3 汶川震例小结

第五章 地震电离层TEC异常震例统计研究

5.1 震例资料统计

5.2 数据选取

5.2.1 GPS数据的选取

5.2.2 总电子含量资料选取

5.2.3 磁情指数资料选取

5.3 震例统计分析

5.3.1 统计分析方法

5.3.2 震例分析举例

5.3.3 震例统计研究

第六章 GNSS掩星及电离层测高初步研究

6.1 GNSS掩星技术

6.1.1 GNSS掩星观测系统的组成

6.1.2 GNSS掩星观测技术原理

6.1.3 GNSS掩星观测数据处理

6.1.4 掩星数据震例分析

6.2 电离层测高foF2

6.3 掩星及foF2对比研究

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 进一步研究工作

参考文献

致谢

作者简历