基于地基GNSS和COSMIC数据的地震电离层异常探测

摘要

电离层中时常发生不同尺度的异常变化，其中地震在孕育和震发过程中发生的中小尺度扰动现象已经成为了近年来的热点内容。随着GNSS技术的发展，不同尺度、不同时空分辨率的电离层产品将广泛应用在电离层的时空变化规律和地震电离层的异常探测中。此外，借助于COSMIC全球覆盖数据可以有效分析电离层的垂直结构变化。本文的主要工作和成果如下：　　(1)利用CMONOC(Crustal Movement Observation Network of China)观测数据反演中国及其周边地区的高精度电离层数据。通过引入基线变量Brs快速解算高精度的STEC(Slant Total Electron Content)数据，作为同震电离层(Coseismic Ionospheric Disturbance, CID)探测数据基础。进而采用低阶球谐函数生成跨度为70°E-140°E，15°N-55°N，空间分辨率为1°×1°的高精度区域RIM(Regional Ionosphere Map)数据，借助于RIM和GIM(Global Ionosphere Map)产品有助于探测不同尺度的震前电离层效应。　　(2)利用孕震区充足的STEC观测数据，采用NmF2层高度的电离层单层模型(singleshelllayermodel,简称shell模型)分析芦山地震(Mw6.6, 2014.4.20)激发的CIDs的传播特征。结果显示在孕震区内STEC出现了明显的扰动，持续时间和大小分别达到了3.5min和0.22TECU，传播速度和声波速度一致。同时地震破裂带、地磁场会对CID的波形和传播方向造成影响。　　(3)结合地基GNSS反演的不同尺度电离层数据，分别对新西兰(Mw7.8, 2016.11.13)和日本地震(Mw6.9, 2016.11.21)、芦山地震(Mw6.6, 2014.4.20)、墨西哥地震(Mw8.2, 2018.2.17)探测了震前电离层异常形态的精细变化。在新西兰和日本地震分析中，通过奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis)构建了高精度电离层背景场，进而研究全球电离层扰动信号，发现在新西兰地震震前16天和日本地震震前11天，两个地震上空具有明显的局部TEC异常效应，说明在磁暴环境中仍可能存在一定的地震电离层效应异常特征。利用RIM数据研究了芦山地震震前区域TEC变化，结果显示三个时段震前14-12,27-25和19天探测出了明显的电离层扰动，在排出了地磁活动干扰和热层的日变化影响后，震前14-12中的电离层扰动可能和芦山地震有关。基于CAS(Chinese Academy of Sciences)发布的GIM数据，分析了墨西哥地震电离层异常，结果表明高时间分辨率(15min)的电离层产品可以探测到更精细的电离层异常形态变化，尤其是在高峰期短时间内具有明显的突变趋势。　　(4)根据COSMIC的掩星轮廓线数据，分析总结了智利地震(Mw8.8, 2010.2.27)震前15天电离层的垂直结构扰动。结果发现在1月15日、2月21日和25日震中附近F层出现了明显的扰动，最大扰动量超过了50%，异常区域具有明显的局部效应。除此之外，不同高度的电离层电子密度异常具有明显的差异性，孕震区内的电子密度剖线同时出现了较大的幅度跳跃和无规则震荡情况。

目录

声明

1 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 地基GNSS和天基电离层建模

1.2.2 地震电离层异常效应探测

1.3主要研究内容及安排

1.4 本章小结

2 地震-电离层扰动探测方法

2.1奇异谱分析

2.2四分位距法

2.3交叉小波分析(Cross Wavelet Analysis)

2.4 岩石圈 - 大气圈 - 电离层圈耦合

2.5 本章小结

3 基于地基GNSS的地震电离层异常震例分析

3.1 区域电离层建模

3.2 2016年11月13日 Mw7.8新西兰和2016年11月21日 Mw6.9日本震例

3.2.1 重构分量选取和限差确定

3.2.2 日地环境分析

3.2.3 震中TEC异常

3.2.4 TEC异常全球分布

3.2.5 TEC异常规律和地磁扰动分析

3.32013年4月20日Mw6.5芦山震例

3.3.1 地震概述

3.3.2 日地环境分析

3.3.3 震前TEC异常分析

3.3.4 外界环境对震前TEC异常影响

3.3.5 同震电离层扰动

3.42017年9月7日Mw8.2墨西哥震例

3.4.1 震例概述

3.4.2 地震电离层异常效应分析

3.4.3 TEC异常振幅和震中距分析

3.5 本章小结

4 基于COSMIC观测的地震电离层扰动研究

4.1数据预处理和背景场构建

4.2 2010年2月27日Mw8.8级智利震例

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

作者简历

致谢

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