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GPS电离层反演与地震—电离层效应研究

周义炎  
【摘要】:在尚未完全理解和掌握地球动力学背景、孕震环境和强震触发机理的条件下,依靠前兆信息进行经验性预报一直是地震监测预报的主要思路。基于这一理念,对各种地球物理异常现象,如地形变、地电、地磁、地化、地下流体等,开展跟踪观测则成为地震监测的传统技术手段。通过这些传统监测手段,我们对地震孕育过程的了解和认识已经达到了一个新的高度,地震中长期趋势预报也取得了一定的成效;然而,由于地震科学理论本身的不完善和复杂性,我们对地震前兆的认识和理解尚不成熟,减灾效益最为显著的地震短临预报却一直难有实质性突破。地球是一个多圈层组成的巨系统,各圈层之间必然存在物质和能量的输运与交换。电离层作为近地空间的一个重要组成部分,必然与其下面的大气层、岩石圈存在着密切的相互作用。作为岩石圈内板块剧烈运动的产物——地震,也必然会对大气层的状态带来影响,进而作用于电离层。这种圈层间的相互联系,为我们从空间高度洞悉自然、了解地球活动提供了一个窗口。显然,这种作用关系也为我们从电离层高度寻求地震孕育活动的有关信息提供了可能。到目前为止,尽管地震—大气层—电离层间的耦合机理还没有一个统一的、公认的共识,但是地震前出现的电离层异常扰动现象已被大量的观测所证实。为了探寻地震前电离层异常扰动的特征和规律,进而揭示地震—电离层内在的耦合机理,本文以地基GPS(Global Positioning System)为手段,通过GPS VTEC (Vertical Total Electron Content)时间序列数据对中国大陆Ms≥6.0的强震进行了地震—电离层效应的检测与分析,对地震—电离层耦合机理的代表性学说进行了回顾与分析,并利用电离层物理模式对附加垂直电场辐射的耦合机理进行了数值化模拟研究。全文获得的一些成果和主要的结论如下:(1)电离层观测与反演。在地基GPS电离层观测技术的研究中,利用球谐函数,实现了区域VTEC的高精度反演;提出了一种通过给临近观测赋权来计算测站上空VTEC的反演方法。在天基GPS电离层掩星观测技术的研究中,电离层球对称假设是经典Abel积分变换反演方法的主要误差源,针对这一局限,本文提出了一种水平梯度信息约束的电离层掩星反演方法,其反演结果更趋近于垂测仪观测结果。在三维电离层层析重建的过程中,针对传统ART (Algebraic Reconstruction Technique)算法,提出了适时调整松弛因子进行迭代求解的思想,使迭代收敛过程更为迅速;另外,为了改善层析重建精度,提出了一项约束力更强的迭代收敛条件。电离层数据同化模型的研发是当前电离层信息获取领域里的研究热点,在分析调研国内外、尤其是美国同行的研究成果与进展后,借鉴美国南加州大学和喷气推进实验室联合开发的全球电离层同化模型(USC/JPL GAIM)的研发思路,本文开发了一套较为简单的基于Kalman滤波的电离层数据同化模型。该同化模型是一个单离子模型,即将电离层高度范围内的离子全部视为0+,这一假设简化了同化模型的开发难度,但鉴于0+数量在电离层E层之上占据绝对的优势,因此,该假设对电子密度反演的精度损失不大。综合考虑上述几种电离层信息获取技术的特点,结合地震—电离层效应的监测需求和现有的观测资源,地基GPS电离层技术被认为是当前电离层异常跟踪观测最为理想的手段,因此,本文的地震—电离层效应检测与分析主要基于这一技术手段完成。(2)地震—电离层异常扰动的特征与规律。通过对中国大陆2000-2014年间的52次Ms≥6.0强震进行震前电离层异常检测与分析,在排除日—地空间环境突变等非震因素的干扰后,统计得到的震前电离层异常具有如下特征:有40次地震在震前一周内出现了可能与地震孕育活动有关的电离层异常,而正、负异常均有出现,且正异常出现的几率较大;地震—电离层异常覆盖区可达上千公里,东西向与南北向的长度比一般为3:1;地震一电离层异常多出现在当地时下午至夜晚时段内,在中国区观测到的电离层扰动持续时间一般在4小时以上。但异常检测结果也表明,仍然有12次地震没有检测到震前的电离层异常扰动,因此,地震—电离层效应的研究充满了挑战。此外,通过同震电离层扰动CID(Coseismic Ionospheric Disturbances)的分析与研究发现,由地面垂直位移所激发的声重力波,向上传播至电离层也触发了电离层的扰动,但其扰动量非常小,一般在地震爆发后10-15min于震中附近就可观测到这种细微的扰动;但尽管如此,同震电离层扰动特征的研究对确定震中位置、了解地壳结构以及辅助海啸预警等都具有现实的意义。(3)地震—电离层耦合机理。通过调研地震一电离层耦合机理的国内外研究成果,本文认为震前电离层扰动更有可能来源于孕震区附加垂直电场。对此耦合机理,本文首先进行了理论上的澄清和解释;在详细介绍电离层理论模式SAMI2之后,针对实际震例,利用这一模式进行了附加垂直电场作用下的电离层模拟研究,研究结果在一定程度上证实了地震—电离层耦合作用的附加垂直电场辐射机制,这为地震—电离层效应的监测提供了理论上的支持。


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