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利用GPS数据研究地震电离层TEC异常

李建勇  
【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TEC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,中国大陆6级以上震例的电离层效应研究,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。


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