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利用GPS数据研究地震电离层TEC异常

作　者: 李建勇
导　师: 申旭辉；孟国杰
学　校: 中国地震局地震预测研究所
专　业: 固体地球物理
关键词: GPS 总电子含量(TEC) 地震电离层异常
分类号: P315.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-13
第一章绪论  13-18
  1.1 论文选题背景  13-14
  1.2 论文研究内容及主要技术思路  14-18
    1.2.1 论文研究内容  14-15
    1.2.2 论文技术思路  15-16
    1.2.3 论文主要开展的工作  16-18
第二章地震电离层异常研究现状  18-31
  2.1 地震及电离层概述  18-25
    2.1.1 地震及其成因解释  18-20
    2.1.2 电离层及电离层扰动  20-25
  2.2 地震电离层异常研究回顾  25-29
  2.3 地震电离层耦合机理  29-31
第三章 GPS 技术监测电离层TEC 原理与方法  31-43
  3.1 GPS 概述  31-34
    3.1.1 GPS 系统的组成  31-32
    3.1.2 GPS 时间系统  32-33
    3.1.3 GPS 坐标系统  33-34
  3.2 GPS 基本观测量及观测方程  34-35
    3.2.1 GPS 信号及基本观测值  34
    3.2.2 GPS 观测方程  34-35
  3.3 GPS 信号传播中的电离层延迟  35-38
  3.4 GPS 反演电离层TEC 方法及实现  38-43
    3.4.1 TEC 及电离层薄壳模型  38-39
    3.4.2 双频GPS 获取电离层TEC  39-41
    3.4.3 GPS 解算TEC 的算法实现  41-43
第四章 TEC 异常检验方法及汶川震例分析  43-66
  4.1 TEC 异常检验方法  43-44
  4.2 TEC 异常检验方法的优化  44-49
  4.3 汶川震例分析  49-66
    4.3.1 GPS 数据选取  50-51
    4.3.2 数据分析  51-64
    4.3.3 汶川震例小结  64-66
第五章地震电离层TEC 异常震例统计研究  66-89
  5.1 震例资料统计  66-68
  5.2 数据选取  68-69
    5.2.1 GPS 数据的选取  68
    5.2.2 电子资料选取  68-69
    5.2.3 磁情指数资料选取  69
  5.3 震例统计分析  69-89
    5.3.1 统计分析方法  69
    5.3.2 震例分析举例  69-86
    5.3.3 震例统计研究  86-89
第六章 GNSS 掩星及电离层测高初步研究  89-98
  6.1 GNSS 掩星技术  89-95
    6.1.1 GNSS 掩星观测系统的组成  89-90
    6.1.2 GNSS 掩星观测技术原理  90-92
    6.1.3 GNSS 掩星观测数据处理  92-94
    6.1.4 掩星数据震例分析  94-95
  6.2 电离层测高 foF2  95-96
  6.3 掩星及 foF2 对比研究  96-98
第七章总结与展望  98-100
  7.1 论文总结  98-99
  7.2 进一步研究工作  99-100
参考文献  100-106
致谢  106-107
作者简历  107

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