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震前电离层异常扰动特征

作　者: 徐桃玲
导　师: 金红林; 郭鹏
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 掩星电离层震前异常标高
分类号: P315.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于地震的复杂性，目前还不能依赖于地震在岩石圈内部的孕育和发生机理来预测未来地震发生的三要素，因此科学家将眼光放宽至多方面以期与有助于对地震过程的更深入了解。自上世纪60年代科学家发现地震前在孕震区上空出现电离层扰动之后，地震-电离层现象和耦合机理引起广泛研究。随着GPS和无线电掩星观测技术的发展，电离层探测技术有了新的突破，为寻找震前电离层异常扰动特征提供了一种全新的手段。GPS信号在穿越电离层时发生频散效应导致信号相位延迟。相位延迟量依赖于电子密度和电磁波频率。利用地基和空基双频接收机接收到的GPS卫星信号，可以分别反演得到高精度电离层总电子含量（TEC，Total Electron Content）和电离层电子廓线。而且空基GPS技术，即无线电掩星技术具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率等其他观测技术无法比拟的特点，对电离层探测具有十分重要的科学意义，为揭示全球电离层中长期活动提供十分宝贵的资料。本论文详细地介绍了GPS观测技术和无线电掩星技术，系统地阐述了地基GPS获取高精度TEC的反演方法和GPS无线电掩星技术探测电离层的基本原理。并首次利用全球COSMIC掩星观测资料开展全球电离层背景的时空特征分析，最后综合GPS TEC和电离层电子密度廓线分析2011年Mw9.0日本东北地震和2008年Mw8.0汶川地震前电离层扰动情况。主要内容和结果具体如下：1)首先简要介绍电离层背景和扰动因子，概括和总结了前人对地震-电离层现象和耦合机制的研究成果，为之后的研究打下基础。2)系统地介绍了利用地基GPS观测数据获取高精度TEC的反演方法；介绍了利用Abel积分方法和空基GPS掩星数据，反演电离层电子密度剖面的计算原理。3)基于2007年1月1日-2011年12月31日期间观测到的COSMIC掩星观测资料，计算了标高、峰值高度和峰值密度等全球电离层参数，分析这些电离层参数的日变化、季节变化、年变化及空间分布特征。分析结果显示：标高具有显著的年周期变化，其变化幅度与磁纬正相关，且南北半球呈对称分布。这种规律性的变化并不表现在常用来选作电离层研究参数的峰值高度和峰值密度上，因此标高的这种优势有利于构建电离层全球模型；电离层的日变化和季节变化发现，春秋两季标高、峰值高度、峰值密度在低纬度区域出现极低值极大值的地方时刻有一些差异；标高、峰值密度峰值高度在电离层全球分布中并不呈现经向一致性，峰值高度和标高与峰值密度不同，其峰值并不在磁赤道两边呈现双驼峰结构，而是沿磁赤道线单线分布；地磁作用决定了电离层参数基本的分布状态，而太阳活动只是全球性地增强了值的大小，不重新改变高低值的分布。4)综合GPS TEC和电离层电子密度廓线开展震例分析结果显示：通过VTEC（垂直TEC）和电子密度廓线分析并排除太阳和地磁活动的影响，认为日本东北地震前四天，电离层E层和F层为正异常，其余时间由于外太空对地球造成了影响，并不能认为异常是由地震引起的；汶川地震前电离层TEC和电子密度廓线也出现负异常，5月9日出现显著的正异常。

全文目录

硕士学位论文摘要格式  3-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第一章引言  11-23
  1.1 论文的背景和意义  11-13
  1.2 电离层概述  13-17
    1.2.1 电离层结构  13-15
    1.2.2 电离层扰动  15-16
    1.2.3 电离层探测技术  16-17
  1.3 地震电离层效应  17-21
    1.3.1 地震电离层现象  17-18
    1.3.2 地震电离层耦合机理  18-21
  1.4 论文的主要内容和结构安排  21-23
第二章 GPS 电离层观测技术与原理  23-37
  2.1 地基 GPS 观测技术  23-24
    2.1.1 GPS 概述  23
    2.1.2 GPS 观测方程  23-24
  2.2 GPS 电离层观测  24-30
    2.2.1 GPS 在电离层观测中的应用  24-25
    2.2.2 GPS-TEC 测量原理  25-27
    2.2.3 高精度 TEC 反演方法  27
    2.2.4 垂直 TEC 的获取  27-29
    2.2.5 电离层 TEC 测量误差  29-30
  2.3 空基 GPS 观测技术  30-32
    2.3.1 无线电掩星概述  30-31
    2.3.2 COSMIC 掩星技术  31-32
  2.4 掩星电离层数据处理  32-36
  2.5 本章小结  36-37
第三章全球电离层变化分析  37-56
  3.1 电离层标高  37-40
    3.1.1 电离层标高定义  37-38
    3.1.2 数据去噪  38-40
  3.2 电离层中长期变化  40-48
  3.3 电离层季节变化和日变化  48-52
  3.4 电离层全球分布  52-54
  3.5 本章小结  54-56
第四章震例综合分析  56-69
  4.1 日本东北地震  56-62
    4.1.1 VTEC 时间序列  56-58
    4.1.2 基于滑动四分位法的时间序列  58-60
    4.1.3 掩星数据电子密度廓线  60-62
  4.2 汶川地震  62-68
    4.2.1 DTEC 异常分析  62-65
    4.2.2 掩星数据电子密度廓线  65-68
    4.2.3 综合分析  68
  4.3 本章小结  68-69
第五章总结与展望  69-71
  5.1 总结  69-70
  5.2 研究展望  70-71
参考文献  71-78
致谢  78-79
作者简历、在学期间研究成果及发表文章  79

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