青藏高原地区强震电离层TEC异常特征研究

发布时间：2020-06-12 05:48

【摘要】：对人类生存环境、人类社会生活影响最大的自然灾害之一就是地震灾害,而我国地震活动的频次相对而言是比较高的,而且有着较大的强度和较广的分布范围,造成的重灾害也比较严重。因此,如何对地震活动进行分析预测,降低地震灾害对人民生命、财产安全的破坏,已经成为了一个亟需解决的问题。自观测到电离层在地震前存在发生异常的情形开始,监测、发现、分析电离层的变化也就成为地震分析预测方向中一个研究的热点。而GNSS作为先进的空间观测技术,具有全天候、大范围、高精度、成本低等特点,在电离层探测中得到广泛的应用,由GNSS获取的TEC则是揭示电离层时空变化规律和特征的重要物理参量。目前,全球IGS(International GNSS Service)已经建立了数百个GNSS基准站,而我国大陆地区也建立了数千个GNSS基准站,随着GNSS基准站的不断增加,探测高时空分辨率的TEC图像也有了更加良好的基础,而进一步开发地基GNSS电离层观测技术也对电离层TEC研究起到了很好的推动作用。基于以上理论和硬件基础,本文首先对地震及其成因、电离层及电离层扰动进行了介绍,调研了国内外受地震影响的电离层异常的研究现状,回顾了国内外在地震电离层效应方面震例研究的结果,除此以外,本文还介绍了地震——电离层耦合机理现阶段的理论。然后在前述的理论基础上,本文采用GNSS数据,利用球谐函数,建立了一种高精度的全球电离层TEC模型。并且利用IRI模型仿真数据,对模型的内外符合精度作出了评估,得出的模型精度整体较为可靠,能用来探测地震发生前的电离层TEC异常这一结论。然后利用该模型,本文对中国大陆集中在青藏高原地区的7级以上震例的震前电离层异常效应进行了研究,从中得到了关于强震前的电离层异常特征的一些初步的结论。震例统计分析结果如下:1)在空间天气稳定的条件下,强震发生前的数天,常常伴有电离层异常现象的出现,正负异常皆有可能。并且呈现出震级越高,异常幅度越大,异常区域越广的相关趋势;2)最大电离层异常扰动点不在震中的垂直上空,向磁赤道方向偏移3)地震引起的电离层异常变化可在磁共轭区同时观测到;4)与刘正彦对台湾地震发生前的电离层异常的研究结果不同,青藏高原地区,一般强震发生前伴有明显的正异常为主的异常现象产生。推测是由于台湾为海岛,地震能量的发散反映在电离层上与内陆青藏高原地区的机制有所不同导致。5)多数地震伴随着正异常现象,仅芦山地震伴随着负异常现象的发生。推测是由于芦山地震发生隐式断裂,即地震断裂带发生在地表以下,没有明显的地表活动。这可能导致形成的附加电场与普遍的情况相反。
【图文】：

示意图,单层模型,电离层,示意图

图 3. 1 电离层单层模型示意图观测信号穿过电离层时，我们将整个电离层的信号延迟看作是一个薄球影响，也就是把所有的电子聚合在一定高度的电离层高空中，信号传播路径离层单层模型的交点，就是穿刺点（IPP）。于是，我们为穿刺点赋予了一个层延迟项的值，反映了信号传播路径上的电子总含量，也就是 STEC 值。穿坐标与 STEC 值投影到天顶方向的 VTEC 值一一对应组合，就能依此建立模本文采用的是 SLM 投影函数： 21 1cos '1 sin 'f zzz （3而：sin ' sinRz zR H （3H 代表电离层薄层高度，这里取 450 km。由图 3.1，我们在已知测站点和卫星坐标时，不难得出穿刺点经纬度的

大陆,观测值,计算结果,单位

图 4.1 CODE 发布结果（上）与观测值直接计算模型（下）（单位：TECU）如图 4.1 所示，上面的 4 幅子图为官方发布的 GIM 产品结果，下面的 4 幅子图则是建模得到的GIM结果。可以发现，对应子图之间的GIM在大体上一致，也就是说建模结果能够较好的符合官方发布的 GIM 产品。表明了建模方法和程序实现在整体上是可行的。直接计算两者之间一天内的差距，，均方根误差 RMSE值为 5.7477 TECU。这个差距相对较小，表明计算结果与 CODE 发布的结果接近，在一定程度上是可靠的。图 4.2 是图 4.1 在中国大陆及周边地区范围内的放大显示，能更加直观的表示我们的全球模型在针对中国区的 TEC 异常探测时，是非常可靠的。事实上在这个区域内，均方根误差可以达到 1.4530TECU。这个差距是非常小的，表明计算结果在目标区域的可靠程度实际上还要更高。
【学位授予单位】：中国地震局地震研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P315.7

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