GNSS电离层监测技术在海啸探测中的应用研究

A tsunami propagating at sea-level can produce atmospheric gravity waves and perturb the ionosphere, so we can detect tsunami by ionospheric sounding that can provide a new way for tsunami warning. However, due to the diversities of disturbance sources and influence factors in ionosphere, it is difficult to identify tsunami signal in ionosphere and standardize the observations of tsunami-driven ionospheric disturbances when using GNSS ionospheric sounding to detect the tsunami. To solve these problems, this project intends to focus on the following studies: (1) develop the detection method for tsunami-driven ionospheric disturbances so as to extract and identify the tsunami signals in ionosphere exactly; (2) analyze the influence of elevation angle and azimuth of the GNSS ray path on the observed results for tsunami-driven ionospheric disturbances and establish a method to standardize the observed results; (3) refine the present tsunami-ionosphere coupling model by using the standardized observations of tsunami-driven ionospheric disturbances. The study results of this project can further confirm the ionosphere is a sensitive medium to the tsunami propagation and refine the present tsunami-ionosphere coupling model, which can provide technical support for tsunami detection by GNSS ionospheric sounding.

海平面的海啸在传播的过程中会产生大气重力波进而扰动电离层，因而可以通过电离层监测来探测海啸，为海啸预警提供新的途径。针对利用GNSS电离层监测技术探测海啸时电离层中扰动源的多样性以及影响因素的多样性，由此导致难以识别电离层中的海啸信号、难以标准化海啸电离层扰动观测值等问题，本项目将主要进行以下几个方面的研究：（1）发展海啸电离层扰动信号的探测方法，准确提取、识别电离层中的海啸信号；（2）探讨GNSS射线路径高度角和方位角对海啸电离层扰动信号观测结果的影响，在此基础上建立标准化观测结果的方法；（3）融合标准化的海啸电离层扰动观测值，对现有海啸-电离层耦合模型进行精化。通过本项目的研究，进一步验证电离层对海啸的敏感性，同时发展现有的海啸-电离层耦合模型，为GNSS电离层监测技术探测海啸提供技术支撑。

海啸是一种较为常见的自然灾害，对海啸进行监测并准确预警，对于及时疏散人群和物资以减少灾害的影响具有十分重要的意义。GNSS电离层监测技术能够为海啸预警提供新的技术途径，但相关技术还不成熟。本项目在现有研究基础上，解决了海啸电离层扰动信号的探测与识别、观测数据的标准化等问题，为GNSS电离层监测技术应用于海啸探测提供技术支撑。主要工作和成果如下：1）研究并完善了利用GNSS观测数据探测电离层海啸信号的方法，增强了GNSS电离层探测技术海啸预警能力，在利用美国GNSS数据网对2011年东日本地震海啸事件进行观测时，在电离层中发现了大面积的海啸信号，有力的证明了电离层对海啸活动的敏感性。2）研究并开发了海啸-电离层耦合的数值模型，根据海啸-电离层耦合模型，研究了海啸电离层扰动的传播特征（传播速度、传播延迟、传播距离及传播倾角），在此基础上设计了一种GNSS海啸电离层信号识别方法，提高了探测海啸电离层信号的可靠性。3）研究了GNSS几何观测条件对海啸电离层扰动观测结果的影响，理论和实测结果表明，GNSS射线沿着海啸重力波能量的传播方向，观测的扰动量最大，而垂直于海啸重力波能量传播方向，观测的扰动量最小；采用现有单层投影函数将倾斜方向的电离层扰动转化到垂直方向上，可以消除海啸传播方向垂直平面外的不一致性，由于电离层扰动存在水平梯度，不能消除海啸传播方向垂直平面上的不一致性。4）研究了GNSS海啸电离层观测数据标准化的方法，针对现有单层投影函数无法消除海啸传播方向垂直平面上的不一致性的问题，根据海啸电离层信号的特点，设定海啸重力波能量的传播方向为新的投影方向，构建了新的投影函数，实测结果表明，利用新的投影函数可以很好消除不同卫星观测数据不一致性，从而达到标准化观测数据的目的。