基于多源数据的电离层三维精细建模及震前电离层异常时空分布规律和触发机制探究

Variations of earth's space environment contain a wealth of geo-information, scientific cognition of its variation characteristics provides a new way to interpret geo-phenomenon.In recent years, ionospheric precursor in earthquake prediction has caused widespread concern.Comparing to other methods, ionospheric precursor has a relatively stable time scale, which makes it feasible for short-term prediction. On the basis of ground-based GNSS data, measurements of LEO occultation satellite and altimetry satellite can be united to inverse the ionosphere. Taking advantage of the complementary characteristics of temporal and spatial distribution of different observations, using rigorous data fusion method, the project establishes a high-precision and high-resolution global ionospheric grid model, which can inverse time-varying characteristics of the ionosphere more effectively. Considering the advantages and disadvantages of pixel-based and function-based three-dimensional ionospheric tomography method, a new tomography model acombinating pixel-based and function-based methods is proposed, which can effectively avoid the defects of the existing algorithms, and achieve a multi-source data based and three-dimensional detailed ionospheric model. On this basis, the project statistically analyzes the temporal characteristics of pre-earthquake ionospheric anomalies, and interprets observed abnormal changes of the electron density in each ionospheric layer. Then, preliminary study on trigger and preparation mechanisms of pre-earthquake ionospheric anomalies can be carried on, which provide foundation for new ways of earthquake prediction based on the pre-earthquake ionospheric anomalies in the future.

地球空间环境变化蕴含丰富的地学信息，对其变化特性的科学认知提供了一种解释地学现象的新途径。近年来电离层在地震预报中的应用引起普遍关注，由于其前兆的出现有稳定的时间尺度，这一突出特点将使它在短临地震预报中更具实用价值。本项目在地基GNSS数据的基础之上，联合LEO掩星、卫星测高等多类大地测量观测数据，充分考虑不同观测值的时空分布特点，优势互补，采用严密的数据融合方法，建立能更加有效反演电离层时变特性的高精度高分辨率全球电离层格网模型。综合现有的像素基和函数基的电离层三维层析模型的优缺点，提出一种像素基和函数基结合的新层析模型，可有效避免现有算法的缺陷，实现基于多源数据的电离层三维精细建模。在此基础上，对震前电离层异常的时空特性进行统计分析，对观测到的电离层各层电子密度的异常变化进行解释，进而初步分析震前电离层异常的触发和孕育机制，为将来实现基于震前电离层异常的地震预报新途径奠定基础。

电离层作为日地空间环境的重要组成部分，处于地面以上约60公里到1000公里范围之内。利用现代科技手段对日地空间特别是地球空间进行探测，可以解释甚至预报一些极端地学事件。近年来电离层震前异常在地震预报中的应用引起了普遍关注，由于其前兆的出现具有稳定的时间尺度，因此这一突出特点将使它在短临地震预报中更具实用价值。.目前全球电离层模型主要是基于GNSS观测值建立的，但是地基GNSS台站在全球分布不均匀，使得穿刺点不能有效覆盖广大的海洋区域，导致模型在海洋地区的精度和可靠性较差。本项目利用GNSS获取的TEC为基准，将海洋测高卫星(TOPEX/Envisat/Jason)、COSMIC掩星数据和GNSS观测数据进行融合，在融合时充分顾及不同来源数据的精度特性和系统性差异，引入赫尔默特验后方差分量估计理论进行定权。同时，将海洋测高卫星和COSMIC掩星的系统偏差作为参数进行估计，最终得到了高精度、高分辨率、高可靠性的全球电离层格网模型，并将其用于震前电离层异常的统计分析。.为了全方位了解电离层电子密度的时空分布，本项目提出了一种附加投影函数的电离层三维层析模型，新算法首先沿射线方向分4段积分电子密度，在每个积分段内，通过引入比例因子 参数，并附加以投影函数进行单层建模。为了解决法方程秩亏问题，新算法采用了卡尔曼滤波的方式逐次求解各层模型参数，最后将各层模型叠加组成立体模型。通过建模实验显示，残差序列基本保证99%的残差在3TECU以内，在标准差方面，四层层析模型较单层模型有16.78%的提高，在平均值方面有41.02%的提高，这表明四层层析模型较单层模型在理论上更加可靠。新模型计算方便，可用于导航定位等领域的电离层延迟改正，也可用于对通过全球电离层格网模型所发现的震前电离层异常进行精细的时空分布及其演变特性分析，具有广阔的应用前景。.此外，通过对震前电离层异常的时空分布及其演变特性进行统计分析，科学地解释了观测到的电离层各层电子密度的异常变化，为将来实现基于震前电离层异常的地震预报新途径奠定基础。.在上述理论模型的基础上，编写了多源数据融合的电离层建模和震前电离层异常探测科研软件，该软件具备对震前电离层异常自动提取与统计分析功能，为震前电离层异常的物理机制研究提供数据支持。