基于GPS技术的川滇地区强震电离层效应研究

地震电离层效应的研究表明：强震前孕震区上空的电离层一般会出现明显的异常扰动。因此，通过监测电离层垂直电子总含量VTEC的异常变化有可能预测即将来临的地震。地基GPS作为一种全天候、高精度的电离层连续观测手段，可发展为地震电离层前兆监测的新技术。有鉴于此，开发利用地基GPS电离层技术，对川滇地区近十年来的强震（Ms≧6.0）进行地震电离层效应检测，统计总结该地区震前电离层异常扰动特征和规律，揭示地震-电离层耦合机理等具有重要的现实意义和示范作用。该研究成果有望丰富现有地震前兆观测手段和监测内容，完善地震监测预报理论和技术体系。

地震预报是世界性的难题，传统的地震监测预报技术在地震中长期趋势预测中发挥了重大的作用，但减灾效益最为显著的短临预报却一直难有实质性突破。近十多年来，国内外的探索研究表明，地震前出现的电离层异常扰动效应则有望为解决这一难题提供新的途径。.着眼于地震监测预报的实际需求和现有资源，项目系统地研究了基于GPS技术的电离层反演方法、统计分析了地震—电离层异常的扰动特征和规律、通过理论解释和数值模拟计算证实了地震—电离层耦合的可能机理。在地基GPS电离层观测技术的研究中，基于电离层球壳模型假设，利用球谐函数，实现了区域电离层垂直电子总含量（VTEC）的高精度反演，并提出了一种通过给临近观测赋权来计算GPS观测站上空VTEC的反演方法。在天基GPS电离层掩星观测技术的研究中，电离层球对称假设是经典Abel积分变换反演方法的主要误差源，针对这一局限，本项目提出了一种水平梯度信息约束的电离层掩星反演方法，其反演结果更趋近于电离层垂测仪的观测结果。在三维电离层层析重建技术的研发中，通过对传统ART算法进行修正，即适时调整松弛因子和施加约束力更强的迭代收敛条件，实现了区域三维电离层的高精度快速反演。通过对中国大陆2000-2014年间的强震进行震前电离层异常检测与分析，在排除日—地空间环境突变等非震因素的干扰后，统计得到了中国大陆地区震前电离层异常扰动的特征和规律：与地震有关的电离层正、负异常一般在震前的10天内出现，且正异常出现的几率较大；地震—电离层异常覆盖区可达上千公里，一般位于震中偏南，其东西向与南北向的长度比一般为3：1；地震—电离层异常多出现在当地时下午至夜晚时段内，在中国区观测到的电离层扰动持续时间一般在4小时以上，且自东向西漂移。但异常检测结果也表明，仍然有少数地震没有检测到震前的电离层异常扰动，因此，地震—电离层效应的研究存在困难、充满挑战。在地震—电离层耦合机理的研究中，通过理论解释和数值模拟研究，在一定程度上证实了地震—电离层耦合作用的附加垂直电场辐射机制。.项目研究成果提高了基于天、地基GPS技术的电离层反演精度，拓展了地震监测预报的技术和理论体系，为突破地震短临预报瓶颈提供了新的技术手段。