基于COSMIC掩星数据的电离层分布特征及地震响应研究

【摘要】GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位系统)无线电掩星技术具有全球覆盖、垂直分辨率高等优点,为电离层的研究提供了十分丰富的资料。本论文的研究主要基于COSMIC(ConstellationObservingSystemforMeteorologyIonosphereandClimate)掩星电离层数据,详细介绍了电离层的基本理论；阐述利用掩星技术探测电离层的基本原理；针对COSMIC掩星数据分布特点,建立了数据分析和研究方法；目前的研究对电离层物理量不同区域分布差异的分析较少,对不同太阳活动条件下电离层电子密度垂直分布的研究相对不足,本文对此开展了电离层分布特征的研究工作；分析了典型震例在地震活动期间多个物理量的异常扰动变化。主要研究成果如下：1掩星数据分析与研究方法利用COSMIC掩星电离层F2层峰值密度(NmF2)、临界频率(foF2)、峰值高度(hmF2)、电子密度(Ne)等数据,针对掩星数据在时间尺度上分布不均匀的特点,使用傅里叶逼近拟合方法获取在时间尺度上连续的数据。在空间分布上,我们分别基于B样条函数和球谐函数计算模型值,获得全球空间分辨率较高的电离层数据。再以IRI(InternationalReferenceIonosphere)模型计算的结果作为参考,检验方法有效性。结果表明,使用的方法是有效的。利用B样条函数计算的结果展开收敛速度更快,计算时间短,可以反映小区域的变化；利用球谐函数计算的结果平均残差小于B样条函数,分布更清晰平滑,可以反映全球的变化规律。因此,本论文使用球谐函数计算结果作为后续研究的基础数据。2电离层分布特征研究1)空间电离层峰值密度和临界频率存在明显的年周期变化,白天(LT12-15)峰值密度和临界频率在磁纬低纬和中纬地区基本以半年周期变化为主,其幅度最大值在3、4月和9、10月(两分点)附近；夜间(LT00-03)南半球的部分地区和北半球磁纬中纬60°-120°E地区以年周期变化为主,其幅度最大值在至点6月(北半球夏季)或12月(南半球夏季)附近；年异常和半年异常现象是中低纬地区白天NmF2和foF2分布的常规变化特征；随着太阳辐射能量的增强,赤道异常空间范围扩宽。2)空间电离层峰值高度夜间(LT00-03)不存在明显的规律变化,变化范围基本分布在200km-400km高度。白天(LT12-15)峰值高度磁纬±10°范围不存在明显的年周期变化,变化范围基本分布在300km-400km高度；南北半球磁纬10°-20°范围,部分区域呈现相对明显的年周期变化,南北半球磁纬20°-30°和磁纬中纬度大部分范围以年周期变化为主,变化范围基本分布在200km-400km高度。随着太阳辐射能量的增强,峰值高度的变化幅度增大,尤其是在赤道和低纬度地区。3)在250km-500km高度,电离层电子密度夜间存在威德尔海异常现象,最大值在300km-400km高度；随着太阳辐射能量的增强,300km-500km高度威德尔海异常区域空间范围扩宽,250km-350km高度赤道异常范围扩展到中纬地区；电子密度白天(LT12-15)存在明显的季节变化,夜间(LT00-03)季节变化不明显。3典型震例分析1)提出地震异常扰动的分析方法,研究我国三例强震地震活动期间多个物理量的变化特征。研究发现,汶川地震发生后,部分区域峰值密度相对变化幅度增大,分布在1-1.5之间,TEC相关系数下降到0.6,功率谱密度变化明显；于田地震发生后,部分区域峰值密度相对变化幅度增大,分布在0.8-1.2之间,震前地磁垂直分量增强,但时间上与空间异常分布不同步,需要进一步的研究；玉树地震发生后,震中邻近区域峰值密度相对变化幅度增大,分布在0.6-0.8之间,多个台站地磁垂直分量差值小幅下降到OnT以下；三个震例在地震活动期间,电离层都存在扰动现象,其中汶川和玉树地震发生后,地磁垂直分量同时出现扰动变化；仅从计算的震例结果来看,震级越大,峰值密度相对变化幅度增强。2)针对汶川震例,基于SAMI2模型模拟计算结果和观测结果对比分析,验证附加电场可以引起电离层的扰动变化,提出异常电场机制对地震电离层响应的解释可能更为合理。
【作者】马新欣；
【导师】高孟潭；陈化然；
【作者基本信息】中国地震局地球物理研究所，固体地球物理学，2014，博士
【关键词】电离层；COSMIC；峰值密度；电子密度；分布特征；地震-电离层扰动；

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