【摘要】：在尚未完全理解和掌握地球動力學(xué)背景、孕震環(huán)境和強(qiáng)震觸發(fā)機(jī)理的條件下,依靠前兆信息進(jìn)行經(jīng)驗性預(yù)報一直是地震監(jiān)測預(yù)報的主要思路�；谶@一理念,對各種地球物理異常現(xiàn)象,如地形變、地電、地磁、地化、地下流體等,開展跟蹤觀測則成為地震監(jiān)測的傳統(tǒng)技術(shù)手段。通過這些傳統(tǒng)監(jiān)測手段,我們對地震孕育過程的了解和認(rèn)識已經(jīng)達(dá)到了一個新的高度,地震中長期趨勢預(yù)報也取得了一定的成效；然而,由于地震科學(xué)理論本身的不完善和復(fù)雜性,我們對地震前兆的認(rèn)識和理解尚不成熟,減災(zāi)效益最為顯著的地震短臨預(yù)報卻一直難有實質(zhì)性突破。地球是一個多圈層組成的巨系統(tǒng),各圈層之間必然存在物質(zhì)和能量的輸運(yùn)與交換。電離層作為近地空間的一個重要組成部分,必然與其下面的大氣層、巖石圈存在著密切的相互作用。作為巖石圈內(nèi)板塊劇烈運(yùn)動的產(chǎn)物——地震,也必然會對大氣層的狀態(tài)帶來影響,進(jìn)而作用于電離層。這種圈層間的相互聯(lián)系,為我們從空間高度洞悉自然、了解地球活動提供了一個窗口。顯然,這種作用關(guān)系也為我們從電離層高度尋求地震孕育活動的有關(guān)信息提供了可能。到目前為止,盡管地震—大氣層—電離層間的耦合機(jī)理還沒有一個統(tǒng)一的、公認(rèn)的共識,但是地震前出現(xiàn)的電離層異常擾動現(xiàn)象已被大量的觀測所證實。為了探尋地震前電離層異常擾動的特征和規(guī)律,進(jìn)而揭示地震—電離層內(nèi)在的耦合機(jī)理,本文以地基GPS(Global Positioning System)為手段,通過GPS VTEC (Vertical Total Electron Content)時間序列數(shù)據(jù)對中國大陸Ms≥6.0的強(qiáng)震進(jìn)行了地震—電離層效應(yīng)的檢測與分析,對地震—電離層耦合機(jī)理的代表性學(xué)說進(jìn)行了回顧與分析,并利用電離層物理模式對附加垂直電場輻射的耦合機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值化模擬研究。全文獲得的一些成果和主要的結(jié)論如下：(1)電離層觀測與反演。在地基GPS電離層觀測技術(shù)的研究中,利用球諧函數(shù),實現(xiàn)了區(qū)域VTEC的高精度反演；提出了一種通過給臨近觀測賦權(quán)來計算測站上空VTEC的反演方法。在天基GPS電離層掩星觀測技術(shù)的研究中,電離層球?qū)ΨQ假設(shè)是經(jīng)典Abel積分變換反演方法的主要誤差源,針對這一局限,本文提出了一種水平梯度信息約束的電離層掩星反演方法,其反演結(jié)果更趨近于垂測儀觀測結(jié)果。在三維電離層層析重建的過程中,針對傳統(tǒng)ART (Algebraic Reconstruction Technique)算法,提出了適時調(diào)整松弛因子進(jìn)行迭代求解的思想,使迭代收斂過程更為迅速；另外,為了改善層析重建精度,提出了一項約束力更強(qiáng)的迭代收斂條件。電離層數(shù)據(jù)同化模型的研發(fā)是當(dāng)前電離層信息獲取領(lǐng)域里的研究熱點,在分析調(diào)研國內(nèi)外、尤其是美國同行的研究成果與進(jìn)展后,借鑒美國南加州大學(xué)和噴氣推進(jìn)實驗室聯(lián)合開發(fā)的全球電離層同化模型(USC/JPL GAIM)的研發(fā)思路,本文開發(fā)了一套較為簡單的基于Kalman濾波的電離層數(shù)據(jù)同化模型。該同化模型是一個單離子模型,即將電離層高度范圍內(nèi)的離子全部視為0+,這一假設(shè)簡化了同化模型的開發(fā)難度,但鑒于0+數(shù)量在電離層E層之上占據(jù)絕對的優(yōu)勢,因此,該假設(shè)對電子密度反演的精度損失不大。綜合考慮上述幾種電離層信息獲取技術(shù)的特點,結(jié)合地震—電離層效應(yīng)的監(jiān)測需求和現(xiàn)有的觀測資源,地基GPS電離層技術(shù)被認(rèn)為是當(dāng)前電離層異常跟蹤觀測最為理想的手段,因此,本文的地震—電離層效應(yīng)檢測與分析主要基于這一技術(shù)手段完成。(2)地震—電離層異常擾動的特征與規(guī)律。通過對中國大陸2000-2014年間的52次Ms≥6.0強(qiáng)震進(jìn)行震前電離層異常檢測與分析,在排除日—地空間環(huán)境突變等非震因素的干擾后,統(tǒng)計得到的震前電離層異常具有如下特征：有40次地震在震前一周內(nèi)出現(xiàn)了可能與地震孕育活動有關(guān)的電離層異常,而正、負(fù)異常均有出現(xiàn),且正異常出現(xiàn)的幾率較大；地震—電離層異常覆蓋區(qū)可達(dá)上千公里,東西向與南北向的長度比一般為3：1；地震一電離層異常多出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r下午至夜晚時段內(nèi),在中國區(qū)觀測到的電離層擾動持續(xù)時間一般在4小時以上。但異常檢測結(jié)果也表明,仍然有12次地震沒有檢測到震前的電離層異常擾動,因此,地震—電離層效應(yīng)的研究充滿了挑戰(zhàn)。此外,通過同震電離層擾動CID(Coseismic Ionospheric Disturbances)的分析與研究發(fā)現(xiàn),由地面垂直位移所激發(fā)的聲重力波,向上傳播至電離層也觸發(fā)了電離層的擾動,但其擾動量非常小,一般在地震爆發(fā)后10-15min于震中附近就可觀測到這種細(xì)微的擾動；但盡管如此,同震電離層擾動特征的研究對確定震中位置、了解地殼結(jié)構(gòu)以及輔助海嘯預(yù)警等都具有現(xiàn)實的意義。(3)地震—電離層耦合機(jī)理。通過調(diào)研地震一電離層耦合機(jī)理的國內(nèi)外研究成果,本文認(rèn)為震前電離層擾動更有可能來源于孕震區(qū)附加垂直電場。對此耦合機(jī)理,本文首先進(jìn)行了理論上的澄清和解釋；在詳細(xì)介紹電離層理論模式SAMI2之后,針對實際震例,利用這一模式進(jìn)行了附加垂直電場作用下的電離層模擬研究,研究結(jié)果在一定程度上證實了地震—電離層耦合作用的附加垂直電場輻射機(jī)制,這為地震—電離層效應(yīng)的監(jiān)測提供了理論上的支持。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P315.728
【圖文】：

其中最主要的因素就是應(yīng)力作用狀況和巖石的為學(xué)性質(zhì)。１９０６年舊金山逡逑大地震過后，Ｒｅｉｄ邋（１９１１）根據(jù)地震前后的地表變形，提出了著名的彈性回跳學(xué)逡逑說（圖１－１）。此后，彈性回跳學(xué)說便成為指導(dǎo)地震預(yù)測預(yù)報的理論基石。逡逑｜Ｍ逡逑銷？|у義�，� 逡逑ＩｆＭ邐ｆ邐邐邐邐邋＇＂＇ＩＴ邋＂＂＂＂＂＂邐＇邐＇邋邐邐邋ＩｒＭ逡逑樹邐腳邐似逡逑圖１－１彈性回跳學(xué)說示意逡逑進(jìn)入新世紀(jì)，我國的防震減災(zāi)事業(yè)依然面臨著嚴(yán)峻的形勢，相繼發(fā)生了多次逡逑特大型地震。２００８年日月１２日，震驚世人的漢川大地震爆發(fā)，其破壞力之大，逡逑成災(zāi)范圍之廣，均為歷史所罕見，是中華人民共和國成立后破壞強(qiáng)度最大的一次逡逑地震，亦是唐山大地震后人員傷亡：最為慘重的一次地震。而時隔不到５年，同樣逡逑在這個孕震帶，卻又一次地發(fā)生了蘆山Ｍｓ７．０地震，再次給災(zāi)區(qū)人民造成了極大逡逑的生命財產(chǎn)損失。巧川大地震和蘆山地震給災(zāi)區(qū)人民帶來重創(chuàng)的同時，也給我們逡逑帶來了深刻的反思：傳統(tǒng)的預(yù)報方法和監(jiān)測手段能否成功地實現(xiàn)地震預(yù)報、尤其逡逑１逡逑�。义�

：逡逑＝邐（３－１引逡逑上式中的ｆ為同時觀測到的衛(wèi)星數(shù)目（衛(wèi)星高度角大于６０°），０為各穿刺點至該逡逑ＧＰＳ觀測站巧電離層薄殼上投影點之間的距離。因此，長時間觀測后，就可構(gòu)建逡逑該ＧＰＳ觀測站上空的ＶＴＥＣ時間序列。圖３－３、３－４即是利用地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)逡逑

３．２天基ＧＰＳ電離層掩星觀測技術(shù)逡逑ＧＰＳ無線電掩星技術(shù)于上世紀(jì)末開發(fā)成功，它的出現(xiàn)使低成本、全天候、全逡逑球覆蓋的近地空間觀測成為可能。無線電掩星技術(shù)的觀測原理是在低軌Ｌ邋Ｅ邋０逡逑（Ｌｏｗ邋Ｅａｒｔｈ邋０化ｉｔ）衛(wèi)星上，安放一臺雙頻ＧＰＳ掩星接收機(jī)，通過測量被電離層和逡逑大氣遮蔽的ＧＰＳ衛(wèi)星信號，利用其延遲或彎曲來反演電離層和大氣參數(shù)，而這種逡逑延遲或彎曲主要源于電離層和大氣折射指數(shù)的變化。因此，利用ＬＥＯ掩星接收機(jī)逡逑觀測的相位數(shù)據(jù)，就可十算信號彎曲量大小，并利用Ａｂｅｌ積分變換法反演電離逡逑層或中性大氣折射指數(shù)，繼而推導(dǎo)電離層電子密度或中性大氣密度、溫度等參數(shù)逡逑廓線（Ｙｕｎｃｋ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８８；邋Ｇｕｒｖｉｃｈ邋ａｎｄ邋Ｋｒａｓｉｌｎｉｋｏｖａ，邋１９９０；邋Ｈａｒｄｙ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋１９９４；逡逑Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ邋ｅｔａｌＪ９９４，周義炎等，２００５）。自美國１９９５年發(fā)射Ｍｉｃｒｏｌａｂｌ低軌衛(wèi)星逡逑（邸Ｓ／ＭＥＴ）首次驗證了ＧＰＳ無線電掩星探測地球電離層和大氣的可斤性１＾｜來逡逑（Ｗａｒｅ邋ｅｔａｌ．，１９９６；邋Ｋｕｒｓｉｎｓｋｉｅｔａｌ．，１９９６；邋Ｋｕｒｓｉｎｓｋｉｅｔａｌ．，１９９７；邋Ｈｏｃｋｅ，１９９７；艮ｏｃｋｅｎ逡逑ｅｔａｌ．，１９９７；邋Ｈａｊｊ邋ａｎｄ邋Ｒｏｍａｎｓ，１９９８；邋Ｓｃｈｒｅｉｎｅｒ邋ｅｔａｌ．，１９９９），青睞于該觀測技術(shù)的逡逑－－

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2754536