摘要
电离层作为日地空间系统的重要组成部分，其变化与人类生产生活密切相关。电离层可以使穿过它的无线电波发生折射、散射和吸收等变化，进而对通讯、导航系统等产生影响。随着空间探测技术的发展，研究人员通过多种观测手段，获得了大量电离层参数观测数据，极大地推动了电离层研究的发展。近些年来，太阳-磁层-电离层/热层耦合以及岩石圈-大气层-电离层耦合机制成为电离层领域的研究热点。了解电离层的扰动特征，如暴时和震前电离层时空变化，对于空间环境建模和灾害性空间天气预报具有重要的科学意义。基于此，本文通过全球卫星导航系统(GNSS)及合成孔径雷达(SAR)观测数据分别研究了暴时、震前全球及局部地区电离层扰动时空变化特征。本文主要研究内容和成果归纳如下： (1)介绍了利用GNSS和SAR估计电离层时空变化的方法。回顾了电离层的物理特性、时空变化特征及电离层扰动的主要影响原因。详细阐述了基于GNSS数据反演电离层TEC参数的方法，以及穿刺点模型、投影函数的计算方法。针对GNSS电离层反演空间分辨率不足的问题，提出了基于 SAR 影像通过距离向分频法反演电离层参数的方法。 (2)基于GNSS和SAR分析了2009年磁暴期间的电离层扰动。利用滑动四分位距、单站及二维ROTI、二维DTEC(Detrend TEC)，对2009年7月22日磁暴期间全球及意大利局部地区电离层扰动进行了分析。结果发现，磁暴在主相阶段，赤道低纬度地区TEC逐渐增强；在全盛状态下，电离层TEC呈6~11TECU南北共轭正相扰动；在恢复相阶段，全球正相扰动强度降低，范围逐渐向中低纬度缩小并逐渐向西南方向偏移。利用意大利地区地基GNSS反演的VTEC发现，22日整体TEC及电离层ROTI指数明显高于23日，且在22日UT 03:00和UT 08:00发现两个行进式电离层扰动。利用ALOS/PALSAR数据反演的ΔVTEC与GNSS结果进行比较，发现二者在电离层空间梯度变化上具有较高的一致性，证明了利用SAR获取电离层变化的可行性。 (3)基于滑动四分位距及相关系数对震前 TEC 时间序列进行了异常探测。利用 IGS提供的全球电离层GIM数据，对震中附近格网点进行异常探测，结果表明2月13日和23日出现明显电离层正异常。利用全球电离层扰动分布图，确定了扰动出现的时间为13日UT 04:00至UT 08:00，23日UT 00:00至UT04:00，主要分布在震源北侧10°~30°S，其中23日扰动区域整体呈椭圆形状。利用分布在智利地区的28个GNSS观测站数据计算了测站及穿刺点轨迹 VTEC 随时间的变化情况，同样在上述区域出现了电离层正异常。使用2010年2月13日的ALOS/PALSAR数据进行电离层反演，其变化趋势与卫星穿刺点轨迹TEC变化趋势基本吻合，SAR结果进一步反映出电离层精细结构，并在干涉图中监测到电离层异常斑块结构，宽度~5km，长~15km。SAR结果提供了更高分辨率的电离层扰动空间结构，这为分析电离层扰动与地震之间的关系提供了一定参考。
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