[发明专利]一种基于指数平滑法的震前电离层TEC异常探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及地震预测领域，具体涉及一种基于指数平滑法的震前电离层TEC异常探测方法。

背景技术

自美国阿拉斯加大地震时发现电离层具有扰动现象以来，电离层变化与地震的关系逐渐得到各国学者的重视，并被期望能够用作短临地震的预报。大量的震例和统计分析表明，大地震在发生的前几天或前几小时，震区及其附近的电离层中总电子含量(TEC)存在扰动异常，其特征主要表现在震前10天内电离层TEC有明显的降低趋势。目前常用电离层异常探测方法有平均值法、中位值法、四分位距法、滑动时窗法等。

目前常用电离层异常探测方法虽具有一定的合理性，但其只考虑了电离层TEC序列的确定性成分，而未顾及其不确定成分，因而传统方法预测TEC背景值的精度较低。此外，传统探测方法在确定参考背景值的上下限值时缺乏合理的统一标准，且参考背景值的精度较低，很容易导致探测错误，而一旦探测错误其将对后续探测结果造成重要影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于指数平滑法的震前电离层TEC异常探测方法，该方法用指数平滑法能够较好地顾及其确定性成分，以此得到更为准确的电离层参考背景值。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于指数平滑法的震前电离层TEC异常探测方法，所述方法包括如下步骤：

1)选震前第15至第60天中不受太阳和地磁异常活动影响的28天GPS TEC数据；

2)基于步骤1)中所选28天中的前20天数据，利用指数平滑方法建立时序GPS TEC短期预测模型；

3)利用步骤2)中建立的短期预测模型预测后8天的参考背景值，将8天的参考背景值与真实观测值作差，统计得到所占百分比在95.5％以上的残差值，以此不受扰动正常期参考背景值的残差值Δ作为上下限值；

4)选取震中周围震前7天TEC作为样本数据，对新加入样本数据中的异常数据进行剔除，并利用相邻正常数据内插替换该处异常数据；

5)利用建立的短期预测模型预测得到震前电离层参考背景值P；

6)计算探测上下限值L＝P±Δ；

7)观测值与限值作差得到异常探测结果，超出此范围即为异常扰动。

进一步，步骤1)中确定不受太阳和地磁异常活动影响的28天的具体方法为：依据KP指数，当KP<3时即可确定为28天中的一天；GPS TEC数据的位置为震中或者震中附近GIM格网点。

进一步，步骤3)中所占百分比在95.5％以上的残差值指的是相对百分误差绝对值的平均值MAPE，其用来衡量一个模型预测结果的好坏，计算公式如下：

其中，n是样本量，y是实际值，y*是预测值。

进一步，步骤4)中对新加入样本数据中的异常数据进行剔除的具体方法为：依据KP指数选取异常TEC数据，当KP＞3时，认为数据异常。

本发明具有以下有益技术效果：

本申请的方法预测背景值的精度要明显优于传统的四分位距法和滑动时窗法，特别是传统方法的预测结果存在较大系统偏差，该缺陷将会对后续电离层异常探测造成重要影响。此外，针对传统方法在确定上下限值方面存在缺陷的问题，本方法给出了一种较为合理的限值确定策略，由此利用高精度的背景值和合理的上下限值所探测出异常结果和得出的结论则更加合理。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1所示，本发明提供了一种基于指数平滑法的震前电离层TEC异常探测方法，所述方法包括如下步骤：

1)选震前第15至第60天中不受太阳和地磁异常活动影响的28天GPS TEC数据；

2)基于步骤1)中所选28天中的前20天数据，利用指数平滑方法建立时序GPS TEC短期预测模型；

3)利用步骤2)中建立的短期预测模型预测后8天的参考背景值，将8天的参考背景值与真实观测值作差，统计得到所占百分比在95.5％以上的残差值，以此不受扰动正常期参考背景值的残差值Δ作为上下限值；