由于在空间和地球之间传输的电磁信号必须通过电离层,卫星导航和通信系统在很大程度上受到电离层扰动的干扰。众所周知,电离层的变化会影响全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）,接收机更易受到破坏性的影响（如相位误差、周跳、多普勒频移、甚至信号失锁）,严重影响精密定位精度。因此,监测电离层扰动异常对于保护人类生存环境和提高精密定位精度具有重要意义。低层大气通过自然灾害和人类活动产生的声波和重力波已成为高层大气可变性的重要来源。这些波的振幅可能会大幅增长,向上传播,然后在高层大气中引起显著的变化。由于电离层扰动受到多种因素的影响,如磁暴和太阳辐射等。根据大气-电离层耦合理论,声重波（AGWs）极可能与一些强烈的气象扰动有关,这些扰动进一步引起一些明显的电离层扰动。许多研究人员已经进行了相关实验,以区分声重波AGW可能与一些强大的气象干扰有关。因此,为了识别电离层扰动变化是否由空间天气影响而产生,应考虑相关地磁和太阳指数以确保探测得到的电离层扰动由特定自然灾害而不是其他事件导致。本文地磁指数选用磁暴环电流指数（Dst）和星际磁情指数（Kp）,太阳活动指数选用太阳风速指数（Vsw）和太阳10.7 cm辐射通量指数（F10.7）。随着空基和地基GNSS的迅速发展,其在电离层应用方面也取得了重大突破。与传统的电离层探测技术,如电离层探空仪、短波（ULF/LF）无线电信号和顶部测深仪相比,GNSS观测监测电离层扰动的观测手段可提供了高时空分辨率、低成本、近实时性和连续性的全球电离层总电子含量（TEC）,进而可对特定的电离层扰动事件进行研究。GNSS信号用于载波相位和伪距的L波段频率有三个（L1、L2和L5）,其主要用于消除电离层对GNSS信号的影响或对电离层中的自由电子进行量化。TEC是GNSS观测的一个重要参数,用于描述了接收机与GNSS卫星间沿视线（LOS）的自由电子数。本文采用载波相位平滑伪距（CCL）方法计算电离层TEC参数。载波相位平滑伪距方法对每个连续弧段进行处理,该方法降低了伪距噪声且利用了载波相位高精度的优点。然而,在电离层扰动波中,选择合适的算法（如信号趋势、噪声等）有效地识别电离层扰动波极不容易。此外,由于电离层变化序列是时间、位置和扰动强度的函数,当前大多去除趋势项的方法存在跳过可探测和/或滤除低频变化的缺点,进而可能无法有效探测电离层扰动。因此,本文提出了一些创新的、前沿的方法来避免常用去趋势方法的缺陷,并采用不同的去趋势扰动分析方法来提高扰动期间可探测性和可靠性。为了研究不同极端天气条件下的电离层扰动变化情况,本文分别选择了中、低纬度地区进行研究。在第三章中,本文利用湖北省连续运行参考站（HBCORS）的GNSS观测数据（采样率为1s）,重点研究了2018年3月2日湖北武汉市强雷暴天气对短期电离层不规则扰动的影响。本文利用多步数值差分（MSND）方法得到了STEC时间序列,研究了中纬度地区电离层对强雷暴的响应。选择30、90和300s三个时间间隔,确定该研究的最佳时间间隔,并对检测到扰动TEC变化与非雷暴天气（DOY 59）情况进行对比。研究结果表明,与扰动事件发生当天相比,电离层d TEC变化并不明显。三颗卫星G06、G17和G28探测到了HB-CORS站的电离层响应。由于卫星快速运动,GPS卫星G28的IPPs路径经过武汉市中心靠近风暴的地方。与其他卫星相比,通过湖北省连续运行参考站网观测到的GPS卫星G28,得到相应的电离层观测量,由这些电离层观测,经过相应的数据平滑算法,得到2018年3月2日湖北武汉市强雷暴天气期间电离层短期的相对变化序列,便可以实现快速准确地探测到存在电离层扰动现象,得到扰动现象的时间和空间分布变化特征。另外,选取两颗GPS卫星G17和G06,使用相同的数据处理方法,得到这两颗卫星的IPPs路径,这些IPPs路径远离武汉中心,受到此次湖北武汉市强雷暴天气活动的影响较小。与闪电时间相关的最长周期是G28卫星,它提供了更多的机会来探测闪电期间和闪电后的电离层扰动。本实验是在考虑了日地空间环境和地磁暴指数的基础上进行的,以确保此次的电离层扰动是由闪电而非其他随机事件引起的,其中可探测到的电离层扰动的测站仅12个。为此,本文另外采用了两种去趋势方法——六阶多项式拟合（PF）和本文提出的一周平均差（AD）方法,以提高扰动期间可探测性和可靠性,并监测了6个CORS站雷暴活动对电离层扰动的影响。结果表明,多步数值差分的性能最低,利用六阶多项式方法进行TEC数据拟合有所提高,且与多步数值差分存在偏差,本文提出的一周平均差AD方法与其他两种方法相比,探测TEC扰动的性能最优。基于上述三种去趋势方法的结果,有必要对更多不同现象的方法进行进一步的研究,为了改进研究各种案例,本文提出一种快速且有效的探测电离层扰动持续时间和频率的算法,该算法将更适用于某些现象和区域,该算法采用单层电离层模型的球谐函数拟合STEC的空间分布。此外,利用HB-CORS的观测结果,分别以0.2×0.4度的经纬度和2小时的时间分辨率计算区域电离层图（RIMs）,研究了TEC扰动的二维空间分布。扰动发生当天,可探测到湖北地区电离层VTEC与前5天的平均值存在差异。本文结合强雷暴期间声波和重力波的发生,对中纬度地区的电离层扰动及其不同台站响应差异的原因进行了分析。从该案例研究中获得的结果有利于进一步了解雷暴对中纬度地区TEC变化的影响程度,并促进对大雷暴TEC响应的其他理论和模拟研究。结果表明,受到雷暴天气影响,各湖北省连续运行参考站距离武汉市中心的距离和方向不同,电离层TEC扰动发生的时间以及扰动传播的速度不同。在湖北北部,发生了电离层正相暴,VTEC值最大增大2 TECU,VTEC最大振幅变化与雷暴影响一致。本文进一步通过雷电电场和声重波对这一发现进行了初步解释。本研究提供了一种在中纬度地区通过STEC序列探测与闪电有关的电离层扰动的稳健方法。在本文的第二部分（即第四章）,笔者利用香港CORS网（HK-CORS）和IGS提供的地基GNSS观测数据对2018年9月的台风Mangkhut进行了研究。首先,采用位于香港的6个GNSS监测站和3个IGS监测站的电离层观测数据。采用Savitzky-Golay平滑滤波器对STEC观测值进行去趋势处理,利用S变换谱分析方法将时域STEC转换到频域进行电离层扰动探测。由于最显著的电离层扰动发生在秋/冬的白天和春/夏的夜间,笔者选择了夜间的GNSS观测数据,以证明电离层扰动可能发生在台风Mangkhut期间。从三个不同的方面对台风期间的电离层扰动进行了研究,例如,一个台站观测的卫星d STEC序列产生的电离层扰动,同一地区其他台站的d STEC序列产生的电离层扰动,以及远离台风的一些IGS站的序列,以验证电离层扰动是否由台风Mangkhut引起。本文的分析结果和一些结论在接下来的部分给出了说明。实验结果表明,台风登陆前一天可引起电离层扰动。STEC结果表明,台风登陆前后距台风中心约1050 km和230 km处有明显的电离层扰动,这与台风的威力有关。台风登陆前的扰动强度约为登陆日的两倍,这与台风的威力有关。与此同时,从香港其他监测站收集到的同一颗卫星观测到的去趋势STEC序列所探测到的扰动几乎是同时发生的。扰动强度在距台风眼约1300 km处达到最大值,然后逐渐减小,台风引起的扰动几乎消失在距离台风中心2100 km以外的地方。区域电离层图RIMs由台风附近的香港CORS网HK-CORS和IGS观测数据建立。在观测日地空间环境和地磁暴指数的基础上,利用RIMS分析了电离层对台风的响应。利用四分位数差法（IQR）、增强平均差法（EAD）和旬差法（RTD）对超强台风Mangkhut期间电离层VTEC最大风速点（最大点）的时间序列进行了探测。本文分析了台风期间电离层最大振幅变化与大气参数变化（如:海平面气压、山竹台风的云团及台风期间的经向风和纬向风）的关系。利用美国国家海洋和大气管理局物理科学实验室（NOAA-PSL）的大气异常图,通过海平面气压、纬向风和经向风的异常图,分析了大气异常对电离层响应的可能影响。同时,从威斯康星大学麦迪逊大学气象卫星研究所的合作机构收集了该时间段台风云的红外卫星快照,以监测台风眼相对于最大风速点的移动。新的发现表明,在山竹台风达到其最大风力的前几个小时,电离层在最大点上发生了显著变化,台风的持续风速在2018年9月13日达到了第二高值（DOY 256）。研究结果最新发现,VTEC的最大变化幅度可能出现在最大风速之前,这可能基于最高风速和次高风速之间的很小差异,约为10 km/h。并且电离层TEC出现正异常,VTEC异常的最大振幅位置与热带气旋雨带或台风边缘重合,而不是在台风中心。这些变化可能是由于台风雨带的雷暴和带电对流云活动造成的全球电路（GEC）的产生。由GEC产生的垂直传导电流从雷暴云向上流向电离层,该区域电子浓度变化剧烈。而台风边缘的海平面气压呈下降趋势,当低气压覆盖区域最大时,电离层VTEC出现扰动的振幅最大。这可能是因为强对流使得台风产生了重力波,进而引起电离层扰动。同时,经向风临界状态的变化与电离层最大扰动均出现在同一天（DOY 256）。因此,综合分析表明,经向风及其产生的声重波可能以某种形式影响上部对流层-电离层的耦合状态,这都是本文首次提出的。本文的第三部分,即第五章,研究了2020年8月4日贝鲁特港口人为爆炸事件,爆炸原因是港口的一个仓库存储了约2750吨硝酸铵（NH4NO3）。众所周知,贝鲁特是黎巴嫩的古都,位于地中海东岸,也被称为中东的巴黎,贝鲁特公民约200万,饱受内战创伤。港口的大爆炸极大地影响了贝鲁特市的社会经济,甚至陷入瘫痪。据专家介绍,贝鲁特港爆炸是历史上最严重的非核人为爆炸之一。利用IGS和土耳其CORS（CORS-TR）观测数据计算爆炸期间的STEC时间序列,以监测可能的电离层对爆炸的响应。最初发生了一次大爆炸,然后是一系列较小的爆炸,且每次爆炸持续约30秒,爆炸的冲击波以超音速传播到贝鲁特市。由硝酸铵爆炸后的化学反应,将蘑菇云送入大气中。采用Savitzky-Golay平滑滤波器对STEC观测值进行去趋势处理,并利用相应的Morlet小波变换将时域到频域转换为频域进行电离层扰动检测。为了验证STEC扰动与空间天气无关,因此对爆炸前、爆炸中和爆炸后的Dst,Vsw,Kp和F10.7指数进行查阅。事件前后空间天气的稳定,表明观测到的TEC序列变化是由硝酸铵爆炸引起的。本文根据STEC时间序列来重点研究了爆炸期间北部地区的电离层响应。本案例研究中,TEC电离层扰动在时间和空间上与贝鲁特爆炸是一致的。由于GPS系统G22卫星的IPPs在贝鲁特爆炸附近,且具有与爆炸时间相关的最长连续弧段,有利于探测到爆炸过程中和爆炸后的电离层扰动。结果表明,电离层对爆炸的响应有两次,第一次到达时间在爆炸后几分钟内,幅度较小,而电离层变化的第二次到达时间在爆炸时间后超过2小时,幅度高于第一次。本研究的发现有利于进一步了解贝鲁特爆炸对电离层变化的影响程度,并促进关于电离层TEC对大爆炸响应的其他理论和建模研究。结果表明,电离层的变化具有不同的强度和不同的到达时间,可以认为爆炸产生的声波和重力波导致了地基GNSS监测站探测到的电离层扰动发生的时间时间存在差异。综上所述,本文对岩石圈-大气层-电离层耦合（LAIC）进行了深入研究。之前的研究主要基于欧洲轨道确定中心（CODE）的全球电离层地图（GIMs）的低空间分辨率（经纬度为2.5×5度）和时间分辨率（30s）的GNSS观测数据,而本文采用了高频（1s）的multi-GNSS数据,以及密集的CORS站来研究电离层和电离层的局部变化,并建立了高分辨率（经纬度为0.2×0.4度）的RIMs。新研究关于雷暴、热带气旋和人为灾害的知识极大地丰富了LAIC理论。在武汉市强雷暴、西北太平洋热带气旋和贝鲁特港爆炸期间,笔者利用IGS和密集CORS观测站的地基GNSS观测数据研究了电离层的响应。该研究促进了对雷暴和热带气旋对电离层扰动的物理机制的了解。为了避免常用的去趋势技术存在以下一个或多个原因的缺点:（1）跳过可检测到的干扰,（2）时间步长与可探测的周期相关,（3）滤除较低频率的变化。本文提出了三种分析和探测电离层变化的去趋势方法。一个用于中纬度地区,另外两个用于低纬度地区。此外,笔者还采用了其他四种常用的去趋势法,并论述了它们的缺点。多种分析算法有助于促进电离层动态机制的研究。空间天气指数的变化表明,电离层条件不是由太阳和地磁活动造成的。论文的各部分也展示了卫星GNSS数据如何有效地对电离层进行监测。选取的中、低纬度地区在不同事件期间,特别是在IGS观测站覆盖较差的地区的研究,将有助于我们更好地理解LAIC的过程。此外,笔者的研究结果极大地促进了对雷暴、台风和巨型地面爆炸对研究区域STEC/VTEC时间变化的影响程度的了解,并有利于TEC对所选事件响应的其他理论和建模研究。最后,针对常规去趋势方法的缺陷,本文提出了一些创新的策略,在此基础上提出了一些创新的方法,极大提高了电离层扰动可探测性和可靠性。本文研究结果有助于更好地理解LAIC耦合效应。