电离层是近地空间的重要组成部分,也是探索太空领域的研究重点,对电离层的深入研究有利于对其更好地认识、利用和保护。电离层电子浓度总含量(Total Electron Content,TEC)作为电离层形态和结构的重要参量,其时空分布和变化特点揭示了电离层的基本特征。研究TEC为提高导航定位精度以及地震短临预报提供了数据和理论支持。本文的主要研究内容如下:一、介绍了欧洲定轨中心(The Center for Orbit Determination in Europe,CODE)发布的全球电离层地图(Global Ionosphere Maps,GIM)的内容和格式,并利用该数据研究了太阳活动、地磁活动以及日变化和季节变化对TEC时空分布的影响。研究结果表明:TEC的变化与太阳活动具有一致性;磁暴会使赤道异常范围扩大;日变化和季节变化会引起全球TEC峰值的移动。二、对比分析了经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)对TEC数据的分解效果,并基于EEMD和样本熵(Sample Entropy,SampEn,记作SE)提出了EEMD-SE电离层TEC数据处理模型。该模型可以有效提取TEC数据的扰动项、周期项、随机项和趋势项,为建立更加精确的TEC预测模型提供了合适的数据分解方法。三、针对TEC数据非线性、非平稳的特点以及ARIMA模型在时间序列预测领域的广泛应用,提出了EEMD-SE-ARIMA电离层TEC预测模型,并对模型构建过程以及模型参数和阈值的选择做了详细介绍。利用CODE提供的2017年的TEC数据,分别采用ARIMA模型和EEMD-SE-ARIMA模型对不同季节不同纬度的TEC进行了连续5天的预测,分析预测结果后得出:EEMD-SE-ARIMA模型的预测精度明显优于ARIMA模型,有效地改善了ARIMA模型极值点附近预测精度较差的问题,为电离层的研究与建模以及TEC的短期预测提供了新的途径。四、针对传统电离层TEC异常探测方法计算的参考背景值精度较差的问题,提出了基于EEMD-SE-ARIMA模型的震前TEC异常探测方法,在计算参考背景值时有效避免了系统偏差引起的探测误差。利用此方法对2017年8月8日九寨沟地震和2018年11月30日阿拉斯加地震进行了异常探测,结果表明:九寨沟地震前13天、11天、4天和地震当天孕震区及其周围探测到的TEC异常现象是由孕育地震引起,阿拉斯加地震前10天和2天孕震区及其周围探测到的TEC异常现象是由孕育地震引起,探测到的异常均没有垂直对应于震中,而是分布于孕震区的南部或东部,异常自东向西移动并逐渐向赤道漂移且具有共轭结构。