自从上世纪60年代美国科学家发现大震前震中上空附近电离层存在显著扰动现象以来,有关震前电离层异常的震例研究和统计分析研究就逐渐发展起来,研究表明震前电离层异常现象往往具有短临时间特征,这为地震预报,特别是地震短临预报开辟了一个新的研究和分析思路。但必须要承认,震前电离层异常研究还处于探索和实验阶段,我们对震前电离层异常扰动的形成机理还不清楚,需要继续研究,同时还需要通过更多大量的震例研究和统计分析,对震前电离层异常扰动的时空分布特征加以总结和验证。震前电离层异常研究离不开高精度的电离层观测及解算,尽管目前用于电离层观测的技术手段已相对成熟,但关于电离层解算和反演方法的研究还有很大的改进空间,如GPS TEC解算中的仪器偏差估算问题,电离层层析成像技术中的重建算法问题等,需要继续开展深入研究。震前电离层异常研究还涉及到扰动源分析。众所周知,引发电离层扰动的因素很多,其中最主要的因素是空间天气,除此以外,闪电、雷暴、台风、火山活动、地震活动甚至是人类活动都可能引起电离层显著扰动,然而,目前人们对这些扰动因素的作用机制还不完全了解,对各种因素引起的电离层扰动的时空分布特征还没有定论,这激励着人们不断去探索研究。本文围绕地基电离层观测和解算方法、空间天气（磁暴）影响下的电离层扰动分布特征以及震前电离层异常的时空分布特征开展研究,具体研究内容如下:1)基于虾拉沱地震台的电离层垂测仪观测数据,分析了影响垂测仪观测质量的主要因素,研究表明,电离层Es和扩展F的出现会引起垂测仪观测质量的恶化,此外,垂测仪最终数据结果的可靠性与数据判读经验密切相关,通过可靠的自动化判读程序,辅以人工干预,可以得到可靠的数据结果。2)基于电离层单层模型和球谐函数模型,实现了区域电离层VTEC解算以及接收机仪器偏差的估算。利用陆态网络观测数据对中国区电离层VTEC分布进行了解算,并对解算结果的可靠性进行了分析,发现电离层VTEC分布的解算结果优于0.7TECU,接收机仪器偏差估算结果的精度达到0.8ns左右,证明解算结果具有较高的可靠性。3)研究了电离层三维层析成像的重建算法,提出了一种基于反距离加权的约束迭代重建算法,该算法基于这样一个认识:电离层重建区内任意体元对应的电子密度可以用它相邻体元的电子密度插值得到,本算法采用反距离权重来建立这种内插关系,从而得到重建区的约束方程。利用陆态网络观测数据对指定区域内的电离层进行重建计算,重建过程分别采用了本研究提出的约束重建算法和无约束重建算法,然后将两种重建结果与垂测仪观测结果进行比较,发现新算法的重建结果与垂测仪观测结果符合得更好,从而证明了该算法的有效性和可靠性。4)利用陆态网络连续跟踪站观测数据和CODE的全球电离层VTEC数据,借助本文研究的电离层TEC解算方法和电离层层析成像技术,结合垂测仪的观测结果,考察了2012年3月7—9日和2015年3月17—18日两起大磁暴期间全球及中国区上空电离层的变化情况,分析了磁暴引起的电离层异常扰动的时空分布特征,研究显示,磁暴引起的电离层扰动具有分布区域广、持续时间长、扰动强度大的基本特征,同时,在2015年的磁暴扰动事件研究中还发现了电离层行进扰动,根据电离层物理的相关理论,这种扰动应该是由磁暴期间极区激发的声重力波产生的。5)以2014年2月12日新疆于田M7.3地震、2011年3月11日日本东北M9.0地震和2008年5月12日四川汶川M8.0地震为震例,利用CODE的全球电离层VTEC数据和陆态网络连续跟踪站观测数据,结合地磁指数,考察了这三次地震前电离层的变化情况,调查显示这三次震例均出现震前电离层异常现象,分析异常的时空分布特征,发现异常扰动的分布位置紧邻震中,且异常出现在震前10天内,表明异常与地震具有高度的时空相关性。利用层析成像技术对三个震例的震前电子密度分布进行重建,并考察电离层异常的三维分布结构,发现震前电离层异常主要集中在200—400km高度处,这与磁暴引起的电离层异常的垂直分布特征明显不同。6)选取全球110个震级大于M5.0的地震作为震例样本,利用CODE的全球电离层VTEC数据对样本地震前的电离层变化情况展开了统计调查,探测到有近一半的震例在震前出现了可能与地震有关的电离层扰动,进一步将样本按震级、震源深度和震源机制解进行分类,考察不同分类中的震前电离层异常分布情况,发现震前电离层异常主要有以下分布特征:震级越大,越有可能探测到震前电离层异常现象,且异常更容易出现在震前10天内;震前电离层异常的出现概率或许与震源深度呈负相关变化;逆断层地震发生前出现电离层异常的可能性最大。