陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081)

第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)*

陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081)

2009年12月，國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)(IAGA)發(fā)布了第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF-11)。第11代IGRF包括1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個(gè)地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型，其中1900.0—1995.0年代模型的階次為N=M=10，相應(yīng)球諧系數(shù)的精度為1 nT;2000.0—2010.0年代模型的階次為N=M=13，其球諧系數(shù)的精度為0.1 nT;而2010.0—2015.0年代地磁長(zhǎng)期變化預(yù)測(cè)模型的階次為N=M=8，其球諧系數(shù)的精度為0.1 nT。本文概述了第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型。

地磁場(chǎng);地磁長(zhǎng)期變化;國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)(IAGA);國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF);地磁模型

引言

地磁場(chǎng)是重要的地球物理場(chǎng)。通過(guò)地磁觀測(cè)，可以監(jiān)測(cè)人類賴以生存的地球電磁環(huán)境。由地磁觀測(cè)所產(chǎn)出的地磁基本數(shù)據(jù)、地磁圖及地磁場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，與環(huán)境、采礦、能源等科學(xué)領(lǐng)域和國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)與社會(huì)公益事業(yè)有著十分密切的相關(guān)性，并且在環(huán)境保護(hù)、資源探測(cè)、通信導(dǎo)航、航空航天、地質(zhì)構(gòu)造、地震預(yù)測(cè)、地球深部研究、空間天氣與空間電磁環(huán)境研究等諸多領(lǐng)域都具有廣泛而重要的應(yīng)用。

地磁場(chǎng)是隨時(shí)間和空間而變化的矢量場(chǎng)。地磁場(chǎng)可分為內(nèi)源場(chǎng)、外源場(chǎng)和感應(yīng)場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)占地磁場(chǎng)的主要能量成分，時(shí)間變化緩慢;外源場(chǎng)能量較弱，時(shí)間變化劇烈[1-3]。

地磁圖和地磁模型是描述地磁場(chǎng)的。1965年，Cain等[4]研究了全球地磁資料的高斯分析，得出了全球地磁場(chǎng)模型。后來(lái)，國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)(IAGA)有一個(gè)地磁場(chǎng)模型研究組(Working Group V-MOD)，該研究組從事以5年為間隔的國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)研究，發(fā)布IGRF，至今已有第1—11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)，可供科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用[5]。

本文描述了IGRF的概況、第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型，簡(jiǎn)要討論了IGRF與區(qū)域地磁圖及區(qū)域地磁模型的相關(guān)問(wèn)題。

1 國(guó)際地磁參考場(chǎng)

IGRF是描述全球地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的，而且是國(guó)際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型。它是根據(jù)全球地磁臺(tái)站與野外磁測(cè)的資料、衛(wèi)星磁測(cè)的資料綜合分析而研制的。IGRF是IAGA的重大成果，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用[1-3]。

在IGRF模型中，地磁場(chǎng)的標(biāo)量位用球諧級(jí)數(shù)表示:

在1968年IAGA發(fā)布IGRF模型之后，IAGA給出了每5年的IGRF，迄今已經(jīng)陸續(xù)提出了11代IGRF模型[5]。最新的第11代IGRF模型(IGRF-11)是IAGA于2009年12月發(fā)布的。為了保證IGRF模型的精度，IAGA決定從2000年度開(kāi)始，將IGRF模型的截止階數(shù)由10階(球諧系數(shù)精度為1 nT)擴(kuò)展到13階(球諧系數(shù)精度為0.1 nT)。所以，第10代IGRF模型中包括了1900—2005年(間隔為5年)共23個(gè)磁場(chǎng)模型，其中1900—1995年模型的階次為N=M=10，2000—2005年模型的階次為N=M=13，以及2005—2010年地磁長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型(階次為N=M=8，球諧系數(shù)精度為0.1 nT)[6]。

IGRF是一個(gè)數(shù)值模型，用于計(jì)算1900年至今的時(shí)間內(nèi)在地面或上空的任一地點(diǎn)大尺度內(nèi)源的地磁場(chǎng)。內(nèi)源部分的地磁場(chǎng)幾乎全部來(lái)源于地核，且具有幾年至幾十年時(shí)間尺度的緩慢而明顯的變化。IGRF每5年一版，并盡可能準(zhǔn)確。為保證準(zhǔn)確，從第10代IGRF模型開(kāi)始，IAGA詳細(xì)地評(píng)估了IGRF的磁場(chǎng)模型與地磁長(zhǎng)期變化預(yù)測(cè)模型的候選模型。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，得到了第10代IGRF與第11代IGRF[7-8]。表1為各代IGRF的概況。每一代IGRF由5年間隔的地磁模型系列組成，而該模型分為確定型的或非確定型的。根據(jù)新的地磁資料修正IGRF，得到確定型的IGRF，稱為DGRF。DGRF一旦確定，則在隨后的各代IGRF中將不再修改。而非確定型的模型為IGRF模型。從表1可見(jiàn)，DGRF只從1945.0開(kāi)始編制至今。

表1 第1—11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF-1—IGRF-11)

2 第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF-11)

2.1 概況

2009年5月，IAGA發(fā)布了征集第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF-11)候選模型的通告，要求提供2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0期間長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型(SV)的候選模型。2009年10月，IAGA收到了上述的候選模型，包括2005.0年代DGRF與2010.0年代IGRF各7個(gè)候選模型，分別是由A組(丹麥DTU，法國(guó)IPGP，美國(guó)GSFC-NASA)、B組(美國(guó)NGDC/NOAA，德國(guó)GFZ)、C組(英國(guó)BGS)、D組(俄羅斯IZMIRAN)、E組(法國(guó)EOST，LPGN，IPGP，LATMOS)、F組(法國(guó)IPGP，LPGN，EOST，LATMOS，美國(guó)NGDC/NOAA)、G組(德國(guó)GFZ)提交的。此外，美國(guó)GSFC-NASA，UMBC與英國(guó)Liverpool大學(xué)還提交了他們合作的SV模型，因此，一共有8個(gè)SV候選模型。

上述候選模型，2005.0年代DGRF與2010.0年代IGRF模型的階數(shù)N=13，而2010.0—2015.0年代SV模型的階數(shù)N=8。IAGA詳細(xì)地評(píng)估了這些候選模型。根據(jù)評(píng)估結(jié)果，得到了各候選模型的權(quán)重系數(shù)，最后按照各候選模型的加權(quán)平均得到了IGRF-11的2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF以及2010.0—2015.0年代預(yù)測(cè)SV模型[7]。

在IGRF-11中，1900.0—1995.0年代，地磁模型的階數(shù)N=10，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度為1 nT;而2000.0、2005.0與2010.0年代地磁模型的階數(shù)N=13，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度為0.1 nT。這是由于Oersted衛(wèi)星與CHAMP衛(wèi)星提供了相當(dāng)精確的衛(wèi)星磁測(cè)資料。

IGRF-11是國(guó)際地磁參考場(chǎng)的模型系列，包含24個(gè)地磁模型:1900.0—1940.0年代(間隔為5年)的9個(gè)IGRF模型，年代(間隔為5年)的13個(gè)DGRF模型，以及2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代地磁長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型。

2.2 2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)模型

表2給出了IGRF-11的2010.0年代IGRF(IGRF2010，MF)與2010.0—2015.0年代預(yù)測(cè)長(zhǎng)期變化(SV)模型的球諧系數(shù)。從表2可見(jiàn)，2010.0年代IGRF的階數(shù)N=13，而2010.0—2015.0年代預(yù)測(cè)長(zhǎng)期變化模型的階數(shù)N=8，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度都為0.1 nT。

圖1表示2010.0年代偏角D、傾角I與總場(chǎng)F在地球表面的分布。這3個(gè)分量完全確定了矢量地磁場(chǎng)。從圖1a可見(jiàn)，偏角D有3條零等值線:一條是南北走向，通過(guò)美洲;一條位于東亞，穿過(guò)印度尼西亞、澳大利亞西部;另一條穿過(guò)歐洲中部，南至肯尼亞、經(jīng)過(guò)印度向北。而且，從東北非洲至菲律賓的中低緯度地區(qū)，D很小。圖1b顯示，傾角I明顯偏離傾角赤道，在南美處偏南，而且從地理南極至澳大利亞為I的極大。此外，南非西部呈現(xiàn)舌狀的I的高值區(qū)。圖1c為2010.0年代總場(chǎng)F的分布，其最大值出現(xiàn)在北半球的西伯利亞與南半球南太平洋與澳大利亞南邊的南極洲。而最為明顯的特征是以巴西南部與巴拉圭為中心的F低強(qiáng)度的磁異常，通常稱之為南大西洋磁異常，而且它是近地電磁環(huán)境受空間天氣影響的重要因素。

上述這些地磁分布特征已在以前的地磁模型中熟知，而且已存在至少幾百年，至今的圖像只是緩慢的變化。圖2表示在2010—2015年間D、I與F的平均年變率(SV)的預(yù)測(cè)。在太平洋半球中，D的預(yù)測(cè)變化是小的，且與大西洋半球地磁場(chǎng)緩慢的西向漂移是一致的。I的變化預(yù)計(jì)在低緯最大，最大的負(fù)變化出現(xiàn)在巴西的東北部附近;而最大

的正變化預(yù)計(jì)在印度南部附近。F的預(yù)測(cè)變化，其最大下降預(yù)計(jì)在北美的東南部與南美的西南部。后者包含南大西洋磁異常持續(xù)西向運(yùn)動(dòng)。F的最大上升預(yù)計(jì)發(fā)生在大西洋的赤道地帶、印度洋南部(非洲東南部)以及包括伊朗、哈薩克、阿富汗、巴基斯坦與印度在內(nèi)的地區(qū)。

表2 (MF)與長(zhǎng)期變化模型(SV)的球諧函數(shù)(g，h)

續(xù)表2

2.3 相關(guān)網(wǎng)址

為便于查詢，列出了如下的相關(guān)網(wǎng)址:有關(guān)IGRF的信息:http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html;

IGRF-11的系數(shù):http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf11coeffs.txt;

由IGRF-11模型計(jì)算的地磁分量:http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/IGRFWMM.jsp;

世界資料中心(WDC)(Boulder，USA):http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomag/wdc/index.html;

WDC(Copenhagen，Denmark):http:∥www.space.dtu.dk/English/Research/Scientific_data_and_models;

WDC(Edinburgh，UK):http:∥www.wdc.bgs.ac.uk/catalog/master.html;

WDC(Kyoto，Japan):http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp;

WDC(Mumbai，India):http:∥iigm.res.in。

3 結(jié)論與討論

國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF)是描述全球地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的，而且是國(guó)際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型。國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)(IAGA)給出了每5年的IGRF，迄今已經(jīng)發(fā)布了11代IGRF模型。最新的第11代國(guó)際地磁參考場(chǎng)(IGRF-11)包含1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個(gè)磁場(chǎng)模型與2010.0—2015.0年代的長(zhǎng)期變化預(yù)測(cè)(SV)模型(階次為N=M=8，球諧系數(shù)的精度為0.1 nT)，其中有1900.0—1940.0年代(間隔為5年)的9個(gè)IGRF模型，1945.0—2005.0年代(間隔為5年)的13個(gè)DGRF模型，以及2010.0年代的IGRF模型。1900.0—1995.0年代模型的階次為N=M=10(球諧系數(shù)的精度為1.0 nT)，2000.0—2010.0年代模型的階次為N=M=13(球諧系數(shù)的精度為0.1 nT)。

IGRF是描述全球地磁場(chǎng)的。然而，地磁場(chǎng)具有區(qū)域特征，因此，IGRF模型不能準(zhǔn)確反映地磁場(chǎng)的區(qū)域特征，而需要區(qū)域地磁模型。為此，各國(guó)都開(kāi)展了地磁觀測(cè)，應(yīng)用不同的分析方法，得到了準(zhǔn)確表述各國(guó)區(qū)域的地磁圖與地磁模型[18-21]。我國(guó)學(xué)者分析與研究了中國(guó)地區(qū)的地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化，獲得了中國(guó)地區(qū)的地磁圖與地磁模型[22-29]。分析研究表明，中國(guó)地區(qū)地磁模型優(yōu)于IGRF模型，能夠更好地描述中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)。在我國(guó)，2000年以前是由中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所承擔(dān)中國(guó)地磁圖及其地磁測(cè)量，從1960年至2000年，每10年編制了中國(guó)地磁圖[24-25]。從2001年起，在中國(guó)科技部與中國(guó)地震局的資助下，中國(guó)地震局地球物理研究所承擔(dān)了中國(guó)地磁圖及其地磁測(cè)量[26]，進(jìn)行了地磁三分量(F，D，I)測(cè)量，獲得了準(zhǔn)確可靠的地磁測(cè)量資料，于2005年與2010年分別編制了2005.0年代與2010.0年代的中國(guó)地磁圖[28-29]。因此，從2000年起，每5年編制了中國(guó)地磁圖，與IGRF與各國(guó)區(qū)域的地磁圖每5年編制相一致。

(作者電子信箱，陳斌:champion_chb@126.com)

[1]傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴仲.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京:科學(xué)出版社，1985

[2]Langel R.Themain field.In:Jacobs JA(ed.)，Geomagnetism，Vol.1，London:Academic Press，1987:249-512

[3]徐文耀.地磁學(xué).北京:地震出版社，2003，170

[4]Cain J，Daneils W，Shirley J，et al.An evaluation of the main geomagnetic field 1940—1962.J.Geophys.Res.，1965，70:3647-3674

[5]IAGA，Working Group V-MOD.International Geomagnetic Reference Field:the eleventh generation.Geophys.J.Int.，2010，183:1216-1230

[6]Maus S，Macmillan S，Chernova T，et al.The 10th generation International Geomagnetic Reference Field.Geophys.J.Int.，2005，161:561-565

[7]Maus S，Macmillan S，Lowes F，et al.Evaluation of candidate geomagnetic fieldmodels for the 10th generation of IGRF.Earth Planets Space，2005，57:1173-1181

[8]Finlay C，Maus S，Beggan C，et al.Evaluation of candidate geomagnetic fieldmodels for IGRF-11.Earth Planets Space，2010，62:787-802

[9]Zmuda A.The International Geomagnetic Reference Field:Introduction.Bull.Int.Assoc.Geomag.Aeronomy，1971，28:148-152

[10]IAGA Division 1 Study Group on Geomagnetic Reference Fields.International Geomagnetic Reference Field 1975.J.Geomag.Geoelect.，1975，27:437-439

[11]Peddiie N.International Geomagnetic Reference Field:The third generation.J.Geomag.Geoelect.，1982，34:309-326

[12]Barraclough D.International Geomagnetic Reference Field:The fourth generation.Phys.Earth Planet.Int.，1987:279-292

[13]Langel R，Barraclough D，Kerridge D，et al.Definitive IGRFmodels for 1945，1950，1955，and 1960.J.Geomag.Geoelect.，1988，40:645-702

[14]Langel R.International Geomagnetic Reference Field:The sixth generation.J.Geomag.Geolelct.，1992，44:679-707

[15]Barton C.International Geomagnetic Reference Field:The seventh generation.J.Geomag.Geoelect.，1997，49:123-148

[16]Mandeam，Macmillan S.International Geomagnetic Reference Field—the eighth generation.Earth planets Space，2000，52(12):1119-1124

[17]IAGA Division V，Working Group 8.The 9th Generation International Geomagnetic Reference Field.Geophys.J.Int.，2003，155:1051-1056

[18]Haines G V，Newitt L R.Canadian Geomagnetic Reference Field 1985.J.Geomag.Geoelectr.，1986，38:895-921

[19]Kotem，Haok V.Modeling European magnetic repeat station and survey data by SCHA in search of time-variation anomalies.Phys.Earth Plane.Inter.，2000，122(3-4):205-220

[20]Burdelnay IA，F(xiàn)ilippov SV，Golovkov V P，et al.Regional orthogonalmodels of the geomagnetic field changes over the Far East.Earth Planets Space，1999，51(4):287-296

[21]Ji X，UshikiM，ShiraiA，etal.Modelling of spatial-temporal changes of the geomagnetic field in Japan.Earth Planets Space，2006，58(6):757-763

[22]安振昌.中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)的球冠諧和分析.地球物理學(xué)報(bào)，1993，36(6):753-764

[23]顧左文，安振昌，高金田，等.京津冀地區(qū)地磁場(chǎng)球冠諧分析.地球物理學(xué)報(bào)，2004，47(6):61-66

[24]夏國(guó)輝，鄭雙良，吳莉蘭，等.1980年代中國(guó)地磁正常場(chǎng)圖及其數(shù)學(xué)模式.地球物理學(xué)報(bào)，1988，31(1):82-89

[25]Xu W Y，Xia G H，An Z C，et al.Magnetic survey and China GRF2000.Earth Planets Space，2003，55(4):215-217

[26]Gu Z，Zhan Z，Gao J，et al.Geomagnetic survey and geomagnetic model research in China.Earth Planets Space，2006，58(6):741-750

[27]徐文耀，魏志剛，夏國(guó)輝.2000年中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的區(qū)域特征.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48(3):551-560

[28]顧左文，安振昌，高金田，等.2003.5年中國(guó)及鄰區(qū)地磁場(chǎng)模型的計(jì)算與分析.地震學(xué)報(bào)，2006，28(2):141-149

[29]顧左文，陳斌，高金田，等.應(yīng)用NOC方法研究中國(guó)地區(qū)地磁時(shí)空變化.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(10):2602-2612

International Geomagnetic Reference Field:the eleventh generation

Chen Bin，Gu Zuowen，Di Chuanzhi，Yuan Jiehao，Gao Jintian
(Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China)

The eleventh generation of the International Geomagnetic Reference Field(IGRF-11)was issued in December 2009 by the International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA).IGRF-11 consists of 23 geomagneticmodels for 1900.0—2010.0(at 5 year intervals)and the predictivemodel of geomagnetic secular variation for2010.0—2015.0.For the degree N and orderm of the geomagneticmodels for 1900.0—1995.0，we have N=M=10，the accuracy of the corresponding spherical harmonic coefficients is1 nT;For the models of2000.0—2010.0，N=M=13，and the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.For the degree N and orderm of the predictivemodel of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0，we have N=M=13，the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.This paper presents a brief description of IGRF-11 and its geomagnetic model for 2010.0 and its predictive model of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0.

geomagnetic field;geomagnetic secular variation;International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA);International Geomagnetic Reference Field(IGRF);geomagnetic model

P318.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.006

2011-03-07。

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)《中國(guó)地區(qū)地磁基本場(chǎng)長(zhǎng)期變化非線性結(jié)構(gòu)特征研究》與公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《中國(guó)大陸巖石圈地磁背景場(chǎng)觀測(cè)與研究》聯(lián)合資助。