李細順 高登平 李 琪 王 靜 梁 斌 胡秀娟 王利兵 羅 娜 宋 昭

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CM4模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)的對比研究1

李細順1）高登平1）李 琪2）王 靜1）梁 斌3）胡秀娟1）王利兵1）羅 娜1）宋 昭1）

1）河北省地震局紅山基準臺，邢臺054000?2）中國地震局地球物理研究所，北京100081?3）河北省新樂地震臺，新樂050700

本文利用第四代地磁場綜合模型（Comprehensive Model 4，CM4），計算了1982—2002年隆堯地磁臺站的磁層源磁場及其感應(yīng)場、電離層源磁場及其感應(yīng)場的地磁北向分量、東向分量、垂直分量，分析了各場源磁場隨時間的變化特征。磁層源磁場及其感應(yīng)場呈現(xiàn)出11年和27天的周期性變化，有些年的27天周期性變化顯著，有些年則不太顯著；電離層源磁場及其感應(yīng)場具有明顯的季節(jié)變化，不同年相同季節(jié)的變化形態(tài)一致但幅度不同；日變化分析顯示，磁靜日和磁擾日期間的模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)變化一致性較好，相關(guān)性較高。

綜合模型 CM4 地核場 磁層源磁場 電離層源磁場 感應(yīng)場 時均值 相關(guān)系數(shù)

引言

地磁場是指在固體地球內(nèi)部和外部到磁層頂空間范圍內(nèi)所有場源產(chǎn)生的磁場，一般將地磁場分為內(nèi)源場和外源場。國內(nèi)外許多學(xué)者如Wardinski等（2006）、Haines（1985）、Alldredge（1987）、Maus等（2005）、徐文耀（2002；2009）、Lesur等（2008）都對內(nèi)源場進行過詳細的研究。同時，安振昌等（1992）、Hemant等（2005；2007）還針對地殼磁異常場進行了研究。地磁模型能對地磁場時空分布進行較為直觀的表示，20世紀90年代美國國家宇航局戈達德飛行中心（NASA/GSFC）和丹麥空間研究所（DSRI）聯(lián)合開發(fā)了一種地磁場建模的新方法，稱之為綜合建模（Comprehensive Modeling，簡稱CM）（白春華等，2008）?；诰C合建模法Sabaka等（1993）建立了第一代地磁場綜合模型CM1；Langel等（1996）在CM1的基礎(chǔ)上建立了第二代地磁場綜合模型CM2；之后，美國和丹麥空間研究中心的科學(xué)家Sabaka等（2002）又在CM2的基礎(chǔ)上建立了第三代地磁場綜合模型CM3。相對于CM1和CM2而言，CM3主要是進行了高階地殼層場的表示，能在衛(wèi)星上獲取大部分已知的地殼異常場。CM3模型的內(nèi)源場最大截斷階數(shù)為65，時間跨度為1960—1985年，長期變化通過3次B-spline方法的13階表示（馮彥等，2011）。

隨后，Sabaka等（2004）利用衛(wèi)星和臺站數(shù)據(jù)在CM3的基礎(chǔ)上建立了第四代地磁場綜合模型CM4，與CM3相比，CM4采用了更多的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括POGO和CHAMP衛(wèi)星的標量數(shù)據(jù)，以及MAGSAT和Oersted衛(wèi)星的標量和矢量數(shù)據(jù)。CM4模型利用大量高精度的數(shù)據(jù)，通過迭代重加權(quán)最小二乘法進行估算，共求出了25243個系數(shù)。同時CM4將地磁場場源分離得更細，可分為地核場、地殼場、磁層源磁場、感應(yīng)場、電離層源磁場；而且適應(yīng)時間范圍更長為1960—2002年，并進一步降低了數(shù)據(jù)噪聲。CM4模型的1—15階代表地核場，16—65階代表地殼場。

利用CM4模型科學(xué)家進行了諸多研究，如：Maus（2008）利用CM4近年來建立的較為常用的全球地磁模型進行了地磁功率譜的研究；Torta等（2008）基于CM4等模型對每日磁場變化范圍的長期表現(xiàn)進行了研究，結(jié)果顯示CM系列模型缺少對觀察到的每日磁場變化的表示，另外，在CM模型中不同等級的太陽活動必須使用不同等級的F10.7值；Hulot等（2009）利用CM4內(nèi)源場的Mauersberger-Lowes功率譜與其他模型比較，分析了小尺度的地核場長期變化；Olsen等（2009）利用CM4進一步研究了可能存在的磁場外部源場。

本文計算了隆堯地磁臺測點的CM4模型數(shù)據(jù)，分析了磁層和電離層場源磁場以及感應(yīng)場在磁靜日、磁擾日和世界時第19時時均值的日變化特征、季節(jié)變化特征、年變化特征、磁層源磁場及其感應(yīng)場的27天重現(xiàn)性，并研究了模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性，可為臺站利用CM4模型數(shù)據(jù)做進一步的研究提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)處理與計算

1.1 臺站數(shù)據(jù)

本文所用紅山臺地磁七要素的絕對時均值數(shù)據(jù)，均依據(jù)該臺站歷年地磁觀測報告。1984年年初和1985年年初，臺站的絕對觀測儀器曾進行過更換或調(diào)試，造成1983年末和1984年初之間、1984年末和1985年初之間均有一個臺階性差值。為了便于與CM4模型計算結(jié)果進行對比，對臺站數(shù)據(jù)進行了臺階量改正，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個觀測標準。

1.2 模型數(shù)據(jù)

CM4模型使用了1947—2002年期間POGO和CHAMP衛(wèi)星提供的中國大陸地區(qū)地磁標量數(shù)據(jù)（），以及Magsat和Oersted衛(wèi)星提供的中國大陸地區(qū)地磁標量數(shù)據(jù)（）和矢量數(shù)據(jù)（，，），數(shù)據(jù)總數(shù)超過160萬個。CM4所使用的臺站數(shù)據(jù)采用了固定地磁臺站的每月最靜時時均值（OHMs）的兩種不同采樣率數(shù)據(jù)分別為：①1960—1985年間最接近1:00地方時的臺站時均值，表示為OHM_1AM；②在POGO和MAGSAT衛(wèi)星任務(wù)期間，每月磁靜日中以2小時為間隔的臺站時均值，表示為OHM_MUL。

1.3 數(shù)據(jù)計算

在丹麥空間研究所Olsen等（2009）和美國國家航空航天管理局戈達德空間飛行中心Sabaka等（2004）提供的模型計算軟件的基礎(chǔ)上，筆者編寫了計算紅山地磁臺測點的時均值數(shù)據(jù)程序。該程序可通過輸入年月日（格式為yyyymmdd）、經(jīng)度、緯度、磁層場球電流強度指數(shù)（Dst指數(shù)）以及太陽通量指數(shù)（F10.7），計算出上述6種場源的半小時均值、時均值、日均值、月均值和年均值。

2 模型數(shù)據(jù)各場源時間變化分析

2.1 磁層源磁場及其感應(yīng)場變化特征

筆者選取隆堯地磁臺1982—2002年間每日世界時第19時模型數(shù)據(jù)的時均值，繪制了磁層源磁場及其感應(yīng)場和F10.7隨時間的變化曲線，如圖1所示。F10.7是太陽10.7cm波長（2800MHz）射電輻射流量，由位于加拿大英屬哥倫比亞彭帶克頓市的射電天文臺每天17時（UTC）對太陽進行觀測得到，其單位是sfu（太陽輻射通量，1sfu=1×10-22W×m-2×Hz-1）。

圖1為隆堯地磁臺地磁場北向分量、東向分量、垂直分量在1982年1月1日至2002年9月15日期間磁層源磁場及其感應(yīng)場的第19時時均值變化與F10.7隨時間的變化曲線。從時間上看，3個分量呈現(xiàn)顯著的以1年為周期的變化，其中，分量最顯著，分量與分量次之。分量幅度變化最大，分量次之，分量最小。太陽黑子的活動周期大約為11.2年，活躍時會對地球的磁場產(chǎn)生影響，1990年4月三分量磁場均呈現(xiàn)強擾動，11年后的2001年3月三分量也出現(xiàn)了強烈的磁場擾動，存在顯著的11年周期變化，這與太陽活動性指數(shù)F10.7周期性變化是對應(yīng)的。

同時，筆者還選取1997年磁層源磁場及其感應(yīng)場模型數(shù)據(jù)的時均值，以每3小時取平均值，每天生成8個數(shù)據(jù)，全年每3小時時段均值數(shù)據(jù)按27天分段，5個27天段對應(yīng)的時均值迭加平均，用它與相應(yīng)日期的p指數(shù)進行對比，如圖2所示。從圖中可以看出，分量和分量具有明顯的27天太陽自轉(zhuǎn)周變化，即地磁活動的27天重現(xiàn)性，而分量27天周期性變化則不顯著。

2.2 電離層源磁場及其感應(yīng)場變化特征

筆者選取1987年磁靜日期間電離層源磁場及其感應(yīng)場時均值數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖中可以看出，分量、分量、分量呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征，夏季變幅最大，春秋季次之，冬季最小，其變化特征與姚休義等（2012）的研究成果一致，3個分量中分量變幅最大，分量次之，分量最小?？紤]到1989年是太陽活動高年，筆者選取1989年磁靜日期間電離層源磁場及其感應(yīng)場時均值數(shù)據(jù)做圖，如圖4所示。從圖中可以看出，1989年的季節(jié)變化特征與1987年的相似，只是變化幅度要大的多。

2.3 時均值日變化對比分析

筆者抽取1987年5月的模型數(shù)據(jù)和臺站實測數(shù)據(jù)的時均值，在去除了臺站實測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差后，進行了兩種數(shù)據(jù)的對比，如圖5所示。圖中亮藍線代表模型數(shù)據(jù)，黑色散點代表實測數(shù)據(jù)，紅色的亮線表示相同時間內(nèi)的Dst指數(shù)（對比圖形均采用相同的表示方法）。

從圖5可以看出，臺站觀測值與模型預(yù)測值同步變化，變化趨勢一致，幅度基本相同。實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)（，，）差值的RMS為（9.88，10.57，4.20），相關(guān)系數(shù)分量為0.88，分量為0.81，分量為0.83。

為了進一步研究模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)變化的一致性，筆者還選取1982年9月的數(shù)據(jù)進行了分析。9月6日發(fā)生了特大型磁暴，圖6給出了實測值（，，）時均值（黑點）和模型值（，，）（藍線）在9月的變化，在去除了實測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差后，可以看出處在中低緯度的隆堯地磁臺在整個活動較強的月份吻合得也非常好。在發(fā)生特大型磁暴期間，實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)（，，）差值的RMS為（28.02，15.09，9.03），分量變化幅度與Dst指數(shù)變幅均在-200nT～-300nT。臺站實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)在分量為0.90；在分量為0.79；在分量為0.84。

3 結(jié)論

本文研究了地磁場中磁層和電離層場源磁場隨時間的變化。磁層源磁場及其感應(yīng)場分別具有11年和27天的周期性變化。電離層源磁場及其感應(yīng)場呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化，夏季變幅最大，春秋季次之，冬季最小。其中，分量變化最顯著，分量和分量則比較平穩(wěn)。不同年份電離層源磁場及其感應(yīng)場的季節(jié)變化特征相同，但變化幅度不同，太陽活動高年變化幅度大，太陽活動低年變化幅度小。

磁層源磁場及其感應(yīng)場的11年周期變化與太陽活動性指數(shù)F10.7周期性變化相對應(yīng)，是11年太陽活動周影響的結(jié)果；其27天周期變化，是太陽27天自轉(zhuǎn)的影響。電離層源磁場及其感應(yīng)場的季節(jié)變化與太陽的光輻射有關(guān)，夏季光輻射最強，春秋季次之，冬季最弱。太陽活動高年的光輻射強于低年。

選取磁靜日數(shù)據(jù)與磁暴期間數(shù)據(jù)進行時均值對比后發(fā)現(xiàn)，模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)吻合度較高，相關(guān)性較好。

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Comparison of CM4 Model Data and the Measured Data of the Station

Li Xishun1), Gao Dengping1), Li Qi2), Wang Jing1), Liang Bin3), Hu Xiujuan1), Wang Libing1), Luo Na1)and Song Zhao1)

1) Hongshan Magnetic Observatory, Earthquake Administration of Hebei Province, Xingtai 055350, China?2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China?3) Xinle Earthquake Station of Hebei Province, Xinle 050700, China

By use of the newest Comprehensive Model 4, this article calculates, from the year of 1982 to 2002 at Longyao geomagnetic observatory, the core field, crust field, magnetosphere field and its induction field, ionosphere field and its induction field. And the characteristic of each field source changing over time from geomagnetic north component (), geomagnetic east component (), geomagnetic vertical component () is also calculated and analyzed. The annual rate of the core field shows the characteristic of annual change. The value of crust field is constant. Magnetosphere field and its induction field show the characteristic for a long period over 11 years change, in which there is an obvious change for a short time over 27 days in some years while the others are not. Ionosphere field and its induction field show the characteristic of obvious seasonal change and the same one season has the same changing morphology, but the range changes differently. Time mean variation analysis shows the model data from magnetically quiet day, and magnetically disturbed day which are well coincided with test data from the geomagnetic observatory and they are also consistent.

Comprehensive model; CM4; Core field; Magnetic field; Ionosphere field; Induction field; The mean time value; Correlation coefficient

中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項項目DQJB12C07資助。

2015-04-09

李細順，女，生于1976年。2014年畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院地球物理專業(yè)，大學(xué)本科，工程師。主要從事地磁觀測與研究。E-mail：lxs@eq-he.ac.cn