陳俊 蔡寅 滕云田 王秀英

1）中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)中央民族大學(xué)南路5號(hào) 100081

2）安徽省蒙城地震臺(tái)，安徽亳州 233527

3）安徽蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，安徽亳州 233527

4）山東省地震局，濟(jì)南 250021

5）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 10008

0 引言

地磁場(chǎng)是地球固有的基本屬性，伴隨著地球形成演化的全過程，成為地球生物圈（包括人類）生存的重要環(huán)境條件（徐文耀，2009）。而在地震孕育的過程中存在磁效應(yīng)變化，故地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)已用于地震預(yù)測(cè)研究（黃雪香等，1999；林云芳，1990），地磁觀測(cè)是地震前兆觀測(cè)的重要手段之一。

經(jīng)過“九五”數(shù)字化建設(shè)、“十五”數(shù)字化改造和“十一五”背景場(chǎng)建設(shè)，國家地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)先后完成各區(qū)域地磁臺(tái)網(wǎng)相對(duì)記錄儀的數(shù)字化升級(jí)改造，同時(shí)完成3個(gè)地磁臺(tái)陣建設(shè)，目前在線運(yùn)行239套分采樣或秒采樣數(shù)字化相對(duì)記錄儀。至今已運(yùn)行十幾年，產(chǎn)出了大量數(shù)據(jù)，但在運(yùn)行過程中，由于校時(shí)不及時(shí)或校時(shí)設(shè)備故障等原因，造成儀器記錄數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間不一致，給數(shù)據(jù)的應(yīng)用造成了一定困擾。

地磁場(chǎng)是一個(gè)大范圍甚至全球相關(guān)性很強(qiáng)的物理量，在觀測(cè)中對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間精度的要求很高，對(duì)地磁脈動(dòng)的研究需要將地磁場(chǎng)在全球的傳播時(shí)間對(duì)比；在地磁暴和地磁亞暴分析特別是急始型磁暴分析中，對(duì)時(shí)間的一致性要求很高；在地震預(yù)測(cè)研究中關(guān)于地磁變化及地磁同震現(xiàn)象（T.Iyemori et al，1996）等研究中，地磁變化出現(xiàn)時(shí)間直接影響研究過程和結(jié)果；此外，數(shù)據(jù)預(yù)處理的自動(dòng)化是未來發(fā)展必然趨勢(shì)，時(shí)間同步性的破壞也將影響對(duì)干擾的判斷，特別是影響范圍大的干擾如高壓直流輸電干擾（陳俊等，2014）。地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中因時(shí)間的精度不夠高，在一定程度上會(huì)影響數(shù)據(jù)的分析利用，干擾其與全球觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)分析，甚至可能對(duì)地震活動(dòng)的預(yù)測(cè)分析造成誤導(dǎo)，因此觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間精度是影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個(gè)重要因素。

在海洋磁力測(cè)量（即在海上進(jìn)行地球磁場(chǎng)測(cè)定）中，常采用經(jīng)度差法、相關(guān)系數(shù)法和同步比對(duì)法計(jì)算觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間與實(shí)際時(shí)間差，進(jìn)行時(shí)差改正，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。經(jīng)度法是目前最常用的方法，優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，只需知道校正點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間測(cè)點(diǎn)的地理經(jīng)度差即可，且在海洋磁力測(cè)量中時(shí)差校正主要應(yīng)用于改進(jìn)日變幅度的測(cè)量，時(shí)差改進(jìn)對(duì)該應(yīng)用影響較小，姚俊杰等（2005）驗(yàn)證了經(jīng)度差法的不完善性，其誤差達(dá)11min，認(rèn)為其精度有待提高。相關(guān)系數(shù)法有助于提高精度，該法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)短距離臺(tái)站間的改進(jìn)效果好，利用秒采樣數(shù)據(jù)的誤差能縮小到10s，同時(shí)指出相關(guān)系數(shù)法受限于臺(tái)間距離的影響；同步比較法是利用日變極值點(diǎn)比對(duì)的方法對(duì)時(shí)差進(jìn)行校正，王磊等（2011）研究認(rèn)為同步對(duì)比法和相關(guān)分析法能反映站間真實(shí)時(shí)差，利用秒數(shù)據(jù)所得結(jié)果的精度在80s內(nèi)，優(yōu)于經(jīng)度法，但仍然受地方時(shí)即經(jīng)度影響。上述方法可以借鑒到我國地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站的時(shí)鐘差檢測(cè)與校正中來，但固定臺(tái)網(wǎng)所覆蓋范圍廣，在方圓數(shù)千千米范圍內(nèi)非均勻分布，受地方時(shí)影響的限制，需要作進(jìn)一步改進(jìn)。

本文根據(jù)地磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)全球同步變化的特性，通過地磁擾動(dòng)區(qū)間內(nèi)把出現(xiàn)數(shù)據(jù)極大值和極小值的時(shí)間分別進(jìn)行比對(duì)的方法，檢查數(shù)據(jù)時(shí)鐘的精度，獲得數(shù)據(jù)時(shí)鐘的校正值，本文將該方法稱為擾動(dòng)區(qū)間極值比對(duì)法，該方法不受地方時(shí)（即經(jīng)緯度）的影響。

1 地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化特征

地磁場(chǎng)包括基本磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)兩部分?；敬艌?chǎng)是主要的，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場(chǎng)。變化磁場(chǎng)包括地磁場(chǎng)的各種短期變化，起源于地球外部，相對(duì)較弱，受太陽的活動(dòng)影響比較大（徐文耀等，2005；岳慶祥等，2004）。地球變化磁場(chǎng)可分為平靜和擾動(dòng)兩大變化類型，其平靜變化保持正常日變形態(tài)的日子稱為磁靜日（圖1，本文數(shù)據(jù)時(shí)間為世界時(shí)即UT），其變化曲線表現(xiàn)呈規(guī)則的日變形態(tài)，其擾動(dòng)變化則打破了正常日變形態(tài)，這時(shí)稱為磁擾日（圖2）。

為對(duì)比考察磁靜日、磁擾日大范圍內(nèi)的變化特征，我們選取了一條經(jīng)度鏈（由北至南為滿洲里MZL、紅山LYH、蒙城MCH、南昌NCH、泉州QZH，最大經(jīng)度差3.8°）和一條緯度鏈（從東向西為紅山LYH、榆林YUL、嘉峪關(guān)JYG、且末QIM、喀什KSH，最大緯度差2.4°），各取5個(gè)臺(tái)站，分別繪制靜日曲線（圖3）和擾日曲線（圖4），其中D為磁偏角，H為地磁場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量，Z為地磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量。從圖中可見，磁靜日中緯度鏈上與經(jīng)度鏈上的臺(tái)站數(shù)據(jù)曲線均呈現(xiàn)規(guī)則的日變形態(tài)。緯度鏈臺(tái)站（圖3（a））D、H、Z變化自東向西存在明顯的地方時(shí)變化，日變幅相當(dāng)；經(jīng)度鏈臺(tái)站（圖3（b））D分量變化無相位差異，自南向北日變幅逐漸增大，H、Z分量隨著緯度由低向高逐漸相位滯后，日變幅相差不大，且各臺(tái)站Z分量形態(tài)差異較大，說明其還受其他因素的較大影響。可見D分量隨經(jīng)度變化存在相位差異，隨緯度存在日變幅不同；H、Z分量相位同時(shí)受到經(jīng)度（地方時(shí)）和緯度差異的影響，除此之外，Z分量受其他因素影響較大。而在磁擾日即磁場(chǎng)存在較大擾動(dòng)情況下，磁擾時(shí)間段（2015年3月25日9：00～21：00）各分量都存在同時(shí)性的擾動(dòng)變化，即該段時(shí)間記錄的數(shù)據(jù)曲線形態(tài)受擾動(dòng)與地方時(shí)的影響較小，不存在相位上的差異，其中H分量表現(xiàn)尤其明顯。

圖1 磁場(chǎng)平靜變化形態(tài)

圖2 磁場(chǎng)擾動(dòng)變化形態(tài)

2 時(shí)鐘差來源分析

全國地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)在線運(yùn)行的記錄儀包含多種型號(hào)，如質(zhì)子旋進(jìn)矢量磁力儀FHD系列、磁通門磁力儀GM系列、Overhauser磁力儀GSM系列等，儀器類型較多，各種儀器采用的授時(shí)方式和途徑存在差別，主要有2種對(duì)時(shí)方式，GM系列采用GPS授時(shí)，F(xiàn)HD系列和GSM系列儀器時(shí)鐘精度較高，理論授時(shí)誤差為1s／月，采用人工授時(shí)。

為了了解時(shí)鐘差的來源，筆者針對(duì)不同授時(shí)方式儀器分別挑選2015年3月25日存在較大時(shí)鐘差的兩套儀器——大武臺(tái)GM4-XL（快5min）和固原臺(tái)FHD-1（慢7min）進(jìn)行分析。通過人工統(tǒng)計(jì)，向前追蹤其時(shí)鐘差變化規(guī)律。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果（圖5）可以看出，大武臺(tái)（DAW）從3月2日開始每隔5～6天儀器時(shí)鐘差變大1min，由此可推測(cè)該鐘差變化應(yīng)為儀器GPS校時(shí)失敗或校時(shí)設(shè)備故障，而儀器自身時(shí)鐘誤差較大造成；固原臺(tái)（GYH）從2月25日～3月26日時(shí)鐘差保持在7min，穩(wěn)定性較好，3月27日9∶00后時(shí)鐘差變?yōu)?min，因?yàn)榻?jīng)過了人工校時(shí)操作，筆者繼續(xù)對(duì)該儀器時(shí)鐘變化向前追溯，在2014年12月26日時(shí)差變?yōu)?min，由此可知FHD系列時(shí)鐘差是因?yàn)閿?shù)月時(shí)間不校時(shí)或人工授時(shí)不準(zhǔn)造成的。

圖3 磁靜日多臺(tái)觀測(cè)曲線形態(tài)（2015-04-25）

圖4 磁擾日多臺(tái)觀測(cè)曲線形態(tài)（2015-3-25）

3 時(shí)鐘精度檢查方法

磁情指數(shù)K是用來描述每3h段（一天分為8個(gè)時(shí)段）的地磁擾動(dòng)強(qiáng)度指數(shù)，表征磁場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度的定量分級(jí)指數(shù)K值越大，表示磁場(chǎng)擾動(dòng)越劇烈，一般當(dāng)K＞3時(shí)，說明存在較強(qiáng)的磁場(chǎng)擾動(dòng)。磁場(chǎng)擾動(dòng)是在大區(qū)域甚至全球范圍內(nèi)同步發(fā)生的，利用該特性，通過比對(duì)大區(qū)域內(nèi)多套儀器或所有儀器的擾動(dòng)開始、結(jié)束時(shí)間或極值時(shí)間，人眼可以很容易發(fā)現(xiàn)記錄數(shù)據(jù)不一致（圖6）。由圖4可看出，H分量的擾動(dòng)是最明顯的。從9∶00～18∶00磁擾數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)中，能很清楚的看出DAW（大武臺(tái)）的數(shù)據(jù)時(shí)鐘超前，另3套儀器（紅山、滿洲里和蒙城）的數(shù)據(jù)完全同步。由此可以推測(cè)，只需比對(duì)全臺(tái)網(wǎng)所有儀器磁擾區(qū)間極值點(diǎn)時(shí)間重合度即可以提取出數(shù)據(jù)時(shí)鐘存在錯(cuò)誤的儀器，并計(jì)算出數(shù)據(jù)時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘差值，即擾動(dòng)區(qū)間極值比對(duì)法（圖7）。

圖5 2015年2月25日～3月31日時(shí)鐘差變化趨勢(shì)

如圖7，假設(shè)MCH和DAW兩臺(tái)站儀器記錄數(shù)據(jù)時(shí)間分別為TMCH（t）和TDAW（t），其中MCH與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間重合，那么臺(tái)站DAW記錄時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的差δt可以由擾動(dòng)區(qū)間的極大值δtmax和極小值δtmin出現(xiàn)的時(shí)刻差異的平均值得到，即

那么，臺(tái)站DAW記錄數(shù)據(jù)時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間差可表示為

由于一套儀器所測(cè)各分量共用同1個(gè)時(shí)鐘，故任一分量數(shù)據(jù)時(shí)鐘錯(cuò)誤即表明所有分量的數(shù)據(jù)時(shí)鐘是錯(cuò)的。據(jù)此可得到時(shí)間準(zhǔn)確性檢查方法的實(shí)現(xiàn)流程（圖8）。

從圖8可知，在該方法中，首先利用K指數(shù)確定擾動(dòng)區(qū)間，確定極值計(jì)算區(qū)間；然后調(diào)用確定區(qū)間的全臺(tái)網(wǎng)地磁數(shù)據(jù)計(jì)算極大值和極小值時(shí)間點(diǎn)；再由極值點(diǎn)時(shí)間重合最多的儀器時(shí)間確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——因臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)有儀器絕大多數(shù)采用GPS校時(shí)，而人工校時(shí)儀器時(shí)鐘數(shù)月穩(wěn)定，故假設(shè)多數(shù)重合時(shí)間點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間點(diǎn)；最后使用各套儀器記錄數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行比對(duì)，從而得到各儀器記錄時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的差。其中極值點(diǎn)的確定和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的計(jì)算是該法的兩個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，具體步驟如下：

圖6 擾動(dòng)期間多臺(tái)站曲線的對(duì)比

圖7 兩臺(tái)站觀測(cè)到的同步擾動(dòng)曲線

（1）數(shù)據(jù)獲取 掃描選擇月K指數(shù)表中所有儀器的K指數(shù)，提取K＞3的3h時(shí)間段，獲得擾動(dòng)起始時(shí)間列表，并拆分為0.5h時(shí)間區(qū)間（［ts，te］）列表tList0，記錄區(qū)間開始時(shí)間ts和結(jié)束時(shí)間te，然后讀取所有儀器H分量對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間的預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)處理 去除單點(diǎn)尖峰，排除單點(diǎn)干擾后，計(jì)算tList0中各時(shí)間區(qū)間中所有儀器的極大時(shí)tmax、極小時(shí)tmin，選擇tmax和tmin為非區(qū)間邊界值的時(shí)間區(qū)間作為統(tǒng)計(jì)時(shí)間區(qū)間，獲得極大時(shí)極小時(shí)列表tList，然后統(tǒng)計(jì)極大、極小時(shí)點(diǎn)重復(fù)率，重復(fù)率最大的極大、極小時(shí)即為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值t。

（3）時(shí)間比對(duì)與校正 由步驟（2）得到了極時(shí)列表tList（所有儀器的極大、極小時(shí)）和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值t，由公式（1）和（2）進(jìn)行所有儀器時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值t的比對(duì)，獲得鐘差δt。

得到δt后，可對(duì)各臺(tái)儀器數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間校正，即把數(shù)據(jù)前后平移，δt＞0時(shí)，數(shù)據(jù)向前平移；δt＜0時(shí)，數(shù)據(jù)向后平移，即可得到時(shí)間準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

圖8 時(shí)鐘準(zhǔn)確性檢查方法流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用國家地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)2015年2月25日～3月31月間的預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行檢驗(yàn)，程序自動(dòng)篩選了3月25日的數(shù)據(jù)——考慮到全臺(tái)網(wǎng)秒采樣儀器與分鐘采樣儀器（約120套）并存的現(xiàn)狀，且均能產(chǎn)出分?jǐn)?shù)據(jù)，故本文研究方法針對(duì)分鐘數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)鐘校正研究，以增強(qiáng)方法的通用性。以1min時(shí)間精度進(jìn)行檢查計(jì)算（表1、圖9），全臺(tái)網(wǎng)總共239套儀器，只有8套儀器判斷錯(cuò)誤，時(shí)間判斷準(zhǔn)確率達(dá)96.65%，且未檢出儀器均只存在1min時(shí)差，即對(duì)時(shí)差大于1min的異常檢出率100%；程序自動(dòng)檢測(cè)出36套儀器存在時(shí)鐘異常，經(jīng)人工核實(shí)，均為異常儀器；在檢出異常儀器中，除了2套時(shí)間差較大之外，檢出時(shí)間差與實(shí)際時(shí)間差最多相差1min，即針對(duì)檢出時(shí)間異常儀器能提供精度達(dá)到2min校正時(shí)間的準(zhǔn)確率為94.44%。

表1 時(shí)間異常自動(dòng)檢出情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論與討論

在地磁場(chǎng)觀測(cè)中，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)鐘精度自動(dòng)檢查而采用的擾動(dòng)區(qū)間極值比對(duì)法，充分利用地磁擾動(dòng)變化的大區(qū)域同步特性，該方法有效避免了地方時(shí)即經(jīng)緯度的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，得到了很好的檢查效果，該方法檢查全國地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)239套儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的時(shí)鐘精度，對(duì)這些儀器中分?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)鐘精度誤差大于1min的儀器檢出率達(dá)100%，且對(duì)94.44%的檢出儀器能提供較準(zhǔn)確的校正時(shí)間，校正誤差不大于2min。證明該方法是實(shí)現(xiàn)地磁臺(tái)網(wǎng)大量?jī)x器時(shí)鐘精度的自動(dòng)監(jiān)控檢查的可靠技術(shù)手段，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)軟件自動(dòng)提醒臺(tái)站員工及時(shí)檢查儀器校時(shí)與設(shè)備狀態(tài)；可為數(shù)據(jù)使用者了解數(shù)據(jù)時(shí)鐘總體狀況提供參考依據(jù)，為擾動(dòng)日期數(shù)據(jù)時(shí)差的校正提供了較大的便利，能有效減輕臺(tái)網(wǎng)管理者和科研工作者數(shù)據(jù)校核和數(shù)據(jù)清理的工作量；特別是在磁暴研究中，該方法可提供很好的鐘差校正數(shù)據(jù)。

圖9 時(shí)間異常儀器自動(dòng)檢查與人工檢查結(jié)果對(duì)比

擾動(dòng)區(qū)間極值比對(duì)法主要針對(duì)我國地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)儀器時(shí)鐘檢查自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，采用本臺(tái)網(wǎng)日常產(chǎn)出的3小時(shí)磁情指數(shù)K作為擾動(dòng)區(qū)間判斷依據(jù)，主要為便于檢查系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。若采用每小時(shí)磁暴環(huán)電流指數(shù)（Dst）判斷擾動(dòng)區(qū)間，將使擾動(dòng)區(qū)間定位更加精確，提高檢查效率，但目前我國暫無Dst指數(shù)產(chǎn)出；如果采用更長(zhǎng)的計(jì)算窗長(zhǎng)，解決大幅度異常時(shí)間的改進(jìn)精度問題，本方法的準(zhǔn)確度將進(jìn)一步提升；該方法有效避開了地方時(shí)影響，但限于擾日數(shù)據(jù)的檢查和校正，靜日數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢查和校正有待進(jìn)一步研究。

致謝本文利用數(shù)據(jù)由國家地磁臺(tái)網(wǎng)中心提供，在此表示感謝；特別感謝匿名審者對(duì)完善本文提供的寶貴意見。