賈富昊, 顧兆峰, 張振波, 周章國(guó), 羅 強(qiáng), 張駿韜, 付永濤

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 5. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071; 6. 中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳518067; 7. 重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所, 重慶 400039)

在海洋磁力測(cè)量中, 地磁日變受太陽(yáng)輻射影響,具有時(shí)效性(每日、每時(shí)變化都不同), 對(duì)地磁日變的校正工作是海洋磁力測(cè)量資料處理中重要的改正項(xiàng)目, 關(guān)系到測(cè)量成果的質(zhì)量和精度[1-4], 若不進(jìn)行校正則無(wú)法得到準(zhǔn)確的因地質(zhì)構(gòu)造或磁性體引起的異常[5]。同時(shí), 地磁日變受太陽(yáng)輻射影響, 具有時(shí)效性,每時(shí)、每日的觀測(cè)結(jié)果都不相同, 日變數(shù)據(jù)的缺失、失真等都會(huì)導(dǎo)致海洋磁力測(cè)量工作的失敗, 造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。因此, 如何消除日變對(duì)海洋磁測(cè)的影響, 一直是海洋磁力測(cè)量中需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。從20 世紀(jì)60 年代至今, 適用于海洋磁力測(cè)量的地磁日變觀測(cè)方法主要包括設(shè)立同緯度陸地日變站[6]、利用錨系系統(tǒng)觀測(cè)[7]、海底地磁日變觀測(cè)技術(shù)[8]、海洋磁力梯度測(cè)量[9]等, 以及各種地磁日變校正的方法[4,10-17]。綜合考慮上述方法的優(yōu)劣[9,18-20],現(xiàn)行的主流做法仍是在靠近海上測(cè)區(qū)的同緯度陸地設(shè)立臺(tái)站進(jìn)行日變觀測(cè)[21-23]。

但在陸地地磁日變觀測(cè)時(shí)需要重點(diǎn)考慮地磁日變具有時(shí)效性的特點(diǎn), 所以海洋磁力測(cè)量對(duì)用于地磁日變觀測(cè)的磁力儀提出了既能長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)部存儲(chǔ)又能在PC 端實(shí)時(shí)成像、報(bào)警的需求, 以便在保證數(shù)據(jù)安全的前提下幫助臺(tái)站人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁擾或磁暴,避免海上無(wú)效作業(yè)。本文介紹的WCZ-3S[24]陸地地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了這一功能, 且在江蘇鹽城和海南三亞的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明其適用于海洋磁力測(cè)量中的地磁日變觀測(cè)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

WCZ-3S 陸地地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)由WCZ-3S 磁力儀主機(jī)、探頭、計(jì)算機(jī)及配套軟件等組成, 是中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所在WCZ-3 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn), 其在基站測(cè)量模式下的測(cè)量精度優(yōu)于0.5 nT, 分辨率可達(dá)0.05 nT。相對(duì)于原型號(hào)在儀器主機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù), 且僅能在很小的顯示器顯示數(shù)據(jù), WCZ-3S 磁力儀的改進(jìn)如下: 磁力儀主機(jī)存儲(chǔ)測(cè)量的地磁總場(chǎng)強(qiáng)度值的同時(shí), 經(jīng)由實(shí)時(shí)傳輸模塊通過(guò)儀器的RS232 端口傳輸?shù)絇C 端, 之后PC 端的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)繪制數(shù)據(jù)曲線圖, 實(shí)現(xiàn)了既能在磁力儀主機(jī)內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)又能在PC 端實(shí)時(shí)成像的功能。

2 WCZ-3S 陸地地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析

2018 年在江蘇鹽城和海南三亞采用WCZ-3S、Sentinel、WCZ-2、WCZ-3(各儀器部分參數(shù)見表1)4 臺(tái)磁力儀同步測(cè)量(江蘇鹽城日變站實(shí)測(cè)49 d, 海南三亞日變站實(shí)測(cè)37 d)。

表1 多型號(hào)磁力儀部分性能參數(shù)Tab. 1 Performance parameters of multi-type magnetometer

2.1 臺(tái)站簡(jiǎn)介

在江蘇鹽城射陽(yáng)縣臨海鎮(zhèn)頭廠村(2018 年7 月至9 月)和海南三亞南濱農(nóng)場(chǎng)(2018 年10 月至12 月)分別設(shè)立臺(tái)站進(jìn)行觀測(cè)。兩臺(tái)站主機(jī)皆設(shè)在遠(yuǎn)離探頭50 m 外的房屋內(nèi), 同時(shí)周邊50 m 范圍內(nèi)無(wú)電線等電磁干擾源, 2 km 范圍內(nèi)無(wú)高壓電、工廠、變電站等強(qiáng)干擾源。使用WCZ-3 磁力儀分別對(duì)兩臺(tái)站進(jìn)行了梯度場(chǎng)的八方位測(cè)量, 測(cè)試結(jié)果顯示兩地梯度變化皆小于1 nT/m, 符合《海洋調(diào)查規(guī)范》[6]的相關(guān)要求。

2.2 測(cè)量精度分析

分別對(duì)WCZ-3S 在江蘇鹽城日變站和海南三亞日變站工作期間的觀測(cè)精度進(jìn)行計(jì)算, 并對(duì)不同磁擾情況下的精度平均值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(表2)?？梢? WCZ-3S在不同磁擾情況下的觀測(cè)精度皆優(yōu)于0.5 nT, 符合國(guó)標(biāo)GB/T12763.8—2007[6]日變校正測(cè)量誤差≤1 nT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。精度計(jì)算公式如下:

其中,δi為第i點(diǎn)經(jīng)過(guò)去除跳變與低通濾波后的觀測(cè)值與原始觀測(cè)值之差;n是觀測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

表2 WCZ-3S 在不同磁擾環(huán)境下的實(shí)測(cè)精度(北京時(shí)間)Tab. 2 Precision of WCZ-3S under different magnetic disturbances (Beijing time)

表2 中對(duì)于磁擾環(huán)境的分類, 區(qū)別于傳統(tǒng)磁靜日、磁擾日的分類方法。海洋磁力測(cè)量中, 地磁日變化分為平靜變化和干擾變化, 大多是規(guī)則的平靜變化疊加一些形態(tài)和幅度不同的擾動(dòng)[25](如灣擾、鉤擾等現(xiàn)象的出現(xiàn)[26-28]), 為了消除地磁日變的影響, 對(duì)不同的日變化應(yīng)采取不同的日變改正方法。以往的做法是認(rèn)定每月5 個(gè)地磁擾動(dòng)最小的日期為一般磁靜日, 但對(duì)于實(shí)際的日變校正工作仍不夠精確。范守志[29]根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn), 對(duì)磁靜日和磁擾日進(jìn)行了更為細(xì)致的劃分(圖1 為從三亞日變站觀測(cè)期間選取的與各個(gè)磁擾類型劃分相對(duì)應(yīng)的日變觀測(cè)曲線)。上文中對(duì)磁擾類型的分類統(tǒng)計(jì)即采用了這一分類方法, 具體標(biāo)準(zhǔn)如下。

平靜型: 沒(méi)有磁擾。太陽(yáng)輻射引起的日變化是平穩(wěn)的。中午時(shí)分有主極大, 相位清楚。

微擾型: 在平靜型上疊加有輕微的干擾成分(幅度在30 nT 以內(nèi)), 中午時(shí)分的主極大仍十分明顯。

磁擾型: 干擾成分較大, 但幅度不超過(guò)60 nT。中午時(shí)分的主極大已消失。

強(qiáng)擾型: 干擾成分幅度更大, 日變曲線有時(shí)快速振動(dòng)呈大的鋸齒狀, 但還不是磁暴。一兩天甚至次日即恢復(fù)正常。

作為對(duì)比, 分別選取江蘇鹽城和海南三亞兩臺(tái)站多型號(hào)磁力儀在地磁平靜日內(nèi)的觀測(cè)精度進(jìn)行了對(duì)比(表3), 結(jié)果證明Sentinel 的觀測(cè)精度最高且最為穩(wěn)定, 為0.1 nT; WCZ-3S 的精度稍次之, 優(yōu)于0.5 nT,但高于WCZ-2 的精度。其中WCZ-3S 質(zhì)子磁力儀利用的是靜態(tài)激發(fā)質(zhì)子在地磁場(chǎng)內(nèi)的拉莫爾進(jìn)動(dòng)效應(yīng)測(cè)量地磁場(chǎng)。而Sentinel 磁力儀為Overhauser 型磁力儀, 是在質(zhì)子磁力儀的基礎(chǔ)上利用射頻磁場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)極化極化, 極化時(shí)可以和進(jìn)動(dòng)信號(hào)的測(cè)量同時(shí)進(jìn)行, 成倍提高了可用信息量和信號(hào)能級(jí), 因此具有更高的精度和采樣頻率[18,30-31]。

圖1 地磁日變類型劃分Fig. 1 Classification of geomagnetic diurnal variation types

表3 多型號(hào)磁力儀平靜日測(cè)量精度對(duì)比(北京時(shí)間)Tab. 3 Comparison of the measurement precisions of multiple models of magnetometers on quiet days (Beijing time)

2.3 多型號(hào)磁力儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 的相關(guān)性系數(shù)分別為0.998 1、0.996 0, 數(shù)據(jù)相關(guān)性較好。且三臺(tái)儀器所測(cè)曲線相位一致, 幅值差小于5%, 雖然存在一恒定常數(shù)差, 但消除常數(shù)差后所測(cè)曲線吻合。

在兩個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)期間地磁微擾出現(xiàn)的天數(shù)最多, 為最常見的地磁環(huán)境; 磁暴引起的地磁擾動(dòng)最大, 但出現(xiàn)的次數(shù)少, 受太陽(yáng)耀斑活動(dòng)影響[28], 是一種極端的地磁環(huán)境。為評(píng)價(jià)WCZ-3S 的穩(wěn)定性,以11 月13 日(微擾日)和11 月5 日(磁暴日)的觀測(cè)結(jié)果為例, 對(duì)WCZ-3S 與其他型號(hào)磁力儀在微擾日和磁暴日這兩種地磁環(huán)境下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.3.1 微擾時(shí)的對(duì)比

三亞日變站 11 月 13 日(微擾日)WCZ-3S、Sentinel 和WCZ-2 的觀測(cè)精度分別為0.1 nT、0.09 nT和0.24 nT。對(duì)3 臺(tái)儀器采集的地磁日變數(shù)據(jù)曲線中同步變化的局部極值段進(jìn)行對(duì)比, 如圖2 所示, 3 條曲線的局部極值出現(xiàn)時(shí)間相同、相位一致, 曲線變化的幅值相同。此外, WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 所測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.998 7 和0.996 9, 但是Sentinel 測(cè)得的曲線與WCZ-3S、WCZ-2 測(cè)得的曲線間存在著分別為10 nT 和12 nT 的常數(shù)差(3 條曲線消除常數(shù)差后吻合)。

圖2 三亞日變站2018 年11 月13 日地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線Fig. 2 The geomagnetic diurnal variation curve at Sanya observatory on November 13, 2018

2.3.2 磁暴時(shí)的對(duì)比

在海洋磁力測(cè)量期間, 磁暴發(fā)生時(shí), 將無(wú)法進(jìn)行有效的日變校正, 為避免無(wú)效作業(yè), 應(yīng)及時(shí)中止海上磁測(cè)作業(yè)。在磁暴期間, 地磁場(chǎng)的變化特征最明顯的為水平分量H, 目前作為磁暴判別標(biāo)準(zhǔn)的重要參數(shù)。同時(shí), 由于水平分量在地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的構(gòu)成中占有極大比重, 所以總場(chǎng)的變化與H分量的變化在相位、幅值上是高度相關(guān)的, 如圖3 所示即為11 月5 日磁暴發(fā)生時(shí)中國(guó)科學(xué)院三亞地磁臺(tái)水平分量與總場(chǎng)強(qiáng)度變化的對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)-地球物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心), 二者具有高度相關(guān)性。因此,盡管WCZ-3S 磁力儀無(wú)法測(cè)量水平分量, 但其所測(cè)總場(chǎng)強(qiáng)度的變化仍可作為磁暴發(fā)生時(shí)的重要參考, 當(dāng)磁暴發(fā)生時(shí), 可在PC 端屏幕上快速識(shí)別出磁測(cè)曲線有較大的幅度變化(一般為幾十或幾百nT), 此時(shí)可初步判斷為“疑似磁暴發(fā)生”, 進(jìn)而參考磁暴預(yù)警(根據(jù)國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心編制的《空間天氣預(yù)警級(jí)別、預(yù)警符號(hào)及效應(yīng)分類》,Kp指數(shù)(全球三小時(shí)磁情指數(shù))等于或大于5 時(shí), 視為磁暴[32]), 即可最終確認(rèn)為磁暴。

11 月5 日磁暴事件中WCZ-3S、Sentinel 和WCZ-2的精度分別為0.27 nT、0.2 nT 和0.37 nT; 3 臺(tái)儀器在磁暴發(fā)生時(shí)的記錄曲線相位一致(圖3); 雖然Sentinel測(cè)得的曲線與WCZ-3S、WCZ-2 測(cè)得的曲線間存在著常數(shù)差, 但消除常數(shù)差后吻合; 經(jīng)計(jì)算, WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 所測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.996 2和0.996 8, 顯示出WCZ-3S 與Sentinel、WCZ-2 在磁暴發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)變化的一致性。

圖3 2018 年11 月5 日, 磁暴期間各觀測(cè)曲線對(duì)比Fig. 3 Comparison of the observed curves during a magnetic storm on November 5, 2018

此外, 臺(tái)站人員利用WCZ-3S還成功識(shí)別了另外兩次分別發(fā)生于2018 年8 月26 日和11 月9 日的磁暴事件, 并向海上作業(yè)人員發(fā)出了磁暴預(yù)警。以8 月26 日磁暴為例, 如圖4 所示, 日變曲線首先在高于暴前值的水平上起伏變化, 可識(shí)別為初相; 之后, 曲線開始下降的階段可判斷為主相; 最后開始緩慢上升,并恢復(fù)至平靜狀態(tài), 為恢復(fù)相[33]。

圖4 2018 年8 月26 日磁暴發(fā)生后48 小時(shí)內(nèi)WCZ-3S 記錄曲線Fig. 4 The recorded curve of WCZ-3S within 48 hours after the occurrence of the geomagnetic storm on August 26, 2018

3 討論

如前所述, 在海洋磁力測(cè)量中最大的誤差項(xiàng)是地磁日變改正的誤差。由于地磁日變是受太陽(yáng)輻射電離層引起的, 而且受太陽(yáng)耀斑活動(dòng)的影響, 每一天、每一時(shí)刻的變化都無(wú)法預(yù)估和擬合或反推, 即丟失的數(shù)據(jù)難以得到恢復(fù)。因此地磁日變具有極強(qiáng)的時(shí)效性, 日變數(shù)據(jù)的缺失、失真等都會(huì)導(dǎo)致海洋磁力測(cè)量工作的失敗。

因此, 人們開始嘗試一種無(wú)需進(jìn)行額外日變校正的新思路——海洋磁力梯度測(cè)量。但在海洋磁力梯度測(cè)量中, 船只及磁力儀探頭易受水流、風(fēng)向、波浪等因素的影響, 測(cè)量路徑實(shí)際上無(wú)法嚴(yán)格地保持是一條直線(即無(wú)法實(shí)現(xiàn)理論上對(duì)日變影響的完全抵消), 并且船載GPS 對(duì)探頭定位的不同步以及船磁的影響等都會(huì)影響日變校正的準(zhǔn)確性[9-10]。

對(duì)于海底地磁日變觀測(cè), 淺海獲得的日變觀測(cè)數(shù)據(jù)雖優(yōu)于深海, 但易受過(guò)往船只及漁船作業(yè)的影響, 同時(shí)近岸的導(dǎo)電海水流動(dòng)導(dǎo)致的地磁場(chǎng)變化也會(huì)對(duì)日變觀測(cè)產(chǎn)生影響[34]; 深海測(cè)量時(shí), 海水層的衰減作用則會(huì)變得明顯, 導(dǎo)致日變數(shù)據(jù)的失真[19-20]。若應(yīng)用系錨技術(shù)進(jìn)行海底觀測(cè), 磁力儀探頭則易受到海流等的影響產(chǎn)生漂移、擺動(dòng), 影響日變觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。此外, 不管是淺、深海日變觀測(cè)還是運(yùn)用系錨的技術(shù)方法皆無(wú)法保證地磁日變觀測(cè)的時(shí)效性,不能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù), 無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)磁暴、儀器故障等問(wèn)題, 可導(dǎo)致日變數(shù)據(jù)的失真、缺失, 甚至造成海洋磁測(cè)工作的失敗。同時(shí), 由于海洋作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性,磁力儀回收的成功率也不能得到有效保障。理想的日變校正方法應(yīng)是在固定浮標(biāo)上記錄地區(qū)磁場(chǎng)值,但因放置和回收儀器困難、場(chǎng)空間變化遠(yuǎn)大于觀測(cè)日變等限制, 現(xiàn)階段并不適用于海洋磁測(cè)中的日變觀測(cè)[35]。

綜上, 在同緯度設(shè)立陸地地磁日變觀測(cè)站仍是可靠的一種日變校正觀測(cè)方法。本文介紹的WCZ-3S地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量精度、功能設(shè)計(jì)(既可內(nèi)部存儲(chǔ)又可在PC 端實(shí)時(shí)成像)等方面, 皆可滿足海洋磁力測(cè)量中對(duì)地磁日變觀測(cè)儀器的需求, 并通過(guò)2018 年江蘇鹽城日變觀測(cè)和海南三亞日變觀測(cè), 對(duì)WCZ-3S 地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量精度、磁暴預(yù)警功能等方面的實(shí)測(cè)分析。在多型號(hào)磁力儀同步測(cè)量的數(shù)據(jù)分析中, WCZ-3S 在基站模式下的實(shí)測(cè)精度為0.2 nT 至0.3 nT, 接近質(zhì)子旋進(jìn)原理磁力儀的精度極限[36-37], 與加拿大GEM 公司的GSM-19T 精度(精度為0.2 nT, 采樣率可達(dá)1/3 Hz, 分辨率為0.01 nT)[38]相當(dāng), 優(yōu)于包括WCZ-2、JHC-856T(精度為0.5 nT)等在內(nèi)的國(guó)內(nèi)同類原理的儀器。同步測(cè)量所用到的Sentinel 基站磁力儀為Overhauser 型磁力儀, 由于應(yīng)用原理的不同, 其實(shí)測(cè)精度優(yōu)于0.2 nT, 采樣率可達(dá)1 Hz, 但無(wú)實(shí)時(shí)傳輸功能。而G-880/ G-882 海洋銫光泵磁力儀、SeaSpy 海洋磁力儀、GSM-90 Overhauser型磁力儀等雖然能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸, 但并不具備內(nèi)部存儲(chǔ)功能[39-41], 數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)更大。

WCZ-3S 既可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部存儲(chǔ)又可在PC 端實(shí)時(shí)成像, 聯(lián)機(jī)后可幫助臺(tái)站工作人員對(duì)探頭的工作狀態(tài)、地磁數(shù)據(jù)的信號(hào)質(zhì)量、地磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)、有無(wú)異常擾動(dòng)或磁暴做到直觀的了解。具有類似功能的還有朱培育等[42]改進(jìn)的視窗版 GSM- 19F 質(zhì)子磁力儀、京核鑫隆公司的JHC- 856T 質(zhì)子磁力儀等。鄒廣等[43-44]則在軟件方面編寫了噪聲檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng),并在新疆地區(qū)臺(tái)站上成功應(yīng)用。相較WCZ-3S 地磁日變觀測(cè)系統(tǒng), 以上三者主要是在原有磁力儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了軟件方面的改進(jìn), 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了磁力儀的實(shí)時(shí)傳輸功能。而WCZ-3S 的軟件與硬件在出廠前即作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì), 具備更好的配套性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

目前, 在海洋磁力測(cè)量中進(jìn)行日變校正的主要做法仍是在靠近海上測(cè)區(qū)的同緯度陸地設(shè)立臺(tái)站開展日變觀測(cè), 同時(shí)地磁日變具有時(shí)效性, 需對(duì)強(qiáng)磁擾、磁暴進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。實(shí)測(cè)表明, WCZ-3S 陸地地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)良好, 并及時(shí)地對(duì)磁暴進(jìn)行了識(shí)別; 在平靜日測(cè)量時(shí)的精度約為0.3 nT, 僅次于Sentinel 基站磁力儀的0.1 nT, 能夠得出準(zhǔn)確穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。因此, WCZ-3S 測(cè)量精度較高、測(cè)量值可靠、能幫助臺(tái)站人員及時(shí)識(shí)別磁暴, 是一種適用于海洋磁力測(cè)量的地磁日變觀測(cè)系統(tǒng)。

致謝: 感謝中國(guó)科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(項(xiàng)目編號(hào): MGE2018KG04)的支持。