第11代國際地磁參考場*

陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國地震局地球物理研究所，北京100081)

第11代國際地磁參考場*

陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國地震局地球物理研究所，北京100081)

2009年12月，國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA)發(fā)布了第11代國際地磁參考場(IGRF-11)。第11代IGRF包括1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預測模型，其中1900.0—1995.0年代模型的階次為N=M=10，相應球諧系數(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年代地磁長期變化預測模型的階次為N=M=8，其球諧系數(shù)的精度為0.1 nT。本文概述了第11代國際地磁參考場及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預測模型。

地磁場;地磁長期變化;國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA);國際地磁參考場(IGRF);地磁模型

引言

地磁場是重要的地球物理場。通過地磁觀測，可以監(jiān)測人類賴以生存的地球電磁環(huán)境。由地磁觀測所產出的地磁基本數(shù)據(jù)、地磁圖及地磁場數(shù)學模型，與環(huán)境、采礦、能源等科學領域和國民經濟、國防建設與社會公益事業(yè)有著十分密切的相關性，并且在環(huán)境保護、資源探測、通信導航、航空航天、地質構造、地震預測、地球深部研究、空間天氣與空間電磁環(huán)境研究等諸多領域都具有廣泛而重要的應用。

地磁場是隨時間和空間而變化的矢量場。地磁場可分為內源場、外源場和感應場。內源場占地磁場的主要能量成分，時間變化緩慢;外源場能量較弱，時間變化劇烈[1-3]。

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

本文描述了IGRF的概況、第11代國際地磁參考場及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預測模型，簡要討論了IGRF與區(qū)域地磁圖及區(qū)域地磁模型的相關問題。

1 國際地磁參考場

IGRF是描述全球地磁場及其長期變化的，而且是國際上通用的全球地磁標準模型。它是根據(jù)全球地磁臺站與野外磁測的資料、衛(wèi)星磁測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意義，而且有著廣泛的實際應用[1-3]。

在IGRF模型中，地磁場的標量位用球諧級數(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個磁場模型，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年地磁長期變化的預測模型(階次為N=M=8，球諧系數(shù)精度為0.1 nT)[6]。

IGRF是一個數(shù)值模型，用于計算1900年至今的時間內在地面或上空的任一地點大尺度內源的地磁場。內源部分的地磁場幾乎全部來源于地核，且具有幾年至幾十年時間尺度的緩慢而明顯的變化。IGRF每5年一版，并盡可能準確。為保證準確，從第10代IGRF模型開始，IAGA詳細地評估了IGRF的磁場模型與地磁長期變化預測模型的候選模型。根據(jù)評估結果，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，DGRF只從1945.0開始編制至今。

表1 第1—11代國際地磁參考場(IGRF-1—IGRF-11)

2 第11代國際地磁參考場(IGRF-11)

2.1 概況

2009年5月，IAGA發(fā)布了征集第11代國際地磁參考場(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期間長期變化的預測模型(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個候選模型，分別是由A組(丹麥DTU，法國IPGP，美國GSFC-NASA)、B組(美國NGDC/NOAA，德國GFZ)、C組(英國BGS)、D組(俄羅斯IZMIRAN)、E組(法國EOST，LPGN，IPGP，LATMOS)、F組(法國IPGP，LPGN，EOST，LATMOS，美國NGDC/NOAA)、G組(德國GFZ)提交的。此外，美國GSFC-NASA，UMBC與英國Liverpool大學還提交了他們合作的SV模型，因此，一共有8個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詳細地評估了這些候選模型。根據(jù)評估結果，得到了各候選模型的權重系數(shù)，最后按照各候選模型的加權平均得到了IGRF-11的2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF以及2010.0—2015.0年代預測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)星提供了相當精確的衛(wèi)星磁測資料。

IGRF-11是國際地磁參考場的模型系列，包含24個地磁模型:1900.0—1940.0年代(間隔為5年)的9個IGRF模型，年代(間隔為5年)的13個DGRF模型，以及2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預測模型。

2.2 2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代長期變化的預測模型

表2給出了IGRF-11的2010.0年代IGRF(IGRF2010，MF)與2010.0—2015.0年代預測長期變化(SV)模型的球諧系數(shù)。從表2可見，2010.0年代IGRF的階數(shù)N=13，而2010.0—2015.0年代預測長期變化模型的階數(shù)N=8，相應的球諧系數(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F在地球表面的分布。這3個分量完全確定了矢量地磁場。從圖1a可見，偏角D有3條零等值線:一條是南北走向，通過美洲;一條位于東亞，穿過印度尼西亞、澳大利亞西部;另一條穿過歐洲中部，南至肯尼亞、經過印度向北。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)的預測。在太平洋半球中，D的預測變化是小的，且與大西洋半球地磁場緩慢的西向漂移是一致的。I的變化預計在低緯最大，最大的負變化出現(xiàn)在巴西的東北部附近;而最大

的正變化預計在印度南部附近。F的預測變化，其最大下降預計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)西向運動。F的最大上升預計發(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的地區(qū)。

表2 (MF)與長期變化模型(SV)的球諧函數(shù)(g，h)

續(xù)表2

2.3 相關網址

為便于查詢，列出了如下的相關網址:有關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 結論與討論

國際地磁參考場(IGRF)是描述全球地磁場及其長期變化的，而且是國際上通用的全球地磁標準模型。國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA)給出了每5年的IGRF，迄今已經發(fā)布了11代IGRF模型。最新的第11代國際地磁參考場(IGRF-11)包含1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個磁場模型與2010.0—2015.0年代的長期變化預測(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IGRF模型，1945.0—2005.0年代(間隔為5年)的13個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是描述全球地磁場的。然而，地磁場具有區(qū)域特征，因此，IGRF模型不能準確反映地磁場的區(qū)域特征，而需要區(qū)域地磁模型。為此，各國都開展了地磁觀測，應用不同的分析方法，得到了準確表述各國區(qū)域的地磁圖與地磁模型[18-21]。我國學者分析與研究了中國地區(qū)的地磁場及其長期變化，獲得了中國地區(qū)的地磁圖與地磁模型[22-29]。分析研究表明，中國地區(qū)地磁模型優(yōu)于IGRF模型，能夠更好地描述中國地區(qū)地磁場。在我國，2000年以前是由中國科學院地球物理研究所承擔中國地磁圖及其地磁測量，從1960年至2000年，每10年編制了中國地磁圖[24-25]。從2001年起，在中國科技部與中國地震局的資助下，中國地震局地球物理研究所承擔了中國地磁圖及其地磁測量[26]，進行了地磁三分量(F，D，I)測量，獲得了準確可靠的地磁測量資料，于2005年與2010年分別編制了2005.0年代與2010.0年代的中國地磁圖[28-29]。因此，從2000年起，每5年編制了中國地磁圖，與IGRF與各國區(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)

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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。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務專項《中國地區(qū)地磁基本場長期變化非線性結構特征研究》與公益性行業(yè)科研專項經費項目《中國大陸巖石圈地磁背景場觀測與研究》聯(lián)合資助。