云南地區(qū)觀(guān)測(cè)的舒曼諧振背景變化特征

歐陽(yáng)新艷，張學(xué)民，申旭輝，苗園青

1北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100087

2中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

3航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094

1 引 言

舒曼諧振是發(fā)生在地球和電離層形成的諧振腔內(nèi)的一種電磁共振現(xiàn)象，由全球的閃電活動(dòng)激發(fā)，其諧振頻率由地球的尺寸決定［1］.觀(guān)測(cè)得到的前五階諧振頻率約為7.8、14.1、20.3、26.4Hz和32.5Hz［2］.已有多篇文章報(bào)道在全球各地觀(guān)測(cè)的舒曼諧振參數(shù)的背景變化特征.Sentman等利用在加利福尼亞和澳大利亞西部分別在1989年9月2日至7日以及1990年4月14日至21日期間觀(guān)測(cè)的水平磁場(chǎng)分量得到舒曼諧振的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)兩地觀(guān)測(cè)到的前三階舒曼諧振強(qiáng)度的周日變化剖面存在差異，并表明這一差異是由當(dāng)?shù)仉婋x層D層高度不同造成的［3］.在歐洲中部匈牙利觀(guān)測(cè)的垂直電場(chǎng)分量得到前三階舒曼諧振的頻率和幅度后，發(fā)現(xiàn)各階展示了不同的逐日和季節(jié)變化特征.作者認(rèn)為由于地球－電離層諧振腔的不均勻性以及地磁場(chǎng)的各向異性使得波的衰減發(fā)生變化，其對(duì)各階諧振產(chǎn)生的效應(yīng)不同，因而各階諧振的頻率和幅度的變化特征各不同；逐日和季節(jié)變化特征受到雷暴活動(dòng)區(qū)域的逐日和季節(jié)變化影響［4］.利用位于Spitsbergen、Kola半島、堪察加半島的三個(gè)ELF觀(guān)測(cè)站提供的磁場(chǎng)南北和東西分量，研究第一階舒曼諧振頻率的周日變化，發(fā)現(xiàn)南北分量和東西分量反相變化，兩個(gè)分量都以半日周期為主導(dǎo)，周日變化特征主要受地方時(shí)影響［5］.利用位于以色列Negev觀(guān)測(cè)臺(tái)站4年的水平磁場(chǎng)分量和垂直電場(chǎng)分量研究舒曼諧振前三階幅度、中心頻率和半寬的變化，發(fā)現(xiàn)各分量、各階幅度的周日變化與亞洲、非洲和美洲三大主要閃電活動(dòng)中心相關(guān)；而頻率和半寬的周日變化結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，還需要深入的理論工作來(lái)解釋觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化［6］.由上可知，多地舒曼諧振的觀(guān)測(cè)和研究均表明：舒曼諧振強(qiáng)度和頻率的周日和季節(jié)變化特征主要取決于閃電活動(dòng)的背景變化特征、觀(guān)測(cè)站與閃電中心之間的距離以及地球－電離層諧振腔上邊界（即電離層D層）的高度.

日本科學(xué)家率先將舒曼諧振的研究應(yīng)用到地震研究中.已有研究表明：地震的影響使得高階舒曼諧振幅度增強(qiáng)或頻率發(fā)生偏移［7－9］.考慮到舒曼諧振在地震研究中的應(yīng)用前景，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所自2010年8月起陸續(xù)在云南地區(qū)建立了四個(gè)舒曼諧振臺(tái)站.苗園青等已利用永勝臺(tái)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展云南地區(qū)震前舒曼諧振異常的初步分析［10］.認(rèn)識(shí)云南地區(qū)觀(guān)測(cè)的舒曼諧振的背景變化特征對(duì)于后續(xù)深入開(kāi)展與地震相關(guān)的舒曼諧振異常的研究工作至關(guān)重要.本文將利用云南地區(qū)永勝臺(tái)站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展舒曼諧振背景特征的研究.

2 云南地區(qū)舒曼諧振觀(guān)測(cè)臺(tái)站及數(shù)據(jù)介紹

云南地區(qū)已布設(shè)四個(gè)舒曼諧振臺(tái)，分別位于巧家縣（26.91°N，102.94°E）、通?？h（24.11°N，102.79°E）、永勝縣（26.70°N，100.77°E）和芒市（24.43°N，98.59°E）.觀(guān)測(cè)儀器由3個(gè)長(zhǎng)約1m相互正交的感應(yīng)線(xiàn)圈組成，可同步測(cè)量磁場(chǎng)的南北、東西和垂直分量（BNS、BEW、Bv）.儀器的觀(guān)測(cè)頻率范圍為0.1～29Hz（3dB帶寬），采樣率為100Hz.巧家、通海和永勝臺(tái)自2010年8月開(kāi)始提供連續(xù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，芒市臺(tái)自2011年12月底開(kāi)始連續(xù)觀(guān)測(cè).

考慮到數(shù)據(jù)積累的時(shí)間長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)質(zhì)量，本文擬選用永勝臺(tái)2011年全年的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展舒曼諧振的背景變化特征研究.如圖1展示了利用永勝臺(tái)2011年3月8日磁場(chǎng)南北分量得到的功率譜圖，從圖上可明顯地看到前三階舒曼諧振，分別位于約7.5、14Hz和20Hz.舒曼諧振的功率譜在第一階時(shí)最強(qiáng)，隨著階數(shù)增加呈遞減趨勢(shì).本文將重點(diǎn)分析前三階舒曼諧振功率譜密度和頻率的變化特征，認(rèn)識(shí)其基本變化規(guī)律，以便未來(lái)更好地將舒曼諧振應(yīng)用到地震研究中.

圖1 永勝臺(tái)2011年3月8日磁場(chǎng)南北分量得到的功率譜圖Fig.1 Schumann resonance power spectrum in BNScomponent on March 8，2011at Yongsheng observatory

3 舒曼諧振背景變化特征

3.1 周日變化

3.1.1 數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)介

利用每4096個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（約40s）進(jìn)行傅里葉變換，采用直接法估計(jì)得到一組功率譜，以舒曼諧振前三階頻率的理論值約8Hz、14Hz和20Hz為中心頻率，正負(fù)2Hz查找相應(yīng)范圍內(nèi)最大波峰位置對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)和功率譜密度.如圖2所示為2011年3月8日01時(shí)第42—82秒（即第二組4096數(shù)據(jù)點(diǎn)）得到的功率譜，通過(guò)確定8±2Hz、14±2Hz、20±2Hz范圍內(nèi)三個(gè)波峰的位置，得到前三階舒曼諧振的頻點(diǎn)（如圖所示f1、f2和f3）和對(duì)應(yīng)的功率譜密度.在此基礎(chǔ)上，對(duì)1小時(shí)（360000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）內(nèi)得到的約87個(gè)頻點(diǎn)和功率譜密度進(jìn)行平均，得到前三階頻點(diǎn)和功率譜密度的小時(shí)均值.

圖2 2011年3月8日01時(shí)42—82s功率譜示意圖Fig.2 Power spectrum of Schumann resonance during 01h42—82son March 8，2011

3.1.2 各階舒曼諧振功率譜密度的周日變化

利用2011年二分點(diǎn)和二至點(diǎn)前后各7天共15天的數(shù)據(jù)，通過(guò)3.1.1節(jié)中所述數(shù)據(jù)處理方法，得到前三階舒曼諧振的頻點(diǎn)和功率譜密度，分析舒曼諧振四個(gè)季節(jié)前三階功率譜密度和頻率的周日變化特征.圖3給出了地磁南北分量和東西分量在四個(gè)季節(jié)的前三階舒曼諧振功率譜密度在一天內(nèi)的變化曲線(xiàn).可以看到，在二分和二至點(diǎn)附近，南北分量得到的各階功率譜密度均大于東西分量得到的結(jié)果.同一季節(jié)，各階功率譜密度的變化趨勢(shì)類(lèi)似（圖3b，3c）.舒曼諧振的各階功率譜密度依次為夏至＞秋分＞春分＞冬至.夏秋季節(jié)舒曼諧振的功率譜密度相對(duì)于春冬季節(jié)高出3～10個(gè)單位.

從各季節(jié)展示的舒曼諧振功率譜密度的變化來(lái)看，東西分量在四個(gè)季節(jié)功率譜上有差異，但周日形態(tài)存在共同點(diǎn)，各階舒曼諧振功率譜密度均在17LT（09UT）附近出現(xiàn)極大值.而南北分量得到的各階舒曼諧振功率譜密度的周日變化特征相對(duì)更復(fù)雜.在春分時(shí)，約在16—18LT和22—24LT處各存在一峰值；在夏至?xí)r，兩峰值出現(xiàn)在03—05LT和16—18LT；在秋分時(shí)，最顯著的峰值在16—18LT；而在冬至?xí)r，約在03—05LT、16—17LT和22—24LT有較小的峰值.總體來(lái)看，在03—05LT（19—21UT）、16—18LT（08—10UT）和21—23LT（13—15UT）處出現(xiàn)峰值的概率較大.與全球三大閃電源對(duì)比發(fā)現(xiàn)，美洲、非洲和亞洲源的活躍時(shí)段分別為21∶00UT±1h，15∶00UT±1h和08∶00UT±1h［7，11］.從峰值時(shí)間來(lái)看，東西分量對(duì)于亞洲源的影響最敏感，而南北分量與三大閃電源的活躍時(shí)段存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.相對(duì)云南地區(qū)臺(tái)站而言，三大閃電源的中心主要分布在臺(tái)站的東西方向上，而南北方向磁場(chǎng)分量對(duì)于來(lái)自東西方向的信號(hào)更敏感.這也是南北分量與三大閃電源活躍時(shí)段存在較好對(duì)應(yīng)關(guān)系的原因.而亞洲源距離我們的觀(guān)測(cè)臺(tái)站最近，是三個(gè)閃電源中唯一相對(duì)于觀(guān)測(cè)臺(tái)站，較接近南北方向分布.因而，東西分量受亞洲源影響最大.

3.1.3 各階舒曼諧振頻率的周日變化

圖4與圖3表現(xiàn)方式類(lèi)似，展示了地磁南北和東西分量得到的前三階舒曼諧振頻率的周日變化.頻率的周日變化特征相比功率譜密度的周日變化特征更復(fù)雜.在不同季節(jié)，同一階的舒曼諧振頻率的周日變化趨勢(shì)類(lèi)似.南北分量得到的各階頻率比東西分量要大0.1～0.5Hz.

對(duì)于東西分量，第一階頻率的變化范圍約7.2至8.2Hz；呈現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別位于04—05LT和12—13LT處.第二階頻率的變化范圍在13.5至14.5Hz；呈現(xiàn)三個(gè)峰值，分別位于03—04LT、12—13LT和22—23LT處.第三階頻率的變化范圍為19.5至20.5Hz；存在三個(gè)峰值，與第二階頻率出現(xiàn)峰值的位置類(lèi)似.東西分量得到的各階頻率在一天的變化中以半日周期特征占主導(dǎo).

南北分量第一階頻率的變化范圍約7.6至7.9Hz，在8LT和21LT附近出現(xiàn)較弱的峰值.南北分量第二階頻率的變化范圍約13.8至14.8Hz，同一季節(jié)一天內(nèi)頻率的變化范圍為0.5Hz以?xún)?nèi).在04LT、08LT、13LT和20LT處有4個(gè)較弱的峰值.南北分量第三階頻率在各個(gè)季節(jié)沒(méi)有統(tǒng)一的變化特征.春分時(shí)，一天內(nèi)頻率的變化范圍最小，約0.2Hz以?xún)?nèi).其次是冬至?xí)r，約0.4Hz以?xún)?nèi).夏至和秋分時(shí)，一天內(nèi)頻率的變化范圍較大，約0.7Hz的變化幅度.

諧振頻率的周日變化很可能是由于閃電源與觀(guān)測(cè)站之間距離發(fā)生變化而導(dǎo)致的效應(yīng)［12－13］.在一個(gè)耗散系統(tǒng)中，由于相鄰諧振的功率泄露，使得觀(guān)測(cè)到的最大功率對(duì)應(yīng)的峰值頻率偏離了地球－電離層空腔的本征頻率.對(duì)于地球上固定的觀(guān)測(cè)站而言，它與某閃電源之間的距離是會(huì)隨時(shí)間變化的，功率泄露的總量也會(huì)隨時(shí)間變化，從而使峰值頻率產(chǎn)生隨時(shí)間變化的偏移［13］.

3.2 季節(jié)變化

由圖3和圖4的舒曼諧振前三階功率譜密度和頻率的周日變化特征，已知在夏季和秋季各階的變化強(qiáng)于春季和冬季.這一特點(diǎn)與閃電活動(dòng)以及D層電離在夏秋季節(jié)更強(qiáng)有關(guān).為了更清晰地展示舒曼諧振的季節(jié)變化特征.圖5給出了永勝臺(tái)2011年觀(guān)測(cè)的南北和東西分量第一階頻率和功率譜密度日中值的變化圖.圖5a展示了由南北分量和東西分量得到的第一階諧振頻率，可以看到，頻率變化很??；從一年的頻率日中值曲線(xiàn)圖中發(fā)現(xiàn)，頻率隨季節(jié)的變化特征不明顯.圖5b展示了南北分量和東西分量得到的第一階諧振的功率譜密度，從圖中可看到，功率譜密度日中值的年變化特征呈現(xiàn)半周期正弦波的形態(tài).從1月到7月，功率譜密度呈遞增趨勢(shì)，而從7月至12月，功率譜密度呈遞減特征；全年的變化以7月份為中心，呈對(duì)稱(chēng)分布.

2011年第二階和第三階諧振頻率的日中值變化曲線(xiàn)（本文中未給出圖）表現(xiàn)了與第一階諧振頻率類(lèi)似的特征，在一年的變化中，頻率變化很小，隨季節(jié)的變化特征不清晰.而2011年高階諧振的功率譜密度的日中值變化與第一階諧振的功率譜密度的變化類(lèi)似.在4月至9月，功率譜密度增強(qiáng).而在10月至3月，功率譜密度減小.

由上可知，舒曼諧振各階頻率在各個(gè)季節(jié)的變化都相對(duì)穩(wěn)定.而各階舒曼諧振的功率譜密度在雨季要明顯高于旱季，這一特點(diǎn)與Christian等報(bào)道的閃電活動(dòng)的年周期中［14］，北半球夏季時(shí)的閃電活動(dòng)達(dá)到峰值的變化特征一致.

3.3 頻率偏移

圖6展示了2011年3月前三階舒曼諧振峰值頻率的變化特征，給出了南北和東西分量得到的各階諧振頻率.黑色實(shí)線(xiàn)代表南北分量的結(jié)果，灰色虛線(xiàn)表示東西分量得到的峰值頻率.南北分量和東西分量得到的第一階諧振頻率在7.5Hz附近，兩個(gè)分量的差別很?。ㄒ?jiàn)圖6a）.南北分量得到的第二階和第三階諧振頻率比東西分量得到的相應(yīng)頻率約大0.5Hz（見(jiàn)圖6b，6c）.可以看到，第一階諧振頻率更穩(wěn)定，而隨著階數(shù)增加，南北分量和東西分量得到的諧振頻率發(fā)生偏移.Sentman等利用1985年9月3～60Hz ELF頻段的水平磁場(chǎng)觀(guān)測(cè)，得到一天內(nèi)南北和東西分量提取的特征頻率差異達(dá)到0.5Hz，并認(rèn)為可能是一天內(nèi)磁場(chǎng)的極化方式不同造成的［15］.本文給出了更長(zhǎng)時(shí)間段南北分量和東西分量得到的諧振頻率的結(jié)果，并可看到，隨著階數(shù)增加，偏移量增大.產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因很復(fù)雜，目前我們只能定性地認(rèn)為其與地球－電離層諧振腔的不均勻和地磁場(chǎng)的各向異性等因素相關(guān).

4 討論與結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)2011年云南地區(qū)永勝臺(tái)觀(guān)測(cè)的地磁南北和東西分量開(kāi)展舒曼諧振參數(shù)的分析，提取了舒曼諧振各階頻率和功率譜密度，分析其周日變化、季節(jié)變化和頻率偏移等特征，得到以下認(rèn)識(shí)：測(cè)數(shù)據(jù)得到的結(jié)果一致.

圖5 2011年永勝臺(tái)觀(guān)測(cè)的南北和東西分量得到的第一階諧振頻率和功率譜密度變化圖Fig.5 Frequency and power spectral density of the first Schumann resonance mode both in BNSand BEWcomponents in 2011at Yongsheng observatory

（2）通過(guò)分析分點(diǎn)和至點(diǎn)前后舒曼諧振前三階功率譜密度和頻率的變化，可以知道，舒曼諧振的功率譜密度在夏季和秋季比春季和冬季大，舒曼的諧振頻率同樣在夏秋季比春冬季變化范圍大.這一特征與閃電活動(dòng)和電離層D層的電離在夏秋季更強(qiáng)，以及D層的高度變化等因素相關(guān).另外，通過(guò)2011年永勝臺(tái)站觀(guān)測(cè)的南北和東西分量得到第一階諧振頻率和功率譜密度的日中值在一年中的變化曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)諧振頻率變化量非常小，隨季節(jié)變化特征不明顯.而功率譜密度呈現(xiàn)清晰的季節(jié)變化特點(diǎn)，1月至7月呈逐漸遞增的特點(diǎn)，7月至12月，功率譜密度呈遞減態(tài)勢(shì).此特征與閃電活動(dòng)的季節(jié)變化特征一致，與Sátori等［4］得到的舒曼諧振各階幅度在一年中的變化趨勢(shì)非常吻合.

（3）南北分量和東西分量得到的舒曼第一階諧振頻率較穩(wěn)定，約7.5Hz左右.而隨著階數(shù)增加，兩分量得到的諧振頻率發(fā)生約0.5Hz的偏移.Sentman等［15］也發(fā)現(xiàn)由磁場(chǎng)的南北和東西分量分別得到的諧振頻率的差別達(dá)到0.5Hz.

圖6 2011年3月前三階舒曼諧振峰值頻率的變化Fig.6 Peak frequency at the lowest three Schumann resonance modes in March 2011

通過(guò)本文的工作，我們已對(duì)云南地區(qū)觀(guān)測(cè)的舒曼諧振各階頻率和功率譜密度的變化有了初步認(rèn)識(shí).隨著數(shù)據(jù)不斷積累，有必要開(kāi)展更長(zhǎng)時(shí)段的背景特征分析.后續(xù)也將考慮對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，進(jìn)而可利用云南地區(qū)多臺(tái)站的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到舒曼諧振更穩(wěn)定的變化特征.同時(shí)，還有待開(kāi)展深入的研究，認(rèn)識(shí)產(chǎn)生舒曼諧振背景變化的原因.

致 謝 非常感謝北京大學(xué)肖佐教授、張東和副教授和郝永強(qiáng)副教授在確定數(shù)據(jù)處理方法和結(jié)果分析方面給予的有益討論，非常感謝哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）喬曉林教授和于海雁副教授在研制舒曼諧振觀(guān)測(cè)儀器方面的合作.

（

）

［1］ Schumann W.über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel die von einer Luftschicht und einer Ionosph?renhülle umgeben ist.ZeitschriftNaturforschung TeilA，1952，7：149.

［2］ Balser M，Wagner C.Observations of Earth－ionosphere cavity resonances.Nature，1960，188（4751）：638－641.

［3］ Sentman D D，F(xiàn)raser B J.Simultaneous observations of Schumann resonances in California and Australia：Evidence for intensity modulation by the local height of the D region.J.Geophys.Res.，1991，96（A9）：15973－15984.

［4］ Sátori G，Zieger B.Spectral characteristics of Schumann resonances observed in Central Europe.J.Geophys.Res.，1996，101（D23）：29663－29669.

［5］ Roldugin V C，Maltsev Y P，Vasiljev A N，et al.Diurnal variations of Schumann resonance frequency in NS and EW magnetic components.J.Geophys.Res.，2004，109（A8）：A08304.

［6］ Price C，Melnikov A.Diurnal，seasonal and inter－annual variations in the Schumann resonance parameters.Journalof AtmosphericandSolar－TerrestrialPhysics，2004，66（13－14）：1179－1185.

［7］ Hayakawa M，Nickolaenko A P，Sekiguchi M，et al.Anomalous ELF phenomena in the Schumann resonance band as observed at Moshiri（Japan）in possible association with an earthquake in Taiwan.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，2008，8（6）：1309－1316.

［8］ Hayakawa M，Ohta K，Nickolaenko A P，et al.Anomalous effect in Schumann resonance phenomena observed in Japan，possibly associated with the Chi－chi earthquake in Taiwan.AnnalesGeophysicae，2005，23（4）：1335－1346.

［9］ Ohta K，Watanabe N，Hayakawa M.Survey of anomalous Schumann resonance phenomena observed in Japan，in possible association with earthquakes in Taiwan.Physicsand ChemistryoftheEarth，PartsA／B／C，2006，31（4－9）：397－402.

［10］ 苗園青，張學(xué)民，申旭輝等.云南地區(qū)震前舒曼諧振異常初步分析.中國(guó)地震，2011，27（3）：290－299.

Miao Y Q，Zhang X M，Shen X H，et al.Initial results on anomalous Schumann resonance before earthquakes in Yunnan.EarthquakeResearchinChina（in Chinese），2011，27（3）：290－299.

［11］ Nickolaenko A P，Hayakawa M.Resonances in the Earth－Ionosphere Cavity.Dordrecht：Kluwer Academic Pub.，2002.

［12］ Nickolaenko A P，Rabinowicz L M.Study of the annual changes of global lightning distribution and frequency variations of the first Schumann resonance mode.Journalof AtmosphericandTerrestrialPhysics，1995，57（11）：1345－1348.

［13］ Sentman D D.Schumann Resonances，Handbook of Atmospheric Electrodynamics，Vol.1.Boca Raton：CRC Press，1995：267－298.

［14］ Christian H J，Blakeslee R J，Boccippio D J，et al.Global frequency and distribution of lightning as observed from space by the Optical Transient Detector.J.Geophys.Res.，2003，108（D1）：ACL4－1－ACL4－15.

［15］ Sentman D D.Magnetic elliptical polarization of Schumann resonances.RadioSci.，1987，22（4）：595－606.

［16］ Schlegel K，F(xiàn)üllekrug M.Diurnal harmonics in Schumann resonance parameters observed on both hemispheres.Geophys.Res.Lett.，2000，27（17）：2805－2808.