北京地磁場變化特征分析

張秀玲 范曉勇 周江林

（中國北京100095中國地震局地球物理研究所北京國家地球觀象臺）

北京地磁場變化特征分析

張秀玲 范曉勇 周江林

（中國北京100095中國地震局地球物理研究所北京國家地球觀象臺）

根據(jù)北京國家地球觀象臺北京地震臺1987—2013年地磁觀測資料，分析該臺地磁場長期變化和短期變化，認(rèn)為北京地磁場長期變化具有緩慢上升、緩慢下降和逐漸恢復(fù)上升的形態(tài)，短期變化受太陽黑子活動強(qiáng)度影響，對了解北京地區(qū)地磁場變化特征具有一定意義。

地磁場；長期變化；短期變化；太陽黑子；日變幅

0 引言

地磁場由不同起源、不同變化規(guī)律的磁場成分疊加而成。地球的基本磁場是指，起源于地核或核幔邊界電流體系的磁場。基本磁場并非固定不變，而是隨時間緩慢變化，即為基本磁場的長期變化 （倪永生，1990）。地磁場有很小一部分來自地球外部空間，隨時間變化，且與太陽活動密切相關(guān)，是地球的變化磁場。研究地磁場的長期變化就是研究內(nèi)源場，即各種地磁要素多年變化，只有研究并充分認(rèn)識其規(guī)律，才能正確提取異常場。國內(nèi)外對地磁場長期變化規(guī)律作了大量研究，王亶文（2005）研究了地球偶極磁場短期和長期變化規(guī)律，孫旭麗（2003）、羅玉芬（2005）分別對長春和廣州地磁場變化特征進(jìn)行分析和總結(jié)，王新剛（2008）和張小濤（2008）對新疆和河北地磁場變化特征做分析和總結(jié)；趙德軍（2012）分析了太陽靜日變化的特征分析。

本文對北京地震臺地磁場長期變化和短期變化進(jìn)行分析，了解該地區(qū)地磁場變化活動規(guī)律及特征，為地震預(yù)報提供有用資料。

1 資料選取

北京地震臺位于北京市西北郊白家疃村村東，海拔 69.0 m，臺基巖性為洪積礫石層。根據(jù)臺站院內(nèi)北部鉆探查明，奧陶紀(jì)灰?guī)r埋藏于54 m以下，上部為沙土、砂礫、卵石分層覆蓋，地下水位約40 m。北京地震臺地磁觀測手段于1952年選址、興建，1957年7月1日投入觀測，至今保持了連續(xù)50多年可靠記錄。北京地磁臺被列入全球地磁數(shù)據(jù)交換臺站之一，為國內(nèi)外地震預(yù)報研究提供連續(xù)可靠的地磁觀測數(shù)據(jù)。

選取1987—2013年北京地磁的觀測報告，選用地磁場總強(qiáng)度（F）和垂直分量（Z）的年均值，并計算年變率，分析北京地磁場的長期變化。在太陽活動周內(nèi)，選用太陽活動高年和低年，利用水平分量（H）的日變幅進(jìn)行短周期變化統(tǒng)計和分析。

2 地磁場長期變化分析

在地磁臺，利用相鄰兩年的年均值差可求出兩年內(nèi)年變率，或者利用某兩年的年均值差除以二者相隔年數(shù)，可以求出這幾年的平均年變率。地磁場的長期變化即基本磁場隨時間的緩慢變化，對北京地區(qū)地磁場長期變化，主要從地磁總強(qiáng)度（F）和垂直分量（Z）的年均值及年變率進(jìn)行分析。

2.1 地磁總強(qiáng)度（F）

1987—2013年北京地磁場總強(qiáng)度和垂直強(qiáng)度的年均值數(shù)據(jù)是全年地磁觀測數(shù)據(jù)計算所得。采用北京地震臺總強(qiáng)度年均值和年變率，繪制1987—2013年磁場總強(qiáng)度和年變率變化曲線（圖1），分析其變化趨勢。

圖1 1987—2013年北京地磁場總強(qiáng)度年均值及年變率（a）年均值；（b）年變率Fig.1 Annual values and annual rang of total intensity of geomagnetic feld in Beijing in 1987-2007

從圖1可見，北京地磁場總強(qiáng)度（F）變化分為3個階段：①1987—2000年為上升階段，北京地磁臺F值從1987年的54 927.4 nT增大為2000年的55 104.6 nT，增大177.2 nT，平均年變率為13.63 nT/a。1992年的年變率最大，為40.5 nT/a，以后F值逐年增加，1993—1996年增加138.4 nT，年變率為34.6 nT/a；②2000—2006年為下降階段，2000年F年均值為55 104 nT，2006年為55 140.4 nT，年變率均值為-10.86 nT/a；③2007—2013年為上升階段，F(xiàn)年均值和年變率逐漸增加，年均值增加115.6 nT，平均年變率增加19.27 nT。

1987—2013年北京地震臺地磁場總強(qiáng)度（F）共增加329.9 nT，年變率為12.69 nT/a。北京地磁場具有緩慢上升、緩慢下降和逐漸恢復(fù)上升趨勢，與長春地磁臺地磁場以波峰、波谷波浪式的緩慢遞增和遞減趨勢（孫旭麗，2013）一致。

2.2 地磁垂直分量（Z）分析

繪制1987—2013年北京地磁場垂直分量（Z）年均值和年變率變化曲線（圖2），分析垂直分量（Z）的變化趨勢。

由圖2可見：①1987—1999年為上升階段。Z值年均值從1987年的46 365.2 nT增至1999年的46 869.9 nT，增加504.7 nT，平均年變率為42.06 nT/a，其中1993年Z值年變率增加最多，為56.6 nT/a，1991年前后年變率變化雜亂，無規(guī)律，2000年前后Z分量普遍存在急劇變化，與陳伯舫等（1999）對Z分量急變的分析結(jié)果相同；②2000—2006年為下降階段。Z值從2000年年均值46 869.5 nT逐年減少，截至2006年，Z年均值為46 802.8 nT，年變率為-9.58 nT/a。2000年前后，年變率從12.8 nT到-0.4 nT發(fā)生正負(fù)反轉(zhuǎn)變化；③2007—2013年為上升階段。Z值逐漸增大，年均值增加256.8 nT，年變率為42.8 nT/a。

圖2 1987—2013年北京地磁場垂直強(qiáng)度年均值及年變率（a）年均值；（b）年變率Fig.2 Annual means and annual rang of vertical component of geomagnetic feld at Beijing in 1987-2013

北京地震臺地磁場垂直分量Z值1987—2013年增大710.2 nT，平均年變率為27.32 nT/a。Z值變化趨勢具有緩慢上升、緩慢下降和逐漸上升的趨勢，與F值變化形態(tài)一致，與長春地磁臺垂直分量長期變化趨勢（孫旭麗，2013）一致。

3 地磁場短期變化分析

地磁場有很小一部分來自地球外部空間，由電離層和磁層的電流體系產(chǎn)生，隨時間變化，與太陽活動有關(guān)，變化磁場中，太陽靜日變化占磁場主要部分（趙德軍，2012），而太陽黑子活動對地磁場短期變化具有一定影響。根據(jù)太陽黑子活動高年和活動低年每月5天國際磁靜日水平分量日變幅計算日變幅月均值，與太陽黑子數(shù)進(jìn)行對比，分析太陽黑子數(shù)對日變幅的影響。

將1987—2013年太陽黑子數(shù)繪成曲線，見圖3。從圖3可以看出，太陽黑子數(shù)11年左右周期性變化明顯。1987—2013年處于太陽活動的第22、23和24周期（李琪等，2012），1989年太陽黑子數(shù)為157.6個，1996年為8.6個，分別處于太陽黑子活動周期峰年和谷年，由此選取1989年和1996年數(shù)據(jù)，采用日變幅均值進(jìn)行計算，分析北京地磁場短期變化。

選取1989年《北京地磁臺地磁觀測報告》和1996年《北京地磁臺地磁觀測報告》的日變幅數(shù)據(jù)，分別計算這兩年每月5天國際磁靜日水平強(qiáng)度（H）日變幅和日變幅均值（表1，表2）。1989年和1996年1月至12月的太陽黑子數(shù)和磁靜日地磁場水平分量（H）的日變幅化成曲線見圖4。

圖3 1987—2013年太陽黑子數(shù)Fig.3 Sun spots of 1987-2013

圖4 太陽黑子數(shù)對應(yīng)水平分量日變幅（a） 1989年；（b） 1996年Fig.4 Sunspot and daily ranges of horizontal

表1 1989年靜日水平強(qiáng)度日變幅（單位：nT）Table 1 Daily ranges of horizontal intensity in quiet day in 1989

表2 1996年靜日水平強(qiáng)度日變幅（單位：nT）Table 2 Daily ranges of horizontal intensity in quiet day in 1996

地磁場變化場表現(xiàn)出區(qū)域特征，場強(qiáng)度變化表現(xiàn)為地磁場季節(jié)變化和短期變化（阿里普別科夫，2007）。對表1、表2進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)：1989年作為太陽黑子活動高年，磁靜日日變幅最高值出現(xiàn)在9月9日，最低值在11月22日。1996年是太陽黑子活動低年，全年磁靜日日變幅最高出現(xiàn)在5月28日，最低值在1月10日。1989年磁靜日水平日變幅9月均值最高，為75.6 nT，11月最低，月均值40.8 nT。1996年磁靜日日變幅月均值9月最高，1月最低，幅度相差27.8 nT，而太陽活動高年和低年日變幅最高相差80.0 nT。通過以上分析，認(rèn)為地磁變化活動較強(qiáng)月份在9月。

由圖4可知，1989年水平分量磁靜日日變幅均值為58.46 nT，1996年為33.75 nT，兩者年均值差76.3 nT。1989年太陽黑子數(shù)是157.6個，而1996年為8.6個，可見太陽黑子數(shù)越高，日變幅越大，太陽黑子數(shù)越低，日變幅越小。

4 結(jié)論

通過對北京地磁臺地磁總強(qiáng)度、垂直強(qiáng)度年均值和水平強(qiáng)度（H）日變幅觀測資料進(jìn)行分析，得出以下變化規(guī)律。

（1） 北京地磁臺地磁場觀測數(shù)據(jù)不能完全揭示該臺地磁場長期變化規(guī)律，但具有一個比較明顯的優(yōu)勢周期。北京地磁場長期變化具有增加期、下降期和恢復(fù)期，總強(qiáng)度和垂直分量變化形態(tài)基本一致，發(fā)生變化時間一致，變化強(qiáng)度不同，垂直強(qiáng)度增加較快，2000年前后發(fā)生急劇變化，垂直分量年變率顯著。

（2）地磁活動呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性規(guī)律，一般春秋季（3—4月，9—10月）地磁活動較強(qiáng)。

（3）短期變化從太陽黑子活動對地磁場影響數(shù)據(jù)分析，隨著太陽黑子數(shù)的增加，地磁場水平分量減小，反之，太陽黑子數(shù)減少，地磁場水平分量增加，可見太陽黑子對地磁場短期變化影響較大。

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Analysis on variation characteristics of geomagnetic field in Beijing area

Zhang Xiuling，F(xiàn)an Xiaoyong and Zhou Jianglin
（Beijing National Observation，Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100095，China）

According to the data recorded by the Beijing Geomagnetic Station from 1987 to 2013，we analyze the secular and short-term variations of the geomagnetic field.We conclude that the secular variation of the geomagnetic field presents the trend of increasing，decreasing slowly and then increasing gradually again，and the short-term variation of the geomagnetic field is infuenced by the activity intensity of sun spot.These variations are signifcant for understanding the characteristics of geomagnetic feld in Beijing area.

geomagnetic feld，secular variation，short-term variation，sun spot，daily variation amplitude

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.008

張秀玲（1968—），女，工程師，現(xiàn)在從事前兆觀測與數(shù)據(jù)處理工作

渤海海峽跨海通道地殼穩(wěn)定性調(diào)查評價（地應(yīng)力），項目編號：GZH201200504

本文收到日期：2015-11-11