通海地磁臺(tái)觀測(cè)值與IGRF模型值的長(zhǎng)期變化分析

孫維懷，李 琪，白春華，劉 瑾，畢 青

(1．云南省地震局通海地磁臺(tái)，云南 通海 652700；2.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081；3．云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震減災(zāi)局，云南 玉溪 653100)

通海地磁臺(tái)觀測(cè)值與IGRF模型值的長(zhǎng)期變化分析

孫維懷1，李 琪2，白春華3，劉 瑾3，畢 青4

(1．云南省地震局通海地磁臺(tái)，云南 通海 652700；2.中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081；
3．云南大學(xué)資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震減災(zāi)局，云南 玉溪 653100)

利用云南通?；鶞?zhǔn)地磁臺(tái)1985年至2011年的年均值資料，研究了通海地磁臺(tái)觀測(cè)值與第11代IGRF模型值的長(zhǎng)期變化，兩者的一致性程度。結(jié)果表明：通海地磁臺(tái)站觀測(cè)值與IGRF模型值的長(zhǎng)期變速率相近、形態(tài)一致；兩者的差值與太陽(yáng)黑子數(shù)變化存在相關(guān)性；各地磁要素的差值均低于IGRF模型的誤差水平。

通海地磁臺(tái)； IGRF模型；長(zhǎng)期變化

地磁臺(tái)站是監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)及其變化的場(chǎng)所。通海地磁臺(tái)是地處我國(guó)西南的一個(gè)基準(zhǔn)地磁臺(tái)，位于云南省中部地區(qū)?；鶞?zhǔn)地磁臺(tái)承擔(dān)著監(jiān)視全球地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化，為地球主磁場(chǎng)、地球核幔邊界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、地球磁場(chǎng)的電離層和磁層活動(dòng)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。通海地磁臺(tái)臺(tái)基主要是泥盆系石碳系灰?guī)r,間有紅土層,3 m以下為湖相沉積,觀測(cè)室附近地磁場(chǎng)分布均勻,磁場(chǎng)梯度小于 1 nT/m 。該臺(tái)始建于1979年，1982年開(kāi)始地磁觀測(cè)，1985年正式出版了地磁觀測(cè)報(bào)告，至今已有近30年的歷史，并取得了連續(xù)可靠的地磁觀測(cè)資料?；鶞?zhǔn)臺(tái)在監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)時(shí)可以反映其周邊500 km范圍內(nèi)的地球基本場(chǎng)的變化特征[2]。

國(guó)際地磁參考場(chǎng)(International Geomagnetic Reference Field,簡(jiǎn)稱IGRF)是采用球諧分析的方法來(lái)描述地球主磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的一系列數(shù)學(xué)模型。而且是國(guó)際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型。在1968 年國(guó)際地磁與高空物理協(xié)會(huì)(IAGA)發(fā)布1965年IGRF模型之后，IAGA給出了每5年的IGRF模型，迄今已經(jīng)陸續(xù)提出了11代IGRF模型。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(kāi)始，將IGRF模型的截止階數(shù)由10階(球諧系數(shù)精度為1nT)擴(kuò)展到13 階(球諧系數(shù)精度為0．1 nT)[3-5]。

本文利用通海臺(tái)1985～2011年的觀測(cè)資料和IGRF-11模型，分析了7個(gè)地磁場(chǎng)要素的長(zhǎng)期變化特點(diǎn)，兩者差值的變化趨勢(shì)。

1 數(shù)據(jù)的選取與處理

IGRF-11模型主磁場(chǎng)磁勢(shì)的表達(dá)式為：

本文選取通海地磁臺(tái)1985年至2011年期間7個(gè)地磁場(chǎng)要素的年均值。利用NGDCGeomagneticCalculators(http://http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web)上提供的IGRF-11模型軟件,計(jì)算通海臺(tái)1985～2011年7個(gè)地磁要素的模型值。將磁偏角D、磁傾角I分量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為以度為單位,其中D分量符號(hào)取偏東為正,I分量符號(hào)取下傾為正。同時(shí)，分別計(jì)算通海地磁臺(tái)各個(gè)分量年均值(觀測(cè)值)與IGRF模型計(jì)算值的差值。

2 長(zhǎng)期變化分析

2.1 臺(tái)站年均值與IGRF模型值的長(zhǎng)期變化分析

圖1繪出了通海地磁臺(tái)歷年7要素的年均值與國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF模型計(jì)算值的時(shí)間同軸曲線。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，左側(cè)縱坐標(biāo)為臺(tái)站實(shí)測(cè)地磁要素年均值，用實(shí)線繪制；右側(cè)縱坐標(biāo)為國(guó)際地磁參考場(chǎng)IGRF模型值，用虛線繪制。

圖1 通海地磁臺(tái)七要素年均值與IGRF模型值時(shí)間同軸曲線

(1)磁偏角(D)

從圖1磁偏角的觀測(cè)值曲線可以看到，該分量存在二個(gè)階段性的變化特征。第一階段：1985～1996年，磁偏角由偏西1.026°變至偏西0.777°，12年間增大了14.89′，平均年變率為1.241′/a,呈上升趨勢(shì)；第二階段：1997～2011年，磁偏角由偏西0.788°變至偏西1.262°，15間年減小了28.7′，平均年變率為1.91′/a，呈下降趨勢(shì)。從圖1可見(jiàn)，磁偏角的IGRF值呈現(xiàn)了與磁偏角觀測(cè)值相同的二個(gè)階段性變化特征。磁偏角的年變形態(tài)經(jīng)歷了一個(gè)上升—下降的過(guò)程，與鄰近的廣州地區(qū)地磁偏角的緩慢上升形態(tài)有很大的不同[6]，這種不同應(yīng)該能反映兩地區(qū)非偶極子磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化。

(2)磁傾角(I)

通海地磁臺(tái)1985年的磁傾角觀測(cè)值是34.093°，2011年的磁傾角觀測(cè)值是36.130°，從磁傾角的觀測(cè)值曲線來(lái)看，呈逐年緩慢增大的趨勢(shì)，27年間增大了2.037°，平均年變率為4.5′/a。從圖1中可以看出磁傾角觀測(cè)值曲線的變化比較簡(jiǎn)單，呈單調(diào)上升的趨勢(shì)；且磁傾角IGRF值也呈現(xiàn)了與磁偏角觀測(cè)值相同的單調(diào)上升趨勢(shì)，27年間增大了2°，平均年變率為4.4′/a。

(3) 水平分量(H)和北向分量(X)

通海地磁臺(tái)地磁場(chǎng)水平強(qiáng)度觀測(cè)值的變化形態(tài)與北向分量觀測(cè)值基本相同，1985～2011年地磁場(chǎng)水平強(qiáng)度觀測(cè)值從38 140.7 nT下降到37 716.3 nT，27年間下降了424.4 nT，平均年變率為15.7 nT/a。1985～2011年地磁場(chǎng)北向分量觀測(cè)值從38 134.6 nT下降到37 707.2 nT，27年間下降了427.4 nT，平均年變率為15.8 nT/a。從圖1可以看到，水平分量(H)和北向分量(X)的IGRF值呈現(xiàn)了與通海地磁臺(tái)水平分量(H)和北向分量(X)觀測(cè)值相同的單調(diào)下降趨勢(shì)，地磁場(chǎng)水平強(qiáng)度IGRF值27年時(shí)間下降了430 nT，平均年變率為15.9 nT/a；地磁場(chǎng)北向分量IGRF值27年時(shí)間下降了433 nT，平均年變率為16.0 nT/a。

(4)東向分量(Y)

從圖1還可以看到，通海地磁臺(tái)地磁場(chǎng)東向分量觀測(cè)值的變化形態(tài)與磁偏角觀測(cè)值的變化形態(tài)基本相同，存在二個(gè)階段性的變化特征。第一階段：1985～1996年，地磁場(chǎng)東向分量觀測(cè)值由-685.6 nT 變至-531.3 nT，12年間增大了154.3 nT，平均年變率為12.8 nT /a,呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；第二階段：1997～2011年，地磁場(chǎng)東向分量觀測(cè)值由-533.2 nT變至-831.5 nT，15年間減小了298.3 nT，平均年變率為19.9 nT /a,呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從圖1地磁場(chǎng)東向分量IGRF值曲線上可以看到，其呈現(xiàn)了與磁偏角觀測(cè)值相同的二個(gè)階段性的變化特征。

(5)垂直分量(Z)

從圖1可以看到，通海地磁臺(tái)地磁場(chǎng)垂直分量觀測(cè)值具有類(lèi)似于磁傾角的變化形態(tài)。1985～2011年地磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度觀測(cè)值從25 816.0 nT上升到27 534.9 nT，27年間上升了1 718.9 nT，平均年變率達(dá)到63.7 nT/a?；境蕟握{(diào)上升的變化特征。通海地磁臺(tái)地磁場(chǎng)垂直分量的年變率要高于廣州地區(qū)的30.0 nT/a的年變率，這種速率的差異恰恰是由于區(qū)域性磁異常引起的。從圖1地磁場(chǎng)垂直分量IGRF值曲線可以看到，1985～2011年地磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度IGRF值從25 797.4 nT上升到27 483.2 nT，27年間上升了1 685.8 nT，平均年變率達(dá)到62.4 nT/a。也呈單調(diào)上升的變化特征。

(6)磁場(chǎng)總強(qiáng)度(F)

從圖1可以看到，通海地磁臺(tái)的磁場(chǎng)總強(qiáng)度在1985～2011年從46 056.2 nT 增大到46 697.9 nT，27年間增大了641.7 nT，平均年變率為23.77 nT/a。此年變率與廣州地區(qū)的21.1 nT/a的年變率基本相同，形態(tài)特征為上升變化趨勢(shì)。從圖1地磁場(chǎng)東向分量IGRF值曲線上可以看到，1985～2011年地磁場(chǎng)垂直強(qiáng)度IGRF值從46 049.0 nT上升到46 666.2 nT，27年間上升了617.2 nT，平均年變率達(dá)到22.9 nT/a。

2.2 臺(tái)站年均值與IGRF模型計(jì)算值的殘差分析

圖2 通海地磁臺(tái)七要素年均值與IGRF模型值差值曲線

地磁臺(tái)站年均值主要包括主磁場(chǎng)和地殼磁場(chǎng)，IGRF 模型描述的是主磁場(chǎng)[7]。 IGRF是主磁場(chǎng)(包括長(zhǎng)期變化)的高斯分析(球諧分析)。在確定IGRF系數(shù)時(shí)使用全球臺(tái)站及其他的測(cè)量資料,這些資料包括主磁場(chǎng)、變化磁場(chǎng)和地殼磁異常。因此IGRF誤差主要包括忽略外源場(chǎng)所引起的誤差、球諧級(jí)數(shù)的截?cái)嗾`差、全球臺(tái)站分布的不均勻所引起的誤差、測(cè)量誤差、忽略區(qū)域性磁異常引起的誤差等[8]。圖2繪出了通海臺(tái)地磁七要素年均值與IGRF模型值的差值曲線。從圖2可以看出，7要素觀測(cè)值與IGRF模型值差值曲線的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。 從差值曲線 △D、△H、△Z、△F的變化可看出，大致存在以 11 年為周期的變化形態(tài)。同時(shí), 將差值曲線的這種變化規(guī)律與太陽(yáng)黑子變化進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)它們之間的變化形態(tài)存在一定的相關(guān)性。差值較大的那些年份，剛好是太陽(yáng)黑子數(shù)較平靜或是較大的年份。由此可以認(rèn)為，臺(tái)站觀測(cè)值與IGRF模型計(jì)算值的誤差主要來(lái)自于忽略外源場(chǎng)所引起的誤差。七要素地磁觀測(cè)值與IGRF模型值的差值相差很大。D分量差值從-0.028°～0.082°,I分量差值從-0.02°～0.055°,H分量差值從-18.6～31.6 nT,X分量差值從-17.9～31.9 nT,Y分量差值從-18.8～48.2 nT,Z分量差值從-14.7～51.7 nT,F分量差值從-21.9～31.7 nT。這些差值在很大程度上也反映了臺(tái)站所在區(qū)域地殼磁異常的分布情況。從圖2可以看出,臺(tái)站地磁強(qiáng)度分量(H,X,Y,Z,F)的差值除個(gè)別情況外,均在50 nT之內(nèi)。D和I分量的平均偏差分別為0.6′和0.3′。由于通常認(rèn)為IGRF模型誤差在50～100 nT之間[8],因此認(rèn)為：各地磁要素的差值均低于IGRF模型的誤差水平，通海地磁臺(tái)觀測(cè)值與IGRF模型值的差值比較穩(wěn)定,一致性較好。

3 結(jié)果與討論

(1)通海地磁臺(tái)的長(zhǎng)期變化速率與IGRF模型的長(zhǎng)期變化速率相近。磁傾角I的長(zhǎng)期變化速率大于磁偏角D的長(zhǎng)期變化速率；垂直強(qiáng)度Z的長(zhǎng)期變化速率高于水平強(qiáng)度H、北向分量X、東向分量及總強(qiáng)度F的長(zhǎng)期變化速率。(2)在臺(tái)站觀測(cè)值與IGRF模型值的差值曲線中,七要素都有明顯的起伏,反映了地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的非線性，△H、△X、△F差值曲線與太陽(yáng)黑子數(shù)變化有明顯的相關(guān)性，存在以 11 年左右為周期的變化。(3)通海地磁臺(tái)磁偏角(D)和東向分量(Y)的長(zhǎng)期變化形態(tài)顯示存在轉(zhuǎn)折變化，這一變化的轉(zhuǎn)換點(diǎn)恰好發(fā)生1988年的瀾滄—耿馬7.6級(jí)地震和1996年麗江7.0級(jí)地震。研究地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化，認(rèn)識(shí)地磁背景場(chǎng)的規(guī)律，對(duì)判斷地震前兆異常有重要作用。(4)目前研究認(rèn)為地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化具有區(qū)域性特征，而非全球性的，因此它主要屬于非偶極子磁場(chǎng)的變化。非偶極子磁場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)而變大，時(shí)而減小，每年變化約 10 nT。這一變化量級(jí)比通海地磁臺(tái)地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化年變率偏小，剛好反映了地磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化具有區(qū)域特征。(5)通海地磁臺(tái)各地磁要素年均值與IGRF模型值的差值低于IGRF模型的誤差水平,說(shuō)明第11代IGRF模型與臺(tái)站年均值的一致性比較好。

致謝：本文資料由通海地震臺(tái)電磁觀測(cè)組提供，在此表示衷心的感謝！

[1] Jerzy Jankowski,Christian Sucksdorff．地磁測(cè)量與地磁臺(tái)站工作指南[M]．北京：地震出版社，1997：2-4．

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[3] 徐文耀．地磁學(xué)[M]．北京：地震出版社，2003：98-118．

[4] 熊仲華，劉運(yùn)生．地磁觀測(cè)技術(shù)[M]．北京：地震出版社，1997：26．

[5] 張素琴，楊冬梅，李琪，等．中國(guó)部分地磁臺(tái)站年均值與IGRF模型一致性分析[J]．地震地磁觀測(cè)與研究，2008，29(2)：42．

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[7] 高國(guó)明，康國(guó)發(fā)．衛(wèi)星地磁場(chǎng)模型和 IGRF 模型與中國(guó)地磁臺(tái)觀測(cè)值的比較分析[J]．云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，32(5)：548-550．

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Analysis on the Long-term Variation between Tonghai Geomagnetic Observatory and that Calculated from IGRF Model

SUN Weihuai1, LI Qi2, BAI Chunhua3, LIU Jin3and BI Qing4

(1. Tonghai Geomagnetic Station, Earthquake Administration of Yunnan Province, Yunnan Tonghai 652700；2. Institute of Geophysics, CEA, Beijing 100081; 3. School of Resource Environment and Earth Sciences, Yunnan University, Yunnan Kunming 650091；4. Earthquake Prevention And Disaster Mitigation Administration of Yuxi City, Yunnan Yuxi 653100, China)

According the annual average data of Tonghai geomagnetic observatory from 1985 to 2011, we analyze the long-term variation between geomagnetic data and that calculated from IGRF model and both of level of their consistency. Our results show that the long-term variable rate of both sets is similar and their morphology is consistent. The deviation between them is related with variation of sunspot numbers. The geomagnetic element deviation is lower than the level of error from IGRF model.

Tonghai Geomagnetic Observatory; IGRF model; long-term variation

2016-04-25;

2016-08-04

孫維懷(1977-)，男，云南人，高級(jí)工程師，主要從事地球電磁學(xué)的觀測(cè)與研究工作,E-mail:sunweihail@sina.com.cn.

P318.6

B

1001-8115(2017)01-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.010