基于CM4模型的中國大陸地區(qū)地磁場時空分布特征分析1

李細(xì)順 高登平 劉立申 趙志遠(yuǎn) 王利兵

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基于CM4模型的中國大陸地區(qū)地磁場時空分布特征分析1

李細(xì)順 高登平 劉立申 趙志遠(yuǎn) 王利兵

（河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺，河北邢臺 055350）

本文利用第四代地磁場綜合模型（Comprehensive Model 4，CM4），計算了1982—2001年中國大陸地區(qū)同一經(jīng)度鏈和同一緯度鏈上地磁臺站的磁層源磁場及其感應(yīng)場、電離層源磁場及其感應(yīng)場的地磁北向分量、東向分量、垂直分量的模型值，分析了各場源磁場隨時間和空間的變化特征。結(jié)果表明：在時間上，經(jīng)度鏈和緯度鏈臺站的磁層源磁場及其感應(yīng)場均呈現(xiàn)出11年和27天周期性變化。電離層源磁場及其感應(yīng)場具有明顯的季節(jié)變化，不同年份相同季節(jié)變化形態(tài)一致但幅度不同。在空間分布上，經(jīng)度鏈和緯度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場的年變化幅度呈現(xiàn)出不同變化特征，電離層源磁場及其感應(yīng)場在經(jīng)度鏈上變化特征不同，而緯度鏈臺站的數(shù)值基本一致。日變化分析顯示，磁靜日和磁擾日期間，模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)變化一致性較好，相關(guān)性較高。

CM4磁層源磁場 電離層源磁場 實測數(shù)據(jù) 感應(yīng)場 時均值 相關(guān)系數(shù)

引言

利用地磁場模型研究地磁場變化在空間物理領(lǐng)域一直是一個基本問題，國內(nèi)外均有科學(xué)團隊在關(guān)注這一問題。

地磁場是指在固體地球內(nèi)部和外部到磁層頂空間范圍內(nèi)所有場源產(chǎn)生的磁場，一般將地磁場分為內(nèi)源場和外源場，人們對于內(nèi)源場研究較多（Haines，1985；Alldredge，1987；徐文耀，2002，2009；Wardinski等，2006；Lesur等，2008），對地殼磁異常場也做了很多工作（Hemant等，2005，2007）。地磁模型能對地磁場時空分布進(jìn)行較為直觀的表示。1968年國際地磁和高空大氣物理學(xué)協(xié)會給出了第一代國際地磁參考場模型（IGRF），之后每5年給出一個新的IGRF（楊云存等，2014）。20世紀(jì)90年代，美國國家宇航局戈達(dá)德飛行中心（NASA/GSFC）和丹麥空間研究所（DSRI）聯(lián)合開發(fā)了一種新的地磁場建模方法——“綜合建?！保–omprehensive Modeling，簡稱CM）（白春華等，2008）。1993年，Sabaka等建立了第一代地磁場綜合模型——CM1，1996年，Langel等在CM1的基礎(chǔ)上建立了第二代地磁場綜合模型——CM2（Langel等，1996），2002年，美國和丹麥空間研究中心的科學(xué)家Sabaka和Olsen等人建立了第三代地磁場綜合模型——CM3（Sabaka等，2002），它相對于第一代和第二代的提高主要體現(xiàn)在進(jìn)行了高階地殼層場的靜態(tài)表示，能在衛(wèi)星高度獲取大部分地殼異常場。CM3模型內(nèi)源場最大截斷階數(shù)為65，時間跨度為1960—1985年，長期變化通過3次B-spline方法的13階表示（馮彥等，2011）。

2004年，Sabaka等利用衛(wèi)星和臺站數(shù)據(jù)在CM3的基礎(chǔ)上建立了第四代地磁場綜合模型——CM4（Sabaka等，2004），相較于CM3，CM4采用了更多衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括POGO和CHAMP衛(wèi)星標(biāo)量數(shù)據(jù)，MAGSAT和Frsted衛(wèi)星標(biāo)量和矢量數(shù)據(jù)。由于衛(wèi)星位于電離層和磁層間的耦合電流區(qū)域（用于區(qū)分電離層和磁層的磁場強度），故可獲取近地球區(qū)域各種場的電流源，并進(jìn)行各種場的參數(shù)化和協(xié)同估算，通過迭代重加權(quán)最小二乘法進(jìn)行合理劃分，最后順序計算7種磁場的值（地核場、地殼場、磁層源場、磁層源感應(yīng)場、電離層源場、電離層源感應(yīng)場、空間環(huán)形磁場）。CM4模型適用于磁靜日期間，可對地磁場進(jìn)行分層計算，相較CM3模型，其適用時間范圍更長，為1960—2002年，進(jìn)一步降低了預(yù)處理時的數(shù)據(jù)噪聲。模型1—15階代表地核場，16—65階代表地殼場。

地磁臺站記錄到的地磁變化信號主要受到外源場和內(nèi)源場兩種場源的影響。其中，外源場起源于地表以上的空間電流體系，這些電流體系主要分布在電離層、磁層和行星際空間（李琪等，2015）。我國基于臺站和衛(wèi)星數(shù)據(jù)對電離層場以及磁層場開展了很多研究。丁鑒海等（2005）利用不同地區(qū)電離層臺站數(shù)據(jù)對電離層2層的臨界頻率02進(jìn)行了相關(guān)研究；姚麗等（2010）通過分析位于向陽面正午兩側(cè)的GOES-10和GOES-12衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，激波作用于磁層時靠近清晨的磁場變化表現(xiàn)出簡單壓縮效應(yīng)，而靠近黃昏的磁場變化則顯然不同，即B分量減弱，B分量幾乎為零，B分量則顯著增強；徐文耀（2011）從能量守恒原理出發(fā)，討論了太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程的能流路徑和能量收支的定量關(guān)系問題。本文利用第四代地磁場綜合模型（CM4），計算了1982—2001年中國大陸地區(qū)經(jīng)度鏈和緯度鏈上地磁臺站的磁層源磁場及其感應(yīng)場、電離層源磁場及其感應(yīng)場的地磁北向分量、東向分量和垂直分量，分析了各場源磁場隨時間和空間的變化特征。對CM4模型計算出的7種磁場值求和，與地磁臺站實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，研究了模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性，為利用CM4模型數(shù)據(jù)做進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)計算

為了分析研究基于CM4模型的中國大陸地區(qū)地磁場時空分布特征，按照經(jīng)度鏈和緯度鏈分別選取4個地磁臺站（表1），利用模型計算軟件，計算得到了各臺站位置處的地核場、地殼場、磁層源磁場及其感應(yīng)場、電離層源磁場及其感應(yīng)場、空間環(huán)形磁場等7種場源磁場的時均值，由于CM系列模型缺少對觀察到的每日磁場變化的表示，本文主要對磁層源磁場及其感應(yīng)場和電離層源磁場及其感應(yīng)場的時空分布特征進(jìn)行研究。

表1 臺站分布

2 模型數(shù)據(jù)各場源時空分布特征分析

2.1 磁層源磁場及其感應(yīng)場的時空分布特征

CM4模型能夠很好地分離地磁場場源，選取表1中固定地磁臺1982—2001年間每日世界時第19時磁層源磁場及其感應(yīng)場時均值進(jìn)行分析。

2.1.1 經(jīng)度鏈數(shù)據(jù)變化特征

繪制經(jīng)度鏈臺站地磁場分量磁層源磁場及其感應(yīng)場每日世界時第19時時均值曲線和F10.7隨時間變化曲線圖（圖1），4個臺站時均值曲線圖按照臺站緯度從高到低的順序排列，從上到下依次為MZL（a）、LYH（b）、WHN（c）、QZH（d），F(xiàn)10.7（e）是太陽10.7cm波長（2800MHz）射電輻射流量隨時間變化曲線，由位于加拿大英屬哥倫比亞彭帶克頓市的射電天文臺每天17時（UTC）對太陽進(jìn)行觀測得到。它的單位是sfu（太陽輻射通量，1sfu＝1×10－22W·m－2·Hz－1）。

從時間上看，4個臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場變化與太陽活動性指數(shù)F10.7的周期性變化相對應(yīng)，1986年是太陽黑子活動低年，11年之后1997年磁場擾動也較??；相應(yīng)地，1990年4個臺站均出現(xiàn)強擾動，11年之后的2001年同樣表現(xiàn)出強烈的磁場變化，存在顯著的11年周期。

從空間分布上看，高緯度臺站年變化幅度小于低緯度臺站，各臺站年變化幅度值見表2（其他分量年變化幅度表省略），空間分布特征見圖2。

表2 經(jīng)度鏈臺站X分量年變化幅度

圖2顯示，隨著緯度減小，分量年變化幅度逐漸增大，滿洲里臺分量年變化幅度最小，泉州臺年變化幅度最大，4個臺站2001年分量磁場源磁場及其感應(yīng)場年變化幅度最大，1996年的年變化幅度最小。各臺站分量顯著相關(guān)，且變化幅度隨緯度降低而升高，環(huán)電流可能是影響其變化的主要因素。

圖1 經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場X分量時均值隨時間變化

經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場分量世界時第19時時均值隨時間變化特征見圖3。

圖3所示，地磁場分量的磁層源磁場及其感應(yīng)場呈現(xiàn)出顯著的以1年為周期的一峰兩谷規(guī)律變化，11年周期性變化不顯著。年變化幅度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于分量年變化幅度。

從空間分布上看（圖4），相同年份，經(jīng)度鏈上4個臺站分量年變化幅度基本一致，臺站間年變化幅度最大相差不超過3nT。1982年至2001年期間，各臺站年變化幅度基本上為9—15nT，但1982年、1990年、2001年除外。臺站間分量年變化幅度差別不顯著，說明在不同擾動背景下影響分量的電流體系對經(jīng)度鏈上臺站作用大小是一樣的。

圖2 經(jīng)度鏈臺站X分量年變化幅度的空間分布

圖3 經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場Y分量時均值隨時間變化

圖4 經(jīng)度鏈臺站Y分量年變化幅度的空間分布

經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場分量世界時第19時時均值隨時間變化特征見圖5。

圖5 經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場Z分量時均值隨時間變化

如圖5所示，磁層源磁場及其感應(yīng)場的分量與分量具有相同的時間變化特征，但整體變化幅度小于分量。從空間分布看（圖6），緯度由高到低，分量年變化幅度從大變小，滿洲里臺年變化幅度最大，泉州臺年變化幅度最小。20年間分量在2001年的年變化幅度最大，1996年最小。

圖6 經(jīng)度鏈臺站Z分量年變化幅度的空間分布

2.1.2 緯度鏈臺站變化特征

采取與分析經(jīng)度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場變化特征相同的方法，繪制緯度鏈臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場世界時第19時時均值和F10.7隨時間變化曲線圖（由于篇幅所限，圖略）。從時間上來看，緯度鏈上4個臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場與經(jīng)度鏈上4個臺站具有相同變化特征。從空間分布上分析，其變化特征卻不同（圖7）。

緯度鏈臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場年變化幅度基本不隨臺站的經(jīng)度改變而變化，2001年各臺站年變化幅度相差最大，最大相差4nT。

緯度鏈臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場世界時第19時時均值在時間上的變化特征與經(jīng)度鏈臺站變化特征一致。在空間分布上（圖8），除1982年外的其他年份，緯度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場分量的年變化幅度隨臺站經(jīng)度增加而減小，格爾木臺年變化幅度最大，泰安臺最小。1982年9月6日發(fā)生了急始型磁暴，指數(shù)最大為9，活動程度為S，紅山臺（LYH）和泰安臺（TAA）世界時第19時時均值變化很大，導(dǎo)致1982年分量磁層源磁場及其感應(yīng)場年變化幅度變大。格爾木臺（GLM）和蘭州臺（LZH）卻沒有受到較大影響。

緯度鏈上臺站分量磁層源磁場及其感應(yīng)場世界時第19時時均值變化特征與經(jīng)度鏈臺站在時間上的變化特征相同，同樣具有顯著11年周期變化特征。在空間分布上（圖9），分量年變化幅度不受臺站經(jīng)度影響。20年間分量年變化幅度2001年最大，1996年最小。

2.1.3 磁層源磁場及其感應(yīng)場27天重現(xiàn)性特征

本文選取1997年磁層源磁場及其感應(yīng)場模型數(shù)據(jù)時均值，每3個小時的時均值取平均，每天生成8個時均值，與當(dāng)日的Kp指數(shù)相對應(yīng)，全年每3小時時段均值數(shù)據(jù)按27天分段，5個27天段對應(yīng)均值取平均，與對應(yīng)日期Kp指數(shù)進(jìn)行對比（李細(xì)順等，2015）。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)度鏈上4個臺站按緯度從高到低順序排列，依次為MZL（a）、LYH（b）、WHN（c）、QZH（d），分量具有顯著的27天周期變化，即地磁活動27天重現(xiàn)性（圖10），而分量27天周期性變化則不顯著（圖11），分量27天周期變化特征與分量一致（圖略）。緯度鏈上4個臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場、、三分量具有與經(jīng)度鏈臺站一樣的變化特征。

圖7 緯度鏈臺站X分量年變化幅度的空間分布

圖8 緯度鏈臺站Y分量年變化幅度的時空分布

圖9 緯度鏈臺站Z分量年變化幅度的時空分布

圖10 1997年經(jīng)度鏈臺站X分量的27天周期變化

圖11 1997年經(jīng)度鏈臺站Y分量的27天周期變化

磁層源磁場及其感應(yīng)場27天重現(xiàn)特征主要受太陽27天自轉(zhuǎn)周影響，地磁活動的27天重現(xiàn)性起源于太陽上的特定磁性區(qū)，即太陽冕洞，隨著太陽的自轉(zhuǎn)，冕洞周期性面對地球，從而引起磁層源磁場及其感應(yīng)場27天周期性變化，經(jīng)度鏈和緯度鏈上臺站變化特征一致。

2.2 電離層源磁場及其感應(yīng)場變化特征

2.2.1 經(jīng)度鏈臺站電離層源磁場及其感應(yīng)場變化特征

根據(jù)WDC中心網(wǎng)站提供的Kp指數(shù)，每個月找出5個磁靜日，相應(yīng)地，篩選出1991年經(jīng)度鏈上4個臺站5個磁靜日電離層源磁場及其感應(yīng)場時均值數(shù)據(jù)，繪制圖12，從上到下按臺站緯度從高到低順序排列，依次為MZL（a）、LYH（b）、WHN（c）、QZH（d）。從圖中可以看出，分量、分量和分量呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征，夏季最大，春秋季次之，冬季最小，3個分量中分量變幅最大，分量次之，分量最小。

從空間分布上看，隨著緯度從高到低，分量由小變大，越靠近赤道的臺站數(shù)值越大。分量卻隨緯度降低而逐漸減小。分量不隨緯度變化而變化。

2.2.2 緯度鏈臺站電離層源磁場及其感應(yīng)場變化特征

同樣，選取1991年緯度鏈上4個臺站每個月5天磁靜日電離層源磁場及其感應(yīng)場時均值數(shù)據(jù)，繪制圖13，4個臺站按經(jīng)度從小到大排列，依次為GLM（a）、LZH（b）、LYH（c）、TAA（d）。從圖中可以看出，分量、分量和分量呈現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化特征，夏季最大，春秋季次之，冬季最小，3個分量中分量變幅最大，分量次之，分量最小。

圖12 經(jīng)度鏈臺站1991年電離層源磁場及其感應(yīng)場變化

在空間分布上，分量、分量、分量值不隨臺站的經(jīng)度變化而變化，緯度鏈上的臺站各個分量最大值和最小值基本相同。

采用同樣的方法選取1996年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。1996年是地磁活動低年，磁場比較平靜，研究結(jié)果顯示電離層源磁場及其感應(yīng)場的時空分布特征與1991年的結(jié)果一致，只是各分量變化幅度要小的多，由于篇幅所限，在此不再贅述。

2.3 模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性分析

上述討論均針對的是CM4模型計算分離出的獨立場源。對軟件計算出的CM4模型7種場源值求和，求和后的模型值與臺站實測值所包含磁場成分較一致，通過分析模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)一致性，對模型可靠性進(jìn)行了驗證。

分別選取1997年7月（磁場平靜月份）和2001年3月（磁場擾動月份）經(jīng)度鏈和緯度鏈7個臺站模型值和臺站實測值的時均值，計算各臺站地磁分量（、、）標(biāo)準(zhǔn)差：

圖13 緯度鏈臺站1991年電離層源磁場及其感應(yīng)場變化

表3 實測值與模型值差值的標(biāo)準(zhǔn)差

從表3中看出，7個臺站北向分量的標(biāo)準(zhǔn)差均在33nT之內(nèi)，東向分量的標(biāo)準(zhǔn)差均在13nT之內(nèi)，垂直分量的標(biāo)準(zhǔn)差均在35nT之內(nèi)，各臺站差值的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大。由于通常認(rèn)為IGRF模型誤差為50—100nT（王亶文，2003；張素琴等，2008），參照判斷IGRF模型誤差水平的標(biāo)準(zhǔn)，上述標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果表明臺站實測值與CM4模型計算值的差值比較穩(wěn)定，一致性較好。

去除臺站實測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)偏差后，對1997年7月的兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，如圖14所示。圖中亮藍(lán)線代表模型數(shù)據(jù)，黑色散點代表實測數(shù)據(jù)，紅色亮線表示相同時間內(nèi)的Dst指數(shù)（對比圖形均采用相同的表示方法）。

圖14 1997年7月模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的時均值變化

圖14左側(cè)一列臺站按經(jīng)度由小到大而由上到下順序排列，右側(cè)一列臺站按緯度由高到低由上到下順序排列，在磁場異常平靜的時間段內(nèi)，模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)吻合非常好，分量的相關(guān)系數(shù)為0.77—0.89，分量為0.89—0.92，分量為0.85—0.90。

為了進(jìn)一步研究模型數(shù)據(jù)與臺站實測數(shù)據(jù)變化的一致性，本文選取了2001年3月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3月20日發(fā)生了特大型磁暴，圖15給出了臺站實測數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)在3月期間的變化，高緯度和中低緯度臺站在整個磁暴期間均吻合的很好，分量的相關(guān)系數(shù)為0.95—0.96，分量為0.80—0.89，Z分量為0.70—0.94。

模型誤差（或偏差）與資料源和假設(shè)條件密切相關(guān)。由于CM4模型使用期限為1960—2002年，在此期限內(nèi)，模型精度較高，磁靜期間模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性較好，即使在磁擾期間，例如2001年3月磁暴期間，模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的一致性也很好。

3 結(jié)論

本文比較系統(tǒng)地研究了基于CM4模型的地磁場在中國大陸地區(qū)的時空分布特征，著重研究了磁層源磁場及其感應(yīng)場和電離層源磁場及其感應(yīng)場的時空分布，研究結(jié)果顯示：

（1）經(jīng)度鏈和緯度鏈臺站磁層源磁場及其感應(yīng)場分量、分量和分量存在顯著的11年周期變化，分量變化幅度最大，分量次之，分量最小。分量和分量具有明顯的27天太陽自轉(zhuǎn)周變化，即地磁活動的27天重現(xiàn)性，而分量27天周期性變化不顯著。從空間分布上看，磁層源磁場及其感應(yīng)場的分量隨著緯度減小年變化幅度逐漸增大，卻不隨臺站所處位置經(jīng)度的改變而變化，磁場擾動年份的年變化幅度最大；經(jīng)度鏈上臺站的分量年變化幅度基本一致，緯度鏈臺站的分量年變化幅度除1982年外，其他年份年變化幅度隨著臺站經(jīng)度增加而減小。分量年變化幅度隨著緯度由高到低而從大變小，基本不隨臺站經(jīng)度改變而變化。

（2）經(jīng)度鏈和緯度鏈臺站電離層源磁場及其感應(yīng)場季節(jié)變化特征一致，分量、分量、分量均呈現(xiàn)出顯著季節(jié)變化特征，夏季最大，春秋季次之，冬季最小，3個分量中分量變幅最大，分量次之，分量最小。在空間分布上，隨著緯度從高到低，分量值由小變大，越靠近赤道數(shù)值越大，分量值卻隨緯度降低而逐漸減小，分量值不隨緯度高低的變化而變化。分量、分量、分量的電離層源磁場及其感應(yīng)場值不受臺站經(jīng)度變化影響，緯度鏈上臺站各個分量的最大值和最小值基本相同。

（3）無論經(jīng)度鏈還是緯度鏈臺站，實測時均值數(shù)據(jù)與模型時均值數(shù)據(jù)在磁靜和磁擾期間均較好吻合，相關(guān)系數(shù)較高，CM4模型能夠較好地反映臺站位置處磁場變化特征。

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Characteristics of Spatial and Temporal Distribution of Geomagnetic Field in Chinese Mainland Based on CM4 Model

Li Xishun, Gao Dengping, Liu Lishen, Zhao Zhiyuan and Wang Libing

(Hongshan Seismological Observatory, Hebei Earthquake Agency, Xingtai 055350, Hebei, China)

In this paper, based on the comprehensive model4 (CM4), we calculated the latitude and longitude chain stations magnetosphere and its induction magnetic field, ionosphere and its induction magnetic field of the,,component from 1982 to 2001 in chinese mainland and also analyzed the change characteristics of the magnetic field with time and space. The results show that the magnetosphere and its induction magnetic field of the longitude chain and latitude chain show periodic variation in 11 years and 27 days. The ionosphere and its induction magnetic field have shown seasonal variation, morphological changes in the same season in which the amplitude is different in the spatial distribution. The annual variation range of the magnetosphere and its induction magnetic field in the longitude chain and latitude chain showed different characteristics. The ionosphere field and its induction magnetic field vary spatially in the longitude chain, but they are about the same of latitude chain station. Diurnal variation analysis showed that the model data is in good consistency with the measured data of the station on the magnetically quiet and disturbed date, and they are highly correlated.

CM4；Magnetosphere field；Ionosphere field；Observatory data；Induction field；The mean time value；Correlation coefficient

李細(xì)順，高登平，劉立申，趙志遠(yuǎn)，王利兵，2018．基于CM4模型的中國大陸地區(qū)地磁場時空分布特征分析．震災(zāi)防御技術(shù)，13（1）：98—113．

10.11899/zzfy20180109

中國地震局監(jiān)測、預(yù)報、科研三結(jié)合課題（160301）

2017-06-16

李細(xì)順，女，生于1976年。高級工程師。主要從事地磁觀測與研究。E-mail：270886468@qq.com

高登平，男，生于1973年。高級工程師。主要從事地震監(jiān)測與研究。E-mail：276221635@qq.com