引言

地磁场是指在固体地球内部和外部到磁层顶空间范围内所有场源产生的磁场,一般将地磁场分为内源场和外源场。国内外许多学者如Wardinski等(2006)、Haines(1985)、Alldredge(1987)、Maus等(2005)、徐文耀(2002;2009)、Lesur等(2008)都对内源场进行过详细的研究。同时,安振昌等(1992)、Hemant等(2005;2007)还针对地壳磁异常场进行了研究。地磁模型能对地磁场时空分布进行较为直观的表示,20世纪90年代美国国家宇航局戈达德飞行中心(NASA/GSFC)和丹麦空间研究所(DSRI)联合开发了一种地磁场建模的新方法,称之为综合建模(Comprehensive Modeling,简称CM)(白春华等,2008)。基于综合建模法Sabaka等(1993)建立了第一代地磁场综合模型CM1;Langel等(1996)在CM1的基础上建立了第二代地磁场综合模型CM2;之后,美国和丹麦空间研究中心的科学家Sabaka等(2002)又在CM2的基础上建立了第三代地磁场综合模型CM3。相对于CM1和CM2而言,CM3主要是进行了高阶地壳层场的表示,能在卫星上获取大部分已知的地壳异常场。CM3模型的内源场最大截断阶数N为65,时间跨度为1960—1985年,长期变化通过3次B-spline方法的13阶表示(冯彦等,2011)。

随后,Sabaka等(2004)利用卫星和台站数据在CM3的基础上建立了第四代地磁场综合模型CM4,与CM3相比,CM4采用了更多的卫星数据,包括POGO和CHAMP卫星的标量数据,以及MAGSAT和Oersted卫星的标量和矢量数据。CM4模型利用大量高精度的数据,通过迭代重加权最小二乘法进行估算,共求出了25243个系数。同时CM4将地磁场场源分离得更细,可分为地核场、地壳场、磁层源磁场、感应场、电离层源磁场;而且适应时间范围更长为1960—2002年,并进一步降低了数据噪声。CM4模型的1—15阶代表地核场,16—65阶代表地壳场。

利用CM4模型科学家进行了诸多研究,如:Maus(2008)利用CM4近年来建立的较为常用的全球地磁模型进行了地磁功率谱的研究;Torta等(2008)基于CM4等模型对每日磁场变化范围的长期表现进行了研究,结果显示CM系列模型缺少对观察到的每日磁场变化的表示,另外,在CM模型中不同等级的太阳活动必须使用不同等级的F10.7值;Hulot等(2009)利用CM4内源场的Mauersberger-Lowes功率谱与其他模型比较,分析了小尺度的地核场长期变化;Olsen等(2009)利用CM4进一步研究了可能存在的磁场外部源场。

本文计算了隆尧地磁台测点的CM4模型数据,分析了磁层和电离层场源磁场以及感应场在磁静日、磁扰日和世界时第19时时均值的日变化特征、季节变化特征、年变化特征、磁层源磁场及其感应场的27天重现性,并研究了模型数据与实测数据的一致性,可为台站利用CM4模型数据做进一步的研究提供依据。

1 数据处理与计算
1.1 台站数据

本文所用红山台地磁七要素的绝对时均值数据,均依据该台站历年地磁观测报告。1984年年初和1985年年初,台站的绝对观测仪器曾进行过更换或调试,造成1983年末和1984年初之间、1984年末和1985年初之间均有一个台阶性差值。为了便于与CM4模型计算结果进行对比,对台站数据进行了台阶量改正,将数据统一到同一个观测标准。

1.2 模型数据

CM4模型使用了1947—2002年期间POGO和CHAMP卫星提供的中国大陆地区地磁标量数据(F),以及Magsat和Oersted卫星提供的中国大陆地区地磁标量数据(F)和矢量数据(X,Y,Z),数据总数超过160万个。CM4所使用的台站数据采用了固定地磁台站的每月最静时时均值(OHMs)的两种不同采样率数据分别为:①1960—1985年间最接近1:00地方时的台站时均值,表示为OHM_1AM;②在POGO和MAGSAT卫星任务期间,每月磁静日中以2小时为间隔的台站时均值,表示为OHM_MUL。

1.3 数据计算

在丹麦空间研究所Olsen等(2009)和美国国家航空航天管理局戈达德空间飞行中心Sabaka等(2004)提供的模型计算软件的基础上,笔者编写了计算红山地磁台测点的时均值数据程序。该程序可通过输入年月日(格式为yyyymmdd)、经度、纬度、磁层场球电流强度指数(Dst指数)以及太阳通量指数(F10.7),计算出上述6种场源的半小时均值、时均值、日均值、月均值和年均值。

2 模型数据各场源时间变化分析
2.1 磁层源磁场及其感应场变化特征

笔者选取隆尧地磁台1982—2002年间每日世界时第19时模型数据的时均值,绘制了磁层源磁场及其感应场和F10.7随时间的变化曲线,如图1所示。F10.7是太阳10.7cm波长(2800MHz)射电辐射流量,由位于加拿大英属哥伦比亚彭带克顿市的射电天文台每天17时(UTC)对太阳进行观测得到,其单位是sfu(太阳辐射通量,1sfu=1×10-22Wm-2Hz-1)。

图 1 1982—2002年磁层源磁场及其感应场和F10.7的变化曲线 Fig. 1The temporal change of the magnetospheric field plus its induced field and the F10.7 in 1982—2002

图1为隆尧地磁台地磁场北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z在1982年1月1日至2002年9月15日期间磁层源磁场及其感应场的第19时时均值变化与F10.7随时间的变化曲线。从时间上看,3个分量呈现显著的以1年为周期的变化,其中,Y分量最显著,X分量与Z分量次之。X分量幅度变化最大,Z分量次之,Y分量最小。太阳黑子的活动周期大约为11.2年,活跃时会对地球的磁场产生影响,1990年4月三分量磁场均呈现强扰动,11年后的2001年3月三分量也出现了强烈的磁场扰动,存在显著的11年周期变化,这与太阳活动性指数F10.7周期性变化是对应的。

同时,笔者还选取1997年磁层源磁场及其感应场模型数据的时均值,以每3小时取平均值,每天生成8个数据,全年每3小时时段均值数据按27天分段,5个27天段对应的时均值迭加平均,用它与相应日期的Kp指数进行对比,如图2所示。从图中可以看出,X分量和Z分量具有明显的27天太阳自转周变化,即地磁活动的27天重现性,而Y分量27天周期性变化则不显著。

图 2 1997年X、Y、Z的27天周期性变化与Kp指数的对比图 Fig. 2The 27-day variation shown in X, Y, Z components and Kp index in 1997
2.2 电离层源磁场及其感应场变化特征

笔者选取1987年磁静日期间电离层源磁场及其感应场时均值数据,如图3所示。从图中可以看出,X分量、Y分量、Z分量呈现出显著的季节变化特征,夏季变幅最大,春秋季次之,冬季最小,其变化特征与姚休义等(2012)的研究成果一致,3个分量中Y分量变幅最大,X分量次之,Z分量最小。考虑到1989年是太阳活动高年,笔者选取1989年磁静日期间电离层源磁场及其感应场时均值数据做图,如图4所示。从图中可以看出,1989年的季节变化特征与1987年的相似,只是变化幅度要大的多。

图 3 1987年电离层源磁场及其感应场变化 Fig. 3The temporal change of the ionospheric field plus its induced field in 1987
图 4 1989年电离层源磁场及其感应场变化 Fig. 4The temporal change of the ionospheric field plus its induced field in 1989
2.3 时均值日变化对比分析

笔者抽取1987年5月的模型数据和台站实测数据的时均值,在去除了台站实测数据和模型数据的系统偏差后,进行了两种数据的对比,如图5所示。图中亮蓝线代表模型数据,黑色散点代表实测数据,红色的亮线表示相同时间内的Dst指数(对比图形均采用相同的表示方法)。


实线表示模型值;虚线表示观测值
图 5 1987年5月实测值与模型值的时均值变化 Fig. 5The temporal change of the hourly mean values and Dst in May 1987

从图5可以看出,台站观测值与模型预测值同步变化,变化趋势一致,幅度基本相同。实测数据与模型数据(X,Y,Z)差值的RMS为(9.88,10.57,4.20),相关系数X分量为0.88,Y分量为0.81,Z分量为0.83。

为了进一步研究模型数据与台站实测数据变化的一致性,笔者还选取1982年9月的数据进行了分析。9月6日发生了特大型磁暴,图6给出了实测值(X,Y,Z)时均值(黑点)和模型值(X,Y,Z)(蓝线)在9月的变化,在去除了实测数据和模型数据的系统偏差后,可以看出处在中低纬度的隆尧地磁台在整个活动较强的月份吻合得也非常好。在发生特大型磁暴期间,实测数据与模型数据(X,Y,Z)差值的RMS为(28.02,15.09,9.03),X分量变化幅度与Dst指数变幅均在-200nT~-300nT。台站实测数据与模型数据的相关系数在X分量为0.90;在Y分量为0.79;在Z分量为0.84。


实线表示模型值;虚线表示观测值
图 6 1982年9月实测值与模型值的时均值变化 Fig. 6The temporal change of the hourly mean values and Dst in Sep. 1982
3 结论

本文研究了地磁场中磁层和电离层场源磁场随时间的变化。磁层源磁场及其感应场分别具有11年和27天的周期性变化。电离层源磁场及其感应场呈现出明显的季节变化,夏季变幅最大,春秋季次之,冬季最小。其中,Y分量变化最显著,X分量和Z分量则比较平稳。不同年份电离层源磁场及其感应场的季节变化特征相同,但变化幅度不同,太阳活动高年变化幅度大,太阳活动低年变化幅度小。

磁层源磁场及其感应场的11年周期变化与太阳活动性指数F10.7周期性变化相对应,是11年太阳活动周影响的结果;其27天周期变化,是太阳27天自转的影响。电离层源磁场及其感应场的季节变化与太阳的光辐射有关,夏季光辐射最强,春秋季次之,冬季最弱。太阳活动高年的光辐射强于低年。

选取磁静日数据与磁暴期间数据进行时均值对比后发现,模型数据与台站实测数据吻合度较高,相关性较好。

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