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基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析
基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析
李细顺*, 高登平*, 刘立申, 赵志远, 王利兵
(河北省地震局红山基准台,河北邢台 055350)
 [收稿日期]: 2017-06-16
摘要

本文利用第四代地磁场综合模型(Comprehensive Model 4,CM4),计算了1982-2001年中国大陆地区同一经度链和同一纬度链上地磁台站的磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场的地磁北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z的模型值,分析了各场源磁场随时间和空间的变化特征。结果表明:在时间上,经度链和纬度链台站的磁层源磁场及其感应场均呈现出11年和27天周期性变化。电离层源磁场及其感应场具有明显的季节变化,不同年份相同季节变化形态一致但幅度不同。在空间分布上,经度链和纬度链台站磁层源磁场及其感应场的年变化幅度呈现出不同变化特征,电离层源磁场及其感应场在经度链上变化特征不同,而纬度链台站的数值基本一致。日变化分析显示,磁静日和磁扰日期间,模型数据与台站实测数据变化一致性较好,相关性较高。



引言

利用地磁场模型研究地磁场变化在空间物理领域一直是一个基本问题,国内外均有科学团队在关注这一问题。

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,人们对于内源场研究较多(Haines,1985Alldredge,1987徐文耀, 2002, 2009Wardinski等,2006Lesur等,2008),对地壳磁异常场也做了很多工作(Hemant等,2005, 2007)。地磁模型能对地磁场时空分布进行较为直观的表示。1968年国际地磁和高空大气物理学协会给出了第一代国际地磁参考场模型(IGRF),之后每5年给出一个新的IGRF(杨云存等,2014)。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)联合开发了一种新的地磁场建模方法——"综合建模"(Comprehensive Modeling,简称CM)(白春华等,2008)。1993年,Sabaka等建立了第一代地磁场综合模型——CM1,1996年,Langel等在CM1的基础上建立了第二代地磁场综合模型——CM2(Langel等,1996),2002年,美国和丹麦空间研究中心的科学家Sabaka和Olsen等人建立了第三代地磁场综合模型——CM3(Sabaka等,2002),它相对于第一代和第二代的提高主要体现在进行了高阶地壳层场的静态表示,能在卫星高度获取大部分地壳异常场。CM3模型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)。

2004年,Sabaka等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(Sabaka等,2004),相较于CM3,CM4采用了更多卫星数据,包括POGO和CHAMP卫星标量数据,MAGSAT和Φrsted卫星标量和矢量数据。由于卫星位于电离层和磁层间的耦合电流区域(用于区分电离层和磁层的磁场强度),故可获取近地球区域各种场的电流源,并进行各种场的参数化和协同估算,通过迭代重加权最小二乘法进行合理划分,最后顺序计算7种磁场的值(地核场、地壳场、磁层源场、磁层源感应场、电离层源场、电离层源感应场、空间环形磁场)。CM4模型适用于磁静日期间,可对地磁场进行分层计算,相较CM3模型,其适用时间范围更长,为1960—2002年,进一步降低了预处理时的数据噪声。模型1—15阶代表地核场,16—65阶代表地壳场。

地磁台站记录到的地磁变化信号主要受到外源场和内源场两种场源的影响。其中,外源场起源于地表以上的空间电流体系,这些电流体系主要分布在电离层、磁层和行星际空间(李琪等,2015)。我国基于台站和卫星数据对电离层场以及磁层场开展了很多研究。丁鉴海等(2005)利用不同地区电离层台站数据对电离层F2层的临界频率f0F2进行了相关研究;姚丽等(2010)通过分析位于向阳面正午两侧的GOES-10和GOES-12卫星观测数据发现,激波作用于磁层时靠近清晨的磁场变化表现出简单压缩效应,而靠近黄昏的磁场变化则显然不同,即Bx分量减弱,Bz分量几乎为零,By分量则显著增强;徐文耀(2011)从能量守恒原理出发,讨论了太阳风-磁层-电离层耦合过程的能流路径和能量收支的定量关系问题。本文利用第四代地磁场综合模型(CM4),计算了1982—2001年中国大陆地区经度链和纬度链上地磁台站的磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场的地磁北向分量X、东向分量Y和垂直分量Z,分析了各场源磁场随时间和空间的变化特征。对CM4模型计算出的7种磁场值求和,与地磁台站实测数据进行对比,研究了模型数据与实测数据的一致性,为利用CM4模型数据做进一步研究提供依据。

1 数据计算

为了分析研究基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征,按照经度链和纬度链分别选取4个地磁台站(表 1),利用模型计算软件,计算得到了各台站位置处的地核场、地壳场、磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场、空间环形磁场等7种场源磁场的时均值,由于CM系列模型缺少对观察到的每日磁场变化的表示,本文主要对磁层源磁场及其感应场和电离层源磁场及其感应场的时空分布特征进行研究。

表 1 台站分布 Table 1 Location of the stations
2 模型数据各场源时空分布特征分析
2.1 磁层源磁场及其感应场的时空分布特征

CM4模型能够很好地分离地磁场场源,选取表 1中固定地磁台1982—2001年间每日世界时第19时磁层源磁场及其感应场时均值进行分析。

2.1.1 经度链数据变化特征

绘制经度链台站地磁场X分量磁层源磁场及其感应场每日世界时第19时时均值曲线和F10.7随时间变化曲线图(图 1),4个台站时均值曲线图按照台站纬度从高到低的顺序排列,从上到下依次为MZL(a)、LYH(b)、WHN(c)、QZH(d),F10.7(e)是太阳10.7cm波长(2800MHz)射电辐射流量随时间变化曲线,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。它的单位是sfu(太阳辐射通量,1sfu=1×10-22W·m-2·Hz-1)。


图 1 经度链台站磁层源磁场及其感应场X分量时均值随时间变化 Fig. 1 Changes of the mean value of magnetosphere and its induction field of X component with time in the longitude chain

从时间上看,4个台站X分量磁层源磁场及其感应场变化与太阳活动性指数F10.7的周期性变化相对应,1986年是太阳黑子活动低年,11年之后1997年磁场扰动也较小;相应地,1990年4个台站均出现强扰动,11年之后的2001年同样表现出强烈的磁场变化,存在显著的11年周期。

从空间分布上看,高纬度台站年变化幅度小于低纬度台站,各台站年变化幅度值见表 2(其他分量年变化幅度表省略),空间分布特征见图 2

表 2 经度链台站X分量年变化幅度 Table 2 Annual variation range of X component in longitude chain

图 2 经度链台站X分量年变化幅度的空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of annual variation range of X component in longitude chain

图 2显示,随着纬度减小,X分量年变化幅度逐渐增大,满洲里台X分量年变化幅度最小,泉州台年变化幅度最大,4个台站2001年X分量磁场源磁场及其感应场年变化幅度最大,1996年的年变化幅度最小。各台站X分量显著相关,且变化幅度随纬度降低而升高,环电流可能是影响其变化的主要因素。

经度链台站磁层源磁场及其感应场Y分量世界时第19时时均值随时间变化特征见图 3


图 3 经度链台站磁层源磁场及其感应场Y分量时均值随时间变化 Fig. 3 Changes of the mean value of magnetosphere and its induction field of Y component with time in the longitude chain

图 3所示,地磁场Y分量的磁层源磁场及其感应场呈现出显著的以1年为周期的一峰两谷规律变化,11年周期性变化不显著。年变化幅度也远远小于X分量年变化幅度。

从空间分布上看(图 4),相同年份,经度链上4个台站Y分量年变化幅度基本一致,台站间年变化幅度最大相差不超过3nT。1982年至2001年期间,各台站年变化幅度基本上为9—15nT,但1982年、1990年、2001年除外。台站间Y分量年变化幅度差别不显著,说明在不同扰动背景下影响Y分量的电流体系对经度链上台站作用大小是一样的。


图 4 经度链台站Y分量年变化幅度的空间分布 Fig. 4 Spatial distribution of annual variation range of Y component in longitude chain

经度链台站磁层源磁场及其感应场Z分量世界时第19时时均值随时间变化特征见图 5


图 5 经度链台站磁层源磁场及其感应场Z分量时均值随时间变化 Fig. 5 Changes of the mean value of magnetosphere and its induction field of Z component with time in the longitude chain

图 5所示,磁层源磁场及其感应场的Z分量与X分量具有相同的时间变化特征,但整体变化幅度小于X分量。从空间分布看(图 6),纬度由高到低,Z分量年变化幅度从大变小,满洲里台年变化幅度最大,泉州台年变化幅度最小。20年间Z分量在2001年的年变化幅度最大,1996年最小。


图 6 经度链台站Z分量年变化幅度的空间分布 Fig. 6 Spatial distribution of annual variation range of Z component in longitude chain
2.1.2 纬度链台站变化特征

采取与分析经度链台站磁层源磁场及其感应场变化特征相同的方法,绘制纬度链台站X分量磁层源磁场及其感应场世界时第19时时均值和F10.7随时间变化曲线图(由于篇幅所限,图略)。从时间上来看,纬度链上4个台站X分量磁层源磁场及其感应场与经度链上4个台站具有相同变化特征。从空间分布上分析,其变化特征却不同(图 7)。


图 7 纬度链台站X分量年变化幅度的空间分布 Fig. 7 Spatial distribution of annual variation range of X component in latitude chain

纬度链台站X分量磁层源磁场及其感应场年变化幅度基本不随台站的经度改变而变化,2001年各台站年变化幅度相差最大,最大相差4nT。

纬度链台站Y分量磁层源磁场及其感应场世界时第19时时均值在时间上的变化特征与经度链台站变化特征一致。在空间分布上(图 8),除1982年外的其他年份,纬度链台站磁层源磁场及其感应场Y分量的年变化幅度随台站经度增加而减小,格尔木台年变化幅度最大,泰安台最小。1982年9月6日发生了急始型磁暴,K指数最大为9,活动程度为S,红山台(LYH)和泰安台(TAA)世界时第19时时均值变化很大,导致1982年Y分量磁层源磁场及其感应场年变化幅度变大。格尔木台(GLM)和兰州台(LZH)却没有受到较大影响。


图 8 纬度链台站Y分量年变化幅度的时空分布 Fig. 8 Spatial distribution of annual variation range of Y component in latitude chain

纬度链上台站Z分量磁层源磁场及其感应场世界时第19时时均值变化特征与经度链台站在时间上的变化特征相同,同样具有显著11年周期变化特征。在空间分布上(图 9),Z分量年变化幅度不受台站经度影响。20年间Z分量年变化幅度2001年最大,1996年最小。


图 9 纬度链台站Z分量年变化幅度的时空分布 Fig. 9 Spatial distribution of annual variation range of Z component in latitude chain
2.1.3 磁层源磁场及其感应场27天重现性特征

本文选取1997年磁层源磁场及其感应场模型数据时均值,每3个小时的时均值取平均,每天生成8个时均值,与当日的Kp指数相对应,全年每3小时时段均值数据按27天分段,5个27天段对应均值取平均,与对应日期Kp指数进行对比(李细顺等,2015)。研究发现,经度链上4个台站按纬度从高到低顺序排列,依次为MZL(a)、LYH(b)、WHN(c)、QZH(d),X分量具有显著的27天周期变化,即地磁活动27天重现性(图 10),而Y分量27天周期性变化则不显著(图 11),Z分量27天周期变化特征与X分量一致(图略)。纬度链上4个台站磁层源磁场及其感应场XYZ三分量具有与经度链台站一样的变化特征。


图 10 1997年经度链台站X分量的27天周期变化 Fig. 10 The 27-day cycle variation of X component in the longitudinal chain in 1997

图 11 1997年经度链台站Y分量的27天周期变化 Fig. 11 The 27-day cycle variation of Y component in the longitudinal chain in 1997

磁层源磁场及其感应场27天重现特征主要受太阳27天自转周影响,地磁活动的27天重现性起源于太阳上的特定磁性区,即太阳冕洞,随着太阳的自转,冕洞周期性面对地球,从而引起磁层源磁场及其感应场27天周期性变化,经度链和纬度链上台站变化特征一致。

2.2 电离层源磁场及其感应场变化特征
2.2.1 经度链台站电离层源磁场及其感应场变化特征

根据WDC中心网站提供的Kp指数,每个月找出5个磁静日,相应地,筛选出1991年经度链上4个台站5个磁静日电离层源磁场及其感应场时均值数据,绘制图 12,从上到下按台站纬度从高到低顺序排列,依次为MZL(a)、LYH(b)、WHN(c)、QZH(d)。从图中可以看出,X分量、Y分量和Z分量呈现出显著的季节变化特征,夏季最大,春秋季次之,冬季最小,3个分量中Y分量变幅最大,X分量次之,Z分量最小。


图 12 经度链台站1991年电离层源磁场及其感应场变化 Fig. 12 Variation of ionosphere and its induction field of longitudinal chain in 1991

从空间分布上看,随着纬度从高到低,X分量由小变大,越靠近赤道的台站数值越大。Z分量却随纬度降低而逐渐减小。Y分量不随纬度变化而变化。

2.2.2 纬度链台站电离层源磁场及其感应场变化特征

同样,选取1991年纬度链上4个台站每个月5天磁静日电离层源磁场及其感应场时均值数据,绘制图 13,4个台站按经度从小到大排列,依次为GLM(a)、LZH(b)、LYH(c)、TAA(d)。从图中可以看出,X分量、Y分量和Z分量呈现出显著的季节变化特征,夏季最大,春秋季次之,冬季最小,3个分量中Y分量变幅最大,X分量次之,Z分量最小。


图 13 纬度链台站1991年电离层源磁场及其感应场变化 Fig. 13 Variation of ionosphere and its induction field of latitude chain in 1991

在空间分布上,X分量、Y分量、Z分量值不随台站的经度变化而变化,纬度链上的台站各个分量最大值和最小值基本相同。

采用同样的方法选取1996年数据进行分析研究。1996年是地磁活动低年,磁场比较平静,研究结果显示电离层源磁场及其感应场的时空分布特征与1991年的结果一致,只是各分量变化幅度要小的多,由于篇幅所限,在此不再赘述。

2.3 模型数据与实测数据的一致性分析

上述讨论均针对的是CM4模型计算分离出的独立场源。对软件计算出的CM4模型7种场源值求和,求和后的模型值与台站实测值所包含磁场成分较一致,通过分析模型数据与实测数据一致性,对模型可靠性进行了验证。

分别选取1997年7月(磁场平静月份)和2001年3月(磁场扰动月份)经度链和纬度链7个台站模型值和台站实测值的时均值,计算各台站地磁分量(XYZ)标准差:

$ \delta = \sqrt {\frac{{\sum\nolimits_{i = 1}^N {{{\left({{X_i} - \overline X } \right)}^2}} }}{N}} $ (1)

式中,XiX分别表示模型值与实测值的差值和差值的平均值,N为数据个数,标准差结果如表 3所示。

表 3 实测值与模型值差值的标准差 Table 3 The standard deviation of the difference between the measured and model values

表 3中看出,7个台站北向分量X的标准差均在33nT之内,东向分量Y的标准差均在13nT之内,垂直分量Z的标准差均在35nT之内,各台站差值的标准差相差不大。由于通常认为IGRF模型误差为50—100nT(王亶文,2003张素琴等,2008),参照判断IGRF模型误差水平的标准,上述标准差结果表明台站实测值与CM4模型计算值的差值比较稳定,一致性较好。

去除台站实测数据和模型数据的系统偏差后,对1997年7月的两种数据进行了对比,如图 14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)。


图 14 1997年7月模型数据与实测数据的时均值变化 Fig. 14 Changes of hourly mean values and Dst in Jul.1997

图 14左侧一列台站按经度由小到大而由上到下顺序排列,右侧一列台站按纬度由高到低由上到下顺序排列,在磁场异常平静的时间段内,模型数据与实测数据吻合非常好,X分量的相关系数为0.77—0.89,Y分量为0.89—0.92,Z分量为0.85—0.90。

为了进一步研究模型数据与台站实测数据变化的一致性,本文选取了2001年3月的数据进行分析。3月20日发生了特大型磁暴,图 15给出了台站实测数据与模型数据在3月期间的变化,高纬度和中低纬度台站在整个磁暴期间均吻合的很好,X分量的相关系数为0.95—0.96,Y分量为0.80—0.89,Z分量为0.70—0.94。


图 15 2001年3月模型数据与实测数据的时均值对比 Fig. 15 Changes of hourly mean values and Dst in Mar., 2001

模型误差(或偏差)与资料源和假设条件密切相关。由于CM4模型使用期限为1960—2002年,在此期限内,模型精度较高,磁静期间模型数据与实测数据的一致性较好,即使在磁扰期间,例如2001年3月磁暴期间,模型数据与实测数据的一致性也很好。

3 结论

本文比较系统地研究了基于CM4模型的地磁场在中国大陆地区的时空分布特征,着重研究了磁层源磁场及其感应场和电离层源磁场及其感应场的时空分布,研究结果显示:

(1) 经度链和纬度链台站磁层源磁场及其感应场X分量、Y分量和Z分量存在显著的11年周期变化,X分量变化幅度最大,Z分量次之,Y分量最小。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天周期性变化不显著。从空间分布上看,磁层源磁场及其感应场的X分量随着纬度减小年变化幅度逐渐增大,却不随台站所处位置经度的改变而变化,磁场扰动年份的年变化幅度最大;经度链上台站的Y分量年变化幅度基本一致,纬度链台站的Y分量年变化幅度除1982年外,其他年份年变化幅度随着台站经度增加而减小。Z分量年变化幅度随着纬度由高到低而从大变小,基本不随台站经度改变而变化。

(2) 经度链和纬度链台站电离层源磁场及其感应场季节变化特征一致,X分量、Y分量、Z分量均呈现出显著季节变化特征,夏季最大,春秋季次之,冬季最小,3个分量中Y分量变幅最大,X分量次之,Z分量最小。在空间分布上,随着纬度从高到低,X分量值由小变大,越靠近赤道数值越大,Z分量值却随纬度降低而逐渐减小,Y分量值不随纬度高低的变化而变化。X分量、Y分量、Z分量的电离层源磁场及其感应场值不受台站经度变化影响,纬度链上台站各个分量的最大值和最小值基本相同。

(3) 无论经度链还是纬度链台站,实测时均值数据与模型时均值数据在磁静和磁扰期间均较好吻合,相关系数较高,CM4模型能够较好地反映台站位置处磁场变化特征。

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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)
Abstract

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 X, Y, Z 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.

Key words: CM4   Magnetosphere field   Ionosphere field   Observatory data   Induction field   The mean time value   Correlation coefficient  


Characteristics of Spatial and Temporal Distribution of Geomagnetic Field in Chinese Mainland Based on CM4 Model
Li Xishun, Gao Dengping*, Liu Lishen, Zhao Zhiyuan, Wang Libing
(Hongshan Seismological Observatory, Hebei Earthquake Agency, Xingtai 055350, Hebei, China)
Abstract

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 X, Y, Z 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.



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基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析
李细顺*, 高登平*, 刘立申, 赵志远, 王利兵
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20180109