国际参考地磁场模型中高阶球谐项对地磁场长期变化的影响

在国际参考地磁场（IGRF）模型中，高阶球谐系数比低阶系数小得多，所以高阶项对主磁场的贡献常被忽略不计. 但是，高阶项对主磁场的长期变化却有重大影响. 本文根据第八代IGRF模型，分析了IGRF 1945～1955中高阶球谐系数的异常特征对长期变化的影响，然后用修正IGRF模型估计并改正了这些影响. IGRF高阶项随深度增加而迅速增大，所以高阶系数的误差对深部磁场位形和磁场能量的计算有不可忽视的影响，对核幔界面流动状态的推断和地核半径的地磁估计有更为重大的影响.     

1900-2000年地球主磁场的本征模分析

利用1900-2000年国际参考地磁场模型（IGRF）,对地球主磁场的空间结构和长期变化进行了自然正交分量分析,得到了组成地磁场的主要成分（本征模）及其随时间的长期变化（SV）．第一本征模描述主磁场稳定结构的总体特征,其强度随时间单调减小;第二本征模主要描述印度洋和南大西洋地区正异常特征,其强度也随时间单调变化;第三本征模对应于加勒比地区正异常,其强度呈100a周期的变化,目前正处于下降阶段;第四本征模的主要特点是北美正异常和南亚负异常,其强度呈80a周期的变化;第五本征模对应尺度较小的局部磁异常,其强度的变化周期约60a;第六及其以后的本征模则对应空间尺度更小和时间变化更快的磁异常．分析表明,太平洋地区的磁场经历着缓慢的单调减小变化,其结构比较稳定,几乎完全包括在第一本征模中．但是,印度洋磁场结构较复杂,它是由空间结构不同和变化周期各异的多个本征模组成的．大西洋的北部、中部和南部分属不同本征模,它们有完全不同的时间变化特性．     

在地磁学与地球重力学中的球谐分析

球谐分析在地磁学与地球重力学中得到广泛的应用.由于地球磁场与地球引力场的不同,球谐表述有所不同.地磁场的高斯分析（球谐分析）的结果表明,地磁场没有单极子,而引力场有,地磁场有内外源场之分,而地球引力场只有内源场,地磁场的球谐级数收敛快,地磁场高斯级数所用的蒂合勒让德函数是Schmidt半标准化的,而地球引力场中用的是全标准化的,地磁场的高斯系数随时间变化快,每5年产生一个IGRF（国际地磁参考场）, 而引力场的变化是与地质变化有关,相对于地磁场来说,是缓慢的. 地磁场的高斯分析还存在一个唯一性问题.     

2000年中国地磁场及其长期变化冠谐分析

根据1998～2000年完成的118个地磁测点 和39个地磁台的三分量绝对测量资料以及IGRF2000，计算2000年中国地磁场冠谐模型(截断 阶数为8)，以及2000～2005年中国地磁长期变化冠谐模型(截断阶数为6). 球冠极位于36 °N，104°E，球冠半角为30°. 中国地磁场冠谐模型能更好地表示我国地磁场的时空变化 ，地磁场模型的均方偏差为：104.4 nT(X分量)，103.3 nT(Y分量)，123.9 nT(Z分量). 依据地磁场及其长期变化的冠谐模型，分别绘制2000年中国地磁图(F，X，Y，Z)和异常磁场图(ΔF，ΔX，ΔY，ΔZ)，以及2000～2005年地磁长期变化图(F，X，Y，Z). 指出改善地磁场模型边界效应 的途径，并对如何布设地磁复测点提出了建议.     

20世纪地磁长期变化场分析

利用IAGA（国际地磁与高空物理学协会）编制的IGRF(国际地磁参考场)研究了20世纪地磁场变化规律. 20世纪地磁长期变化场的四极子（n=2的高斯系数所表示）变化最为显著,与主磁场相比长期变化场的球谐级数收敛较慢,利用追踪异常焦点位置随时间的变化的方法,发现地磁非偶极子长期变化场的垂直分量Z的等值图上有五大异常,其漂移情况不太统一,但是基本上是西向漂移.这种西向漂移的不一致性,在某种程度上证明了地磁场模型的正确性. 20世纪地磁场长期变化的能量谱与主磁场的不同,偶极子、 四极子和八极子的变化较明显.     

国际地磁参考场在中国大陆地区的误差分析

IGRF（国际地磁参考场）是有关地球 主磁场与长期变化的模型，IGRF的误差主要来源于：忽略外源场、球谐级数的截断、台站分 布的不均匀、测量、忽略地壳磁异常场等. 分析我国大陆地区IGRF的误差，有利于我国地磁 研究 人员在工作中合理地应用IGRF资料. 如果不计磁异常与环境干扰都比较大的北京台，29个基 准台的IGRF的误差(均方根差)为146.9nT.     

基于CHAMP卫星与地面矢量数据联合建立中国地磁模型

首先对地面台站以及CHAMP卫星的矢量磁测数据进行预处理,结合12个子午工程台站最新的磁测数据,并利用第十二代国际地磁参考场模型(IGRF12)对不同数据归算至统一时间点,再结合第四代地磁场综合模型(CM4)计算并移除主磁场、磁层磁场、电离层磁场、感应磁场及较为微弱的环形场,最后通过球冠谐(SCH)模型联合建立了中国地区岩石圈磁场(地磁要素X、Y、Z和总强度F)的球冠谐模型(SCH2000),结合IGRF12得到了中国地磁模型(CGRF2000).建模同时考虑了测点数据海拔高度的影响,并讨论了截断阶数的选取以及边界效应的控制问题.通过比较均方偏差(RMS),认为8阶SCH2000模型可较好地反映中国地区岩石圈磁场,其分布与SCH1936、CM4以及Taylor多项式模型具有一定的相似性.从位置和强度来看,SCH2000模型所反映的岩石圈磁场更为准确,而与CM4存在一定差异,除了测点不同,截断阶数也是原因之一.通过验证,SCH2000模型各要素随高度的变化与CM4模型较为一致,所建立的CGRF2000与IGRF12模型的分布也较为相似.     

第11代国际地磁参考场

2009年12月,国际地磁学与高空物理学协会（IAGA）发布了第11代国际地磁参考场（IGRF-11）。第11代IGRF包括1900．0-2010．0年代（间隔为5年）共23个地磁模型与2010．0---2015．0年代地磁长期变化的预测模型,其中1900．0-1995．0年代模型的阶次为N=M=10,相应球谐系数的精度为lnT;2000．0—2010．0年代模型的阶次为N=M=13,其球谐系数的精度为0．1nT;而2010．0—2015．0年代地磁长期变化预测模型的阶次为N=M=8,其球谐系数的精度为0．1nT。本文概述了第11代国际地磁参考场及其2010．0年代地磁模型与2010．0--2015．0年代地磁长期变化的预测模型。     

主磁场谐波成分的空间相对强度分析

利用IGRF国际参考地磁场模型, 计算并分析了7~13阶球谐成分对主磁场的贡献。 结果表明, 地磁场要素F、 H和I的空间梯度具有显著的空间不均匀性, 有些区域梯度变化平缓, 有些地区梯度呈涡状结构, 进而由地磁场的空间梯度估算得到卫星高度的空间相对变化强度, 以及卫星上安装磁强计的伸杆震颤可能引起的观测误差。 此外, 主磁场梯度的长期变化非常缓慢, 在大约150年间其最大变化强度约为6 nT。 对于中国电磁卫星5年的设计寿命而言, 梯度变化幅度可能约为0.04 nT, 该梯度变化量对于主磁场的空间相对强度不会产生显著影响。     

最新国际地磁参考场模型IGRF11研究

详细阐述了国际地磁参考场模型IGRF11的建模原理、 数据来源、 球谐系数及误差来源等. 以NOAA/NGDC候选地磁场模型为例, 分析了数据的选取原则和校正方法. 在MATLAB环境下, 研制了该模型的可视化软件, 为制备地磁仿真基准图提供了最有可能和最为便捷的途径, 能有效使用国际公开数据, 减少外场地磁实测工作量和成本, 对地磁导航工程化具有重要的价值. 对模型检验值和实测值与模型计算值进行比较, 结果表明, 软件计算结果是正确的、 可靠的; 对IGRF11与WMM2010模型的异同点进行比较, 结果表明, WMM2010的模型精度要高于IGRF11, 具有更为广阔的适用范围. 最后, 从模型长期变化估算角度入手, 分析了引起IGRF11模型计算精度低的原因.      

地磁场全球建模和局域建模

地磁测量和地磁场建模是地磁学研究和应用的重要内容之一,构建全球和局部地区地磁场模型的物理依据是位场理论,观测依据是地面、海洋、航空、气球和卫星的磁场探测资料.地磁场建模涉及两个问题,即如何选取合适的基函数和怎样实现最佳的拟合.全球建模的经典方法是球谐分析(简记为SHA),它无论在理论上,还是在数值计算上均已非常成熟.与...     

利用中国地区的资料检验全球地磁场的球谐模式

本文利用1975年我国地区基本磁场和长期变化的资料,以及我国四个地磁台1970—1980年的年均值,检验全球范围地磁场的球谐模式,这些模式是 AWC_(75),IGS_(75),IGRF_(75)和 BBM_(80),就基本磁场模式而论,IGRF,AWC和 IGS 与我国地磁场的分布均有较大的偏差,但相对而言,AWC 和 IGS 对我国地区地磁场的拟合效果比 IGRF要好。对于长期变化模式,上述三个模式与我国地磁场的长期变化也有一定的偏差,其中,总强度和垂直强度的偏差可达近20nT/年;这三个1975年的模式均能较好地表示我国七十年代初期地磁场的长期变化,但不能较好地表示七十年代后期的长期变化;BBM_(80)能较好地表示七十年代后期磁偏角和垂直强度的长期变化。文章还讨论了关于建立全球和局部地区地磁场及其长期变化模式的几个问题。     

地磁场长期变化特征及机理分析

将地磁场的总变化分为三部分：偶极场自身变化，非偶极场自身变化及非偶极场磁斑区通过对核幔边界（CMB）层环形电流的调制来影响偶极场的变化. 本文利用国际地磁参考场模型IGRF）1900～2000计算分析了地球不同深度地磁场分布及长期变化特征，且讨论了变化的可能机制. 可以推论，地磁场西漂和倒转不仅是非偶极场引起，同时与偶极场有密切关系.     

自然正交分量方法在地震地磁监测中的应用

对比分析了地震地磁监测中运用自然正交分量方法建立的我国地磁场长期变化模型与传统的磁场线性预测长期变化模型在地震地磁监测中的误差,发现NOC方法优于线性预测方法,应在地震地磁监测中予以推广应用.在NOC模型建立过程中,还发现NOC方法有助于提取可能与地震活动性相关的地磁场微弱能量的时间变化,但还有待于进一步的研究.     

地球非偶极磁场对虚地磁极计算的影响

古地磁学使用的虚地磁极（VGP）是在地心偶极磁场假设下计算的,由于地球非偶极磁场的存在，VGP一般不同于真地磁极（RGP）.为了定量检验非偶极磁场对VGP的影响，本文利用国际参考地磁场模型IGRF 1900～2000，在全球5°×5°的“虚拟测点”网格上计算了VGP和RGP的位置，并求出两种磁极的经纬度偏差和二者的角距离.结果表明，南极地区VGP与GP的角距离最大，可达26°，南大西洋和欧亚大陆北部最大达到24°和18°，其余地区一般小于15°.VGP对RGP的偏差与地磁场分布有关：在非偶极磁场较弱的地区（如太平洋半球），纬度偏差一般不大（≤10°），但是在主要地磁异常区（如南大西洋和南极地区），VGP对RGP的纬度偏差可达25°.VGP对RGP的经度偏差要比纬度偏差大得多，例如在欧亚大陆北部地区，经度偏差分布在-180°到180°的大范围内.     

行星尺度地磁异常的长期变化

为了综合反映地球表面行星尺度磁异常的展布面积、磁场极值以及磁场分布特征等多种因素及其与磁能的关系，本文用穿过各异常区的“无符号磁通量”为特征参数来表征磁异常区强度.用第八代国际参考地磁场模型(IGRF)，分析了1900年到2000年全球最大的5个磁异常区的长期变化，结果表明，在一百年中，南大西洋(SAT)、大洋洲(AUS)和非洲(AF)3个异常区的磁通量均增加了200MWb以上，欧亚异常(EA)磁通量增加幅度稍小(157MWb)，上述4个异常区磁通量增幅为30%-60%，而北美异常(NAM)的磁通量则减小了50MWb.各异常区面积虽有变化，但最大变化仅为%左右.对磁异常区的西向漂移研究表明，地球表面和核幔界面的西漂明显存在差异：地表磁场有持续而稳定的西向漂移，全球平均西漂速度为0.2°/a；但核幔界面磁场的西向漂移速度要小得多，最大不超过0.1°/a.形成这种差异的原因可能是组成地磁场的不同球谐分量有不同的漂移速度；地表磁场的西漂主要决定于占优势的低阶分量，而核幔界面的西漂则受到高阶分量的重大影响.本文指出，在把地表西漂值用作地核磁流体运动速度的典型值时必须十分谨慎.     

地磁场模型误差分析中的几个问题

地磁场全球建模和局域建模理论是编绘全球地磁图和区域地磁图(如国家地磁图)的基础.区域磁场是全球磁场的一部分,因此,区域模型系数与全球模型系数之间存在着确定的关系.这些关系既是检验区域建模的分析方法是否合理,结果是否正确的判据,又是估计区域模型误差的出发点.全球建模的标准方法是球谐分析,而局域建模方法很多,大体可分为基于...     

基于第十三代国际地磁参考场模型在中国区域特征分析与研究

根据最新的第十三代国际地磁参考场模型（IGRF13）,计算了2015—2020年中国区域地磁场模型七要素长期变化速率,并在此基础上分析我国区域地磁场长期变化特征。通过分析计算我国28个地磁台的IGRF13模型值与实际地磁场的长期变化速率、差值及均方误差,结果显示：IGRF13模型所显示的地磁场长期变化与我国区域地磁场实际观测变化基本一致,但在局部区域也存在差异,IGRF13模型能够体现中国区域地磁场的特征。应用IGRF13模型数据时需要考虑局部区域与台站实际观测数据的误差。     

地磁场长期变化和日长十年尺度变化的周期特征

根据历史地磁场模型GUFM1、第10代国际参考地磁场（IGRF10）模型和日长资料,采用小波变换方法,分析了地磁场磁矩、能量、西向漂移等参数的长期变化和日长十年尺度变化的周期分量及其时变特征.结果表明,1800～2005年期间,偶极子磁场长期变化有82年和48年准周期分量,它们与日长变化的周期没有直接关系.非偶极子磁场参数的长期变化与日长变化有66年和32年准周期分量,66年准周期比32年准周期强.在66年准周期分量,西向漂移比日长变化超前8.8年,非偶极子磁场能量比日长变化滞后15.6年.日长十年尺度波动和地磁场长期变化的起源不存在因果关系.     

二十世纪的地球偶极子磁场

1900~2000年的IGRF(国际地磁参考场)资料使研究20世纪中地磁场的变化规律成为可能,在20世纪中,即使从19世纪起,地球偶极子磁场发生了较大的变化,偶极矩一直保持衰减的势头,地心轴的所有3个分量都是减小的.地磁南极的位置变化在1930年左右发生大的转折,1960年起向西和向南快速移动,偶极子轴在纬度方面变化只有1°左右,经度变化在3°左右,离磁极倒转的条件差得远.