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.     

关于地球引力场与地磁场相关性及其物理意义的讨论

Hide和Malin早在1970年就研究了地球引力场地磁场之间的相关性,把这一对具有重大意义的固体地球物理学研究的课题展示到了大家面前,引起了人们对地球各物理场之间的相互关系的极大关注。但是,Hide等在计算相关系数时,没考虑二者的带谐项以及地磁场四极子部分的高斯系数g_2~1和h_2~1,从而得出的结论是(整个)引力场与非偶极子磁场之间的相关系数为0.8381。我们知道,非偶极子磁场是地磁基本场的扰动部分,是偶极场与地核磁流体流动相     

地磁场长期变化球谐模型SVSHM 1960—1965

本文利用1960.0—1965.0全球157个地磁台站的X、Y、Z三分量年均值资料,进行了地磁场长期变化的球谐分析。我们采用5种加权方案（从主要考虑法矩阵条件数的方案S过渡到仅考虑资料误差的方案D）,并选择5种截断水平（球谐函数的截取级次从n=4到n=8）,共作了25次分析,从获得的法矩阵条件数和拟合残差两者的分析中发现,对这一组资料球谐级数的截取级次取为n=6,而加权方案采用S3/4 D1/4可能是最有效的,其结果即为地磁场长期变化球谐模型SVSHM 1960—1965。     

地磁场长期变化球谐模型SVSHM 1960-1965

本文利用1960.0-1965.0全球157个地磁台站的X、Y、Z三分量年均值资料,进行了地磁场长期变化的球谐分析。我们采用5种加权方案（从主要考虑法矩阵条件数的方案S过渡到仅考虑资料误差的方案D）,并选择5种截断水平（球谐函数的截取级次从n=4到n=8）,共作了25次分析,从获得的法矩阵条件数和拟合残差两者的分析中发现,对这一组资料球谐级数的截取级次取为n=6,而加权方案采用S^3/4 D^1/4可能是最有效的,其结果即为地磁场长期变化球谐模型SVSHM 1960-1965。     

梯度法在球谐综合中的适用性分析

针对地球表面球谐综合过程中要求考虑高程信息的问题,在球谐综合过程中,基于地形模型DTM2006.0和超高阶的重力场模型EGM2008,分别在椭球坐标系与球坐标系下,利用梯度法对球谐综合过程中的重力场泛函进行一定阶次扩展,分析梯度法在椭球坐标系与球坐标系下的适用性.在实验区域,计算结果表明,在球谐综合过程中,利用梯度法计算重力场泛函,它能够将高程信息带来的近似误差减少到对实际应用无关紧要的程度,可计算任意密集网格点上的表面重力场泛函.     

小波分析及其在地球重力学中的应用展望

本文在扼要介绍小波分析基本理论的基础上,阐述其一些主要功能,进一步讨论小波分析在地球重力学各领域中应用的可能性及预期效果,并展望其应用前景     

Sq等效电流在太阳活动周中的分析研究

Sq电流体系的产生与太阳密切相关,太阳的活动情况会对Sq电流体系造成直接的影响.本文应用1996年至2006年(第23太阳周)INTERMAGNET地磁台网以及中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心的全球地磁场观测数据,通过球谐分析的方法建模,对11年期间每月Sq内外源等效电流体系进行分离,分析Sq内外源等效电流在太阳活动周中的变化情况.结果表明,Sq内外源等效电流强度与太阳黑子的变化具有较高的相关性和一致性,内外源等效电流强度在太阳活动高年期间明显大于其在太阳活动的上升年和下降年期间的强度;Sq内外源等效电流焦点的纬度变化与太阳活动没有显著的一致性;Sq内外源等效电流强度的季节效应在太阳活动的高年和低年具有显著的差别,太阳活动高年期间等效电流强度在分点季节最大,而在其他年份南北半球的等效电流强度都是在各自半球的夏季达到最大.     

球谐旋转变换结合非全次Legendre方法的局部六边形网格重力场球谐综合

本文首次提出基于六边形网格剖分的全球重力场结构,并解决了局部六边形网格点模型重力异常快速计算问题.首先,采用全新的方法给出缔合Legendre函数值从稳定振荡区到快速衰减区分界线的理论表达式,并基于该公式提出一种基于跨阶次递推的非全次Legendre方法,实现了高纬度地区点的快速球谐综合.其次,引入球谐旋转（Spherical Harmonic Rotation）理论,实现了2160阶次的球谐系数在坐标系旋转下的变换,结合非全次Legendre方法,解决了中低纬度地区点的快速球谐综合.通过计算南极洲（高纬）低分辨率和加里曼丹岛（低纬）高分辨率六边形网格重力异常表明,非全次Legendre方法以10^-19m·s^-2精度水平与传统全阶次方法计算结果吻合,且计算效率提升1倍多,旋转变换结合非全次Legendre方法的计算精度在10^-16m·s^-2,效率提升近5倍.本文提出的方法不仅提升了球谐综合的计算效率,凡是有高纬度的缔合Legendre函数计算的问题,都可利用该方法提升效率,同时,超高阶次球谐旋转变量变换的实现将在地磁场模型构建、计算机视觉、量子物理等领域发挥重要作用.

     

地球主磁场的NOC模型

从1900~2000年国际参考地磁场球谐模型系列出发, 建立一种新的地磁场模型──自然正交分量模型, 简称NOC模型. 首先, 由IGRF1900-2000的高斯系数求出地磁场的本征模; 然后, 以此作为基函数系, 将每一年代的磁场展开, 求出各本征模的强度系数, 即可得到表示地球主磁场空间结构和时间变化的NOC模型. 对NOC模型的收敛特征和基函数的稳定性进行了数值检验, 结果表明, 与传统的IGRF球谐模型相比, NOC模型具有级数短、收敛快的特点；在所研究的100年内, 低阶NOC基函数比较稳定, 而高阶基函数有较大的变化. 讨论了NOC模型基函数的物理内涵, 并揭示了地磁场的空间结构及其长期变化之间的内在联系.     

引力场球谐综合的Walsh变换方法

提出直接在序率域内用Walsh变换实现引力场球谐综合的问题。给出球谐函数展开式的Walsh变换及快速算法,讨论了Walsh变换和Walsh-Fourier变换、Fourier变换之间的差异,分析了用地球重力场模型OSU81的位系数作出的Walsh变换和Fourier变换的结果。研究表明:Walsh变换与Walsh-Fourier变换、Fourier变换对应向量在数量方面的差值通常都小于士10~(-5);对于给定的阶数和飞行高度,3种方法求得的球谐综合值总是完全一致的;1°×1°等网格数据和Walsh函数形状相近。在重力场研究中Walsh级数会比Fourier级数收敛得更快;Walsh变换在计算速度、计算准确度、数据储存、收敛速度和方法简单方面都好于Fourier变换。     

Least squares and integral methods for the spherical harmonic analysis of theSq-field

Spherical harmonic coefficients (SHCs) for the daily magnetic variation fields (solar and lunar) and the main field of the earth are usually estimated by the method of least squares applied to a truncated spherical harmonic series. In this paper, an integral method for computing the SHCs for the solar quiet daily magnetic variation fieldSq is described and applied toSq data for May and June 1965. TheSq SHCs thus derived are then compared with the results obtained using both unweighted and weighted versions of the least squares method. The weighting used tends to orthogonalize the least squares terms. The integral and weighted least squares results agree closely for terms up to order 4 and degree 30, but both disagree considerably for the higher degree terms with the results of the unweighted least squares. Errors introduced by the numerical integration can be shown to be small, hence the disagreement between integral and unweighted least squares coefficient sets arises from improper weighting. Also, it is concluded that discrepancies between the geomagnetic northward and eastward component-derived coefficient sets arise from either time-dependent external sources that produce non-local-time, based fields or nonpotential sources and not from truncation of the spherical harmonic series as has previously been suggested.Deceased.     

对宿迁地震台地磁所受干扰的再次分析

在地震观测中,环境保护很重要,不过因为采集地震信息是一个很长的、持续不断的过程,在这一漫长的过程中,很难避免地震观测环境不受破坏。2006年7月开始,江苏宿迁地震台的地磁观测因为新建办公楼受到了影响。在楼房建设的过程中,本人曾对这一干扰做过简单的分析,不过因为当时还在建设过程中,最终的干扰量无法确定,如今工程已彻底结束,本文对工程结束后的最终干扰情况进行分析,以对这个事件做出一个较全面的阐述。     

水下地磁导航中位场积分迭代法收敛性分析

位场积分迭代法是获取水下地磁数据库的基本技术,对水下地磁导航的实现提供了基础.该算法的收敛性问题没有严格的数学推导,通过压缩映像原理证明了位场积分迭代公式在满足一定条件时的收敛性问题,为获取海域水下磁场数据库的基本技术提供了理论依据.     

太原郝庄5.0级地震前后地磁异常研究

2002年9月3日在太原郝庄发生了ML 5.0地震,此次地震是1957年太原Ms 5.0地震后时隔45年太原地区发生的最大地震.震中距太原地磁台仅为20 km.太原地磁台属国家Ⅱ类台,已有20多年的观测历史,此次地震前后,台站观测到不同程度的异常.本文应用"加卸载响应比法"、"低点位移"、"一阶差分"、"转换函数"4种方法,对这些异常从时间和空间两方面进行了分析处理和对比研究,给出了一些异常特征和定量化指标.     

边界点选取对蒙古地磁场球冠 谐和模型精度的影响

中国地震局地球物理研究所与蒙古科学院天文与地球物理研究中心于2011—2012年合作开展了蒙古119个野外地磁测点的测量工作. 本文利用蒙古119个测点准确可靠的地磁数据, 分别加上9组边界点EMM2010模型计算值, 得到了蒙古2010.0年代地磁异常场的9个球冠谐和模型; 给出了地磁异常场北向分量ΔX、 东向分量ΔY和垂向分量ΔZ的等值线分布图, 并比较分析了这9个模型的异同; 同时计算了119个测点的地磁测量值与模型计算值之差的均方根误差σ, 以σ为指标来表征这9个模型的精度, 由此定量评价了边界点选取对模型精度的影响. 结果表明, 适当引入边界点能够提高模型精度, 而远离测区3°—5°的均匀边界点也能起到改善模型精度的作用. 因此在实际建模时, 应当在计算区域边界引入适当的边界点, 以改善地磁模型的精度.      

基于张衡一号卫星数据的中国区域岩石圈磁场球冠谐分析

张衡一号卫星于2018年2月成功发射升空, 卫星上搭载有测量地磁场的高精度磁强计, 包括标量和矢量磁力仪.本文基于张衡一号卫星2018年3月—2022年5月的标量磁测数据, 利用球冠谐分析进行中国区域的岩石圈磁场建模工作.首先选取地磁活动平静时期(Kp≤2o)的夜侧数据, 来减少外源场的影响; 然后, 利用CHAOS-7模型计算值去除主磁场和外源场, 得到岩石圈磁异常值, 再利用球冠谐分析进行中国区域的地磁场建模, 得到最大阶数为53.17(对应地表波长为752 km)的球冠谐模型.该模型可以明显揭示出中国及邻区的主要岩石圈磁异常, 包括位于我国塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地和境外的贝加尔湖、孟加拉盆地附近的高值磁异常, 以及位于青藏高原南部的东西向低值磁异常.为了对模型结果进行进一步分析, 将其与Swarm-A卫星数据球冠谐建模结果和CHAOS-7球谐模型结果在不同高度上进行了对比, 主要磁异常的分布基本一致, 而且在向下延拓到100 km高度时, 本文的模型也能够提供比较稳定的结果, 但是在幅值和磁异常形态细节上存在一定差异.

     

Regional gravity field modeling based on rectangular harmonic analysis

Regional gravity field modeling with high-precision and high-resolution is one of the most important scientific objectives in geodesy,and can provide fundamental information for geophysics,geodynamics,seismology,and mineral exploration.Rectangular harmonic analysis(RHA)is proposed for regional gravity field modeling in this paper.By solving the Laplace’s equation of gravitational potential in local Cartesian coordinate system,the rectangular harmonic expansions of disturbing potential,gravity anomaly,gravity disturbance,geoid undulation and deflection of the vertical are derived,and so are the formula for signal degree variance and error degree variance of the rectangular harmonic coefficients(RHC).We also present the mathematical model and detailed algorithm for the solution of RHC using RHA from gravity observations.In order to reduce the edge effects caused by periodic continuation in RHA,we propose the strategy of extending the size of computation domain.The RHA-based modeling method is validated by conducting numerical experiments based on simulated ground and airborne gravity data that are generated from geopotential model EGM2008 and contaminated by Gauss white noise with standard deviation of 2 mGal.The accuracy of the 2.5′×2.5′geoid undulations computed from ground and airborne gravity data is 1 and 1.4cm,respectively.The standard error of the gravity disturbances that downward continued from the flight height of 4 km to the geoid is only 3.1 mGal.Numerical results confirm that RHA is able to provide a reliable and accurate regional gravity field model,which may be a new option for the representation of the fine structure of regional gravity field.     

发震时间与潮汐引力

地震预报，即震级、震中位置和发震时间的预报等，仍是当今世界公认的难题。笔者通过对公元1303年～2003年间全球3386次震例的统计，发现有60％以上的中强地震发生在井水位固体潮的增压时段，进而对发震时间与井水位固体潮的关系进行了分析探讨。     

低纬地区地磁场谐波特征

利用我国低纬地区琼中、广州和泉州３个地磁台１９８２－１９８９年的地磁静日实测值，分析了Ｈ、Ｚ和Ｙ三个地磁分量的谐波特征。结果表明，①Ｈ、Ｚ两分量的谐波振幅一般在春秋季最大，冬季最小，Ｙ分量的谐波振幅在夏季最大，冬季最小，它们的变化形态基本上与太阳黑子数的变化形态同步；②三分量的相位都受到太阳活动和季节的影响。