中国地磁场的三维结构及其长期变化

本文用矩谐分析方法得到了中国及邻近地区地磁场的三维模型。通过对本区磁异常水平分布特征及垂直递减率的分析可以推论出:中国及邻区的地磁测量资料会对国际地磁参考场（IGRF）的八极子（n=3）和更高阶磁极子（n>3）的系数计算产生影响。在1965—1970年期间,西藏磁异常中心及西太平洋磁异常中心以0.4°/年的平均速率西漂,同时以0.2°—0.6°/年的平均速率向北移动;X和Y分量的异常极值以3γ/年的速率增强,Z分量的异常极值以2—7γ/年的速率在减弱。     

2000年中国地区地磁场长期变化的区域特征

本文用中国地磁场复测点和地磁台站资料,建立了2000年代中国参考地磁场长期变化模型CGRF-SV2000.模型显示,中国地区地磁场变化比较平缓,X、Y、Z、H、D、I、F七个地磁要素的“无符号平均年变率”分别为12.2 nT/a、8.2 nT/a、43.8 nT/a、11.8 nT/a、0.96(′)/a、2.99(′)/a、22.4 nT/a,比国际参考地磁场IGRF给出的全球年变率约小1/3到1/2.各地磁要素的变化显示,地磁北极正在向中国移近,或者说,中国正在向高地磁纬度方向移动,平均移动速度约为3(′)/a.磁偏角变化还显示,中国地区东西部偏角差异继续扩大.作为检验和对比研究,本文利用第8代国际参考地磁场（IGRF）模型,分析了全球地磁场长期变化的时空特征,讨论了全球长期变模型IGRF_SV与中国长期变模型CGRF_SV的异同点.对比分析表明,中国地区地磁场的长期变化与全球长期变化总趋势基本符合,但是,CGRF_SV也表现出一些特有的局部异常特征.     

1985-1997年中国地磁场长期变化的正交模型

选取中国地区20个地磁台,日本地区3个地磁台的基本数据,使用自然正交分量方法(简称NOC方法)求得1985-199年中国地区地磁场三分量(X ,Y,Z)的自然正交分量的时间函数,即地磁场时间变化的正交模型. 对阶数从1-9的正交分量进行了试验计算,并计算出这23个地磁台分量的均方根偏差(RMS)值. 以1995年为例 ,取kNOC=1-3,将23个地磁台的正交模型值绘出了平面等值线图. 结果显示X , Y,Z长期变化速度的等值线非常平滑,分布均匀,且均具有明显的分区特征,这反映了主磁场的长期变化规律,而其中长期变化速率比较大的地区,反映地磁场的局部特征和有关的地球物理现象.     

1985-1997年中国地磁场长期变化的正交模型

选取中国地区20个地磁台,日本地区3个地磁台的基本数据,使用自然正交分量方法(简称NOC方法)求得1985-199年中国地区地磁场三分量(X ,Y,Z)的自然正交分量的时间函数,即地磁场时间变化的正交模型. 对阶数从1-9的正交分量进行了试验计算,并计算出这23个地磁台分量的均方根偏差(RMS)值. 以1995年为例 ,取kNOC=1-3,将23个地磁台的正交模型值绘出了平面等值线图. 结果显示X , Y,Z长期变化速度的等值线非常平滑,分布均匀,且均具有明显的分区特征,这反映了主磁场的长期变化规律,而其中长期变化速率比较大的地区,反映地磁场的局部特征和有关的地球物理现象.     

长春地磁台地磁场长期变化特征分析

利用1957—2012年长春地磁台地磁观测数据资料对长春地磁台地磁场的长期变化进行分析研究,系统地总结了长春地磁台地磁场长期变化的规律,揭示了长春地磁台地磁场是以波峰波谷,波浪式的缓慢递增和递减趋势,存在一定的周期性。     

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.     

中国及邻近地区地磁长期变化分析

利用2010.0—2016.0年中国国际地磁交换台站和中国邻近地区共14个地磁台站的X,Y,Z分量观测数据,结合世界资料中心发布的静扰日数据,计算了台站十日静日午夜均值,并进行三次多项式拟合,得到X,Y,Z分量的长期变化和年变率。同时,利用CHAOS-6和IGRF-12模型计算了2010.0—2016.0年F分量的长期变化,分别得到了CHAOS-6及IGRF-12模型计算值与台站观测值的差值。结果表明:同一地区的台站X,Y,Z分量变化趋势基本一致;Z分量的平均年变率与X,Y分量相比偏大;CHAOS-6和IGRF-12模型描述的F分量的长期变化与台站观测值之间的差值的绝对值分别为4.8～253.7 nT和0.9～420.0 nT。产生上述误差的原因主要是CHAOS-6和IGRF-12模型是描述全球地磁场的模型,而地磁场及其长期变化具有显著的区域特征和局部特征。     

北京地磁台地磁场长期变化的初步研究

根据北京地磁台1987~2012年已正式出版的《地磁观测报告》资料,对北京地磁台地磁场的长期变化进行初步分析研究。系统地总结了北京地磁台地磁场长期变化的基本规律,这对进一步认识了解北京地磁台地磁场各要素的变化规律与特征,以及应用北京地磁台的资料有一定的意义。     

我国及邻近地区地磁场的矩谐分析

本文从高斯位理论出发,得到了包含内源场和外源场的局部地区地磁场矩谐级数表达式,指出了局部地区地磁场内、外源部分分离的可能性。对中国及邻近地区1970.0年地磁场的矩谐分析结果表明:在北纬10°—45°之间有一个垂直分量的负异常带,异常中心在西藏高原和太平洋西部,最大异常值分别达到-330γ和-460γ;北向分量的正异常区从北纬23°一直伸展到北纬55°以北,极大值约在北纬40°附近,极值达300γ;东向分量在整个区域呈现微弱的正异常。本文对与矩谐分析有关的截断水平、光滑处理以及误差分析等问题也进行了讨论。     

1690～2000年地磁场能量的三维分布及其长期变化

利用Bloxham & Jackson 地磁场模型和国际参考地磁场模型(IGRF),研究了1690～2000年地磁总能量及其北向、东向和垂直向分量的能量以及非偶极子磁场的能量在地球内部的分布及长期变化.结果表明,地表和地核以外地磁场总能量及其北向和垂直向的能量是持续衰减的,垂直向的磁场能量占总能量的64％以上,对总能量的贡献起主要作用;东向分量的能量随时间的变化以增加为主.地磁场的能量变化率存在56年的周期,主要是由偶极子磁场产生的.地表以外的非偶极子磁能从减小到增大转折出现在1770年,比地核以外滞后40年.地球内部磁能随时间的变化显示,偶极子磁能逐渐减小,非偶极子磁能增加,越靠近核幔边界增加越快;偶极子和非偶极子磁能的变化量相等的分界面在距地心3780km处.从核幔边界到地表,磁能变化的衰减非偶极子比偶极子快,表明偶极子磁场比非偶极子磁场有更深的场源.     

东亚地区地磁非偶极场长期变化的分析

本文利用东亚及其邻近地区50个地磁台站1955-1977年地磁三要素（D、H、Z）的实测年平均值算出的非偶极场值X、Y、Z,选用“按距离加权最小二乘曲面拟合”方法,计算、绘制、分析了东亚地区地磁非偶极场及其长期变化的时空分布特征,并与国际参考场（IGRF）模式进行了粗略的对比。所得的主要结果是:1.1955.0-1965.0年代,东亚地区Z分量的增长速度在迅速减小;1965.0年代以后,Z值在逐年下降。2.从整体上看,东亚地区地磁非偶极场虽然形态与IGRF给出的结果基本吻合,但长期变化有明显差异。1965.0年代的IGRF长期变化模式与实测结果偏差甚大。为了使IGRF模式更好地拟合地磁长期变化处于转折时期的复杂地区的情况,看来时间间隔应更短些,例如5年为好,采用现在通用的方法是不适宜的。     

东亚地区地磁非偶极场长期变化的分析

本文利用东亚及其邻近地区50个地磁台站1955—1977年地磁三要素（D、H、Z）的实测年平均值算出的非偶极场值X、Y、Z,选用“按距离加权最小二乘曲面拟合”方法,计算、绘制、分析了东亚地区地磁非偶极场及其长期变化的时空分布特征,并与国际参考场（IGRF）模式进行了粗略的对比。所得的主要结果是:1.1955.0—1965.0年代,东亚地区Z分量的增长速度在迅速减小;1965.0年代以后,Z值在逐年下降。2.从整体上看,东亚地区地磁非偶极场虽然形态与IGRF给出的结果基本吻合,但长期变化有明显差异。1965.0年代的IGRF长期变化模式与实测结果偏差甚大。为了使IGRF模式更好地拟合地磁长期变化处于转折时期的复杂地区的情况,看来时间间隔应更短些,例如5年为好,采用现在通用的方法是不适宜的。     

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.     

中国及邻近地区地磁正常场及其长期变化的计算

本文根据国际地磁参考场系数,计算了中国地区1945～1990年代2~0×2~0网格地磁正常场值,并绘出了相应的正常场等值线图和等变线图,对其变化规律进行了分析.     

地磁场长期变化的自洽正态统计模型

从地磁场时间变化尺度可分的理论考虑和观测事实出发，建立地磁场Reynolds分解，强调地磁场时均部分和长期变化部分均包含所有的多极子分量；重新解释Constabe和Paker关于规一化Gduss系数的统计结果，从而将地磁场长期变化自洽正态模型自洽化．在这一结构最简单的统计模型中，地磁角度要素和总强度的统计分布均为非正态．地磁场方向及其等价表示虚偶极磁矩方向服从广义Fisher分布，可以解释地磁场方向和虚磁偶极矩方向的椭圆分布长轴大致正交的观测事实．模型的VGP角散布不能解释古地磁观测，意味着时均场中显著存在非轴向偶极子分量．解析结果加强了Egbert关于VGP路径优势经度为不均匀采样所致的推论．     

地磁场长期变化的自洽正态统计模型

从地磁场时间变化尺度可分的理论考虑和观测事实出发,建立地磁场Reynolds分解,强调地磁场时均部分和长期变化部分均包含所有的多极子分量;重新解释Constabe和Paker关于规一化Gduss系数的统计结果,从而将地磁场长期变化自洽正态模型自洽化．在这一结构最简单的统计模型中,地磁角度要素和总强度的统计分布均为非正态．地磁场方向及其等价表示虚偶极磁矩方向服从广义Fisher分布,可以解释地磁场方向和虚磁偶极矩方向的椭圆分布长轴大致正交的观测事实．模型的VGP角散布不能解释古地磁观测,意味着时均场中显著存在非轴向偶极子分量．解析结果加强了Egbert关于VGP路径优势经度为不均匀采样所致的推论．     

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.     

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.