基于三维Taylor多项式和曲面Spline模型的区域磁异常场研究（英文）

使用三维Taylor多项式模型,结合曲面Spline模型以及1960.0、1970.0、1980.0、1990.0和2000.0年的实测三要素数据以研究中国大陆地区的地磁异常场。为了获取较为真实可靠的磁异常场,从实测数据中移除了主磁场和电离层磁场和磁层磁场的感应场部分。将两种模型所得到的磁异常与基于实测点和Kriging插值法得到的磁异常相比较。通过将所有测点归算至2000.0年以研究磁异常的整体分布情况。结果显示无论分布还是强度,基于曲面Spline模型和基于Kriging插值法的总强度F的磁异常基本相似。对于整体分布而言,地磁要素X、Y、Z和F的磁异常分布都以负值为主。基于三维模型的磁异常显示随着经度的增加,要素X的强度由-100增加到0nT左右,要素Y的强度从400降低到20nT左右,大陆东部地区基本为负值。要素Z和F的强度变化非常相似,大部分地区都为-50nT左右,西藏西部有一更强的负异常区域。Spline模型可以更好地反映磁异常细节,而实测点的分布不均会产生一些较大的磁异常。考虑了高度因素的三维模型可进行更好的模拟,其与Kriging方法所建的磁异常分布较为一致。     

地磁场水平梯度及高空地磁场的计算与分析

本文以2000.0年中国地区的实测数据为例,首先利用5阶Taylor多项式方法建立了各分量的地磁模型,接着对模型中各分量的纬度和经度进行微分,计算得到各分量的水平梯度值,并绘制了相应分量沿南北方向和东西方向的水平梯度分布图,最后通过Zmuda多项式方法,基于地面模型值以及水平梯度值计算了高空(100 km)的各分量磁场值,并分析了水平梯度分布规律以及各分量随垂直高度的变化.结果表明:地磁场北向分量X、垂直分量Z、总强度F和磁倾角Ⅰ分量的水平梯度主要随纬度变化,其中X、Z和F分量随纬度减少而梯度降低,东向分量y和磁偏角D分量的水平梯度不仅随纬度变化,而且随经度变化,F分量的南北向梯度值在我国中心地区最大.在垂直方向,X、Z和F分量的强度分别随高度的上升而近似线性减小,在100 km高度处,强度变化平均值分别为-4.629 nT/km、-15.368 nT/ km和-16.226 nT/km,y分量强度随高度上升而呈近似线性增加,其平均变化值为0.166 nT/km,而D和Ⅰ分量基本不发生变化.     

2010.0年中国及邻近地区地磁场

本文通过对中国地区地磁场的球冠谐和分析和曲面样条分析,建立了2010.0年代的"中国地磁参考场球冠谐和模型"和"中国地磁参考场曲面样条模型".得到如下结论:"2010.0年代中国地磁参考场球冠谐和模型"描述的各地磁要素空间分布与"2005.0年代中国地磁参考场球冠谐和模型"较相似,但局部略有变化.比如对于磁偏角D和东向分量Y大致可理解为负值区域增强;磁倾角I在我国华北、华南和东北大部大面积正异常区消失了,但在我国西北部大面积的负异常区仍然维持;总强度F和垂直分量Z整体的负异常分布仍然维持,新疆西部局部地区和东南沿海地区局部的正异常分布则略有变化;变化最大的是水平分量H和北向分量X的空间分布,在2010.0年代,东南地区出现了大范围的正异常区,而且在中国北部出现了一条东西条带状的正异常区,似乎可认为是2005.0年代存在于太平洋的正异常区向西移动扩大的结果."2010.0中国地磁参考场曲面样条模型"描述的磁偏角D和东向分量Y相对较为曲折,最显著的异常位于蒙古境内,其次为滇东北地区、东北及华北大部、新疆等地区;磁倾角I和垂直分量Z相对较为平缓,最显著的异常存在于蒙古境内,其次的异常在内蒙满洲里附近;总强度F、水平分量H和北向分量X最为显著的异常位于满洲里附近,其次的主要异常区位于新疆地区、京津附近、滇东北地区.     

墨西哥及邻近地区地壳磁异常场研究

基于墨西哥国内49个地磁测点的3分量数据,利用全球模型CM4,区域模型Taylor多项式及曲面Spline 模型计算并分析了地壳磁异常场,并在境外均匀选取了16个CM4模型的地壳场值作为补充点以控制边界效应.为了进一步比较验证,还选用了最新的EMM2010模型.结果显示将实测值减去CM4地核场的差值所得到的磁异常分布与直接基于测点的CM4磁异常分布在分布形态和强度都有较大的差别,而与基于实测值的Spline网格值减去CM4地核场网格值后非常类似.总强度F在境内以负值居多,强度随纬度的升高其强度由大变小再变大;水平分量H在境内以正值居多,强度随纬度的升高而强度变大;磁偏角D分量除了西北部分区域外,其它区域都为正值,强度随经度的升高而变大.基于现代高精度的CM4及EMM2010模型绘制了墨西哥地区的磁异常网格值进行比较,两者间存在的差异主要由截断阶数与所使用卫星数据的不同所致.通过实测值结合Taylor多项式和曲面Spline两种区域模型研究磁异常,认为若进行地磁场异常的理论研究,可采用现有的高精度全球模型绘制的磁异常图,若进行实际的工程应用,可从实际的测点出发,结合常用的区域模型进行应用,曲面Spline模型较适于模拟区域地区的地壳磁异常.     

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.     

菲律宾及其邻近地区的地磁场模型研究

根据2001～2007年期间在菲律宾境内测量的74个点的地磁场数据,利用球冠谐和、泰勒多项式两种方法建立了2005.0菲律宾及周边地区地磁基本场模型,得到了菲律宾地区X、y、Z、D、I、H、F七个分量的分布.两种模型反映的同一地区的地磁场分布形态基本类似,只在拐点的舒缓度、等值线平滑度等方面存在区别.在8°N左右,X、...     

东亚地磁场模型的计算与分析

根据中国、前苏联和蒙古等地区的地磁复测点和地磁台站资料,使用泰勒多项式方法和冠谐分析方法,计算东亚地磁场(X,Y,Z)的泰勒多项式模型和冠谐模型,以及东亚剩余磁场(ΔX,ΔY,ΔZ)的冠谐模型和泰勒多项式模型,并绘制了相应的理论地磁图. 泰勒多项式模型的展开原点位于45°N和100°E,截断阶数为7.地磁场泰勒多项式模型的均方偏差为:X分量是133.0nT,Y分量是107.4nT,Z分量是14.0nT. 球冠极点位于45°N和100°E,球冠半角为42°,冠谐模型的截断阶数为10. 剩余磁场冠谐模型的均方偏差分别为131.2nT(ΔX),112.6nT(ΔY)和13.7nT(ΔZ). 对比分析了上述两种模型. 提出了确定区域模型截断阶数的判据.     

青藏高原地磁场模型的研究

根据青藏高原地磁三分量绝对测量资料,使用泰勒多项式方法和冠谐分析方法,计 算了青藏高原地磁场（Ｘ, Ｙ,Ｚ ）的泰勒多项式模型和青藏高原地磁剩余场（△Ｘ,△Ｙ,△Ｚ）的冠谐 模型,并绘制了相应的理论地磁图．分析了磁异常点对地磁场模型的影响,对比分析了地磁 场的多项式模型和冠谐模型,讨论了地磁场模型的边界效应问题．     

20世纪中国地区主磁场变化研究

为了研究2 0世纪中国地区主磁场变化, 首先使用最新的全球模型IGRF11, CALS3K. 4 (3K. 4) 和GUFM1进行计算, 并分析了1900—1990年的主磁场年变率均值的变化; 然后基于1960—2000年以10年为间隔的实测数据, 结合全球模型CM4与区域模型泰勒(Taylor)多项式(TY)模型分析了中国地区主磁场的年变率分布及年变率均值, 并与上述几种全球模型进行了比较． 结果显示: 20世纪利用IGRF11, GALS3K.4和GUFM1模型得到的主磁场的年变率均值均很接近. 它们所绘制的1960—2000年中国地区的主磁场年变率分布类似． 其原因主要是由于它们的建模原理相同且截断阶数接近所致． 基于实测点绘制的年变率分布与全球模型基本一致, X分量的年变率逐年减少, Y、 Z、 F分量的年变率均呈现先减小后增大的趋势．但两者也存在一定差异, 主要原因是由于更高密度的实测点及使用区域模型所致． 结果还显示了基于实测值绘制的年变率均值变化与CM4较为接近. 作者认为 CM4模型可以较好地反映中国地区主磁场的变化．      

CHAMP卫星主磁场长期变化和长期加速度的分布特征

本文利用CHAMP卫星磁测资料建立的新一代地磁场模型POMME-4.2S,分析了全球和中国地区地磁长期变化X、Y、Z、H、F、J、D 7个分量以及长期加速度X、Y、Z3个分量的分布特征,比较了POMME-4.2S长期变化模型与中国长期变模型CGRF-SV的磁异常分布差异.主要结果表明,地磁长期变化磁四极子起主要贡献,长期加速度变化磁八极子贡献最大.2004.0年全球长期变化的减小要比增加大得多,地磁场总体在减弱.长期加速度在中低纬度地区变化较大,高纬度地区变化小.Z和Y分量磁异常沿经度方向正、负交错形成几个大片区,X分量主要正负磁异常成对分布于赤道两侧.长期加速度X、Y、Z3个分量的磁异常分布存在明显的关系:在Z异常焦点的南北两边出现X的异常焦点,东西两边出现Y的异常焦点.中国地区的长期变化和长期加速度变化量小,分布相对均匀.     

用曲面Spline方法表示1900～1936年中国(部分地区)地磁场及其长期变化的分布

根据19360年426个地磁测点和28个IGRF计算的地磁数据,计算地磁场和地磁异常场各个分量的曲面Spline模型,并绘制相应的地磁图和地磁异常图.依据我国部分地区的1909～1915,1915～1920,1920～1930,1930～1936年间地磁偏角长期变化图,1908～1917,1917～1922,1922～1936年间水平强度长期变化图和1908～1922,1922～1936年间垂直强度长期变化图,使用曲面Spline方法,分别计算上述9个时间段的磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）长期变化的曲面Spline模型,并绘制相应的长期变化图.根据这些长期变化模型,将19360年426个点的三分量绝对值数据归算至1940,1930,1920,1910年和1900年,从而为计算这5个年代的地磁场模型奠定了坚实的基础.     

华南地区地磁场长期变化特征

使用华南地区5个国家基准地磁台2008—2018年地磁观测数据,通过对磁偏角D、磁倾角I、总强度F、北向分量X、东向分量Y、水平分量H、垂直分量Z月均值及年变率的分析,研究该区地磁场长期变化特征。结果表明,华南地区5个地磁台近10年来七要素月均值及年变率均呈缓慢变化趋势,且变化量相当,反映了该区域地磁场长期变化的特征。     

CM4模型数据与台站实测数据的对比研究

本文利用第四代地磁场综合模型(Comprehensive Model 4,CM4),计算了1982—2002年隆尧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,分析了各场源磁场随时间的变化特征。磁层源磁场及其感应场呈现出11年和27天的周期性变化,有些年的27天周期性变化显著,有些年则不太显著;电离层源磁场及其感应场具有明显的季节变化,不同年相同季节的变化形态一致但幅度不同;日变化分析显示,磁静日和磁扰日期间的模型数据与台站实测数据变化一致性较好,相关性较高。     

地磁正常场的选取与地磁异常场的计算

根据2003年中国地磁观测数据（包括135年地磁测点和35个地磁台）以及我国邻近地区38个IGRF计算点的地磁数据,计算中国地磁异常场的分布。选取两种地磁场模型作为地磁正常场,一是国际参考地磁场的球谐模型,二是中国地磁场泰勒多项式模型。根据各个测点的地磁异常值（观测值减去模型计算值）,用球冠谐分析方法计算地磁异常场的球冠谐模型,并绘制2003年中国地磁异常（△D,△I,△F,△X,△Y,△Z）。分析和讨论了中国地磁异常场。     

基于CHAMP卫星的区域卫星磁异常球冠谐分析（英文）

基于CHAMP卫星的矢量磁测数据,结合最新的IGRF12模型,并假设所有CHAMP卫星的网格测点位于同一高度(307.69km),基于498个测点,建立了2010.0年中国地区要素X、Y、Z和总强度F的卫星磁异常球冠谐(SCH2010)模型,建模前利用CM4模型移除了外源场。模型极点位于36°N和104°E,球冠半角为30°。通过比较△X、△Y、△Z以及X、Y、Z的均方偏差(RMS)的数值变化,确定截断阶数Kmax=9为合适的截断阶数。结合IGRF12所建立的卫星高度的中国地磁参考场(CGRF2010)模型与CM4模型具有较好的一致性,分析比较了基于SCH2010模型与类似磁异常模型的地面磁异常分布,发现各要素磁异常的强度与分布高度一致。通过比较F在不同高度处的磁场分布,发现SCH2010模型在不同高度的估算都符合地磁场的变化规律。比较发现SCH2010与CM4模型的空间变化率一致性较好。所建模型相较于其它区域拟合模型而言,可反映地磁场的更多细节,但球冠谐模型本身及建模过程为两个误差源。     

华北地区地磁场长期变化的地区差异

本文根据文献[1]给出的泰勒二次多项式曲面拟合方法,利用1980—1987年23个地磁台地磁总场F和Z分量实测资料,从年变率地区性差异方面进行了分析,从另一个侧面描述了地磁场长期变化的时空特征,达到了拟合与预测的目的。同时克服了文献[1]中外空干扰对年变率产生的系统拟合偏差的影响。此资料便于用差值法进行长期变改正,具有实用价值。     

东亚地区地磁场的理论分析与矩谐模型

根据东亚地磁场三分量绝对测量资料,使用矩谐分析方法研究了东亚地区（北纬２０-７０,东径４０-１６０）的地磁异常场,计算出地磁异常的矩谐模型．据此模型编绘了Ｘ．ＹＺ三分量磁异常图．结果表明,在东亚的中心地区地磁异常的分布比较均匀,表现出区域特征．而在边界地区,特别是西南角和东南角一带,由于缺乏实测数据,边界效应很大．     

1936年中国地磁参考场的冠谐模型

根据1936年中国东部和中部地区的地磁测量资料，以及国际地磁参考场DGRF1935和DGRF1940，用冠谐分析方法计算1936年中国地磁参考场(CGRF)的冠谐模型. 冠谐模型的截断阶数为8，球冠极位于36°N和104°E，球冠半角为30°.CGRF1936比相应的国际地磁参考场能更好地表示中国地磁场的分布，本文计算的冠谐模型的均方偏差分别为104.9 nT(X分量)，84.8 nT(Y分量)和121.1 nT(Z分量). 根据地磁场的冠谐模型，绘制1936年中国地磁图(X，Y，Z，F)和异常磁场图(ΔX，ΔY，ΔZ，ΔF).     

基于MF6, EMM2010和CGRF2010模型的中国大陆地壳磁异常特征

利用地磁场全球模型MF6, EMM2010和基于地面观测数据建立的2010.0中国地磁参考场(CGRF2010)等3个模型分别计算了中国大陆地区岩石圈磁场, 发现3个模型各有其特点: 基于卫星数据建立的MF6模型分辨率有限, 其磁异常条带呈蠕虫状; EMM2010模型岩石圈磁场概貌与MF6模型相似但细节特征十分突出; CGRF2010模型可信度较高, 其分辨率东西部差异较大, 异常形态以团状为主． 通过分析3个模型得到的中国大陆地区岩石圈磁场垂直分量ΔZ的强度及其分布特征发现: ΔZ分量在准噶尔盆地、 塔里木盆地、 柴达木盆地及四川盆地等地区均为正值, 而在天山、 大巴山等地区为负值; ΔZ分量分布在华北岩石圈地块与华南岩石圈地块吻合程度较高; 在青藏高原南部、 西域岩石圈地块北部以及松辽岩石圈地块, 全球模型与CGRF2010模型存在显著差别．      

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。