Test of IGRF (1980) main field and secular variation in Europe

The IGRF-models for the main field and the secular variation (IGRF 1980 and IGRF-SV 1980–1985) have been compared with geomagnetic ground based data for epoch 1980.5 in the GDR, and also with the secular variation at 34 European observatories. The results for the main magnetic field were much better than for IGRF 1965. With a level-error of ～ 45 nT, the IGRF 1980 included ～ 75% of the magnetic crust field. The structure of the IGRF-field is similar to that of other regional reference fields.The IGRF-SV for 1965, 1975 and 1980–1985 have been compared with analytical SV-models, based on low-degree polynomial approximations. It is shown that the main features of SV in Europe are represented correctly. The mean differences between observatory data and IGRF-SV 1980–1985 are 1.5′/a for declination, and 7 nT/a for total intensity.     

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.     

基于中国地磁台网地磁子夜均值数据对地磁急变的分析

为探索地磁长期变化中地磁急变事件的识别方法,分析地磁急变的特征,本文基于多个地磁台站子夜均值数据,利用线性拟合方法计算了地磁场X,Y和Z三个分量的年变率,对近年来发生的地磁急变事件进行了识别和分析。结果显示:Y分量能对分析时段内已报道的地磁急变事件进行很好的识别,其中1999年的地磁急变事件,在我国区域内发生的时间可能为1998年,此外2017年可能存在一个新的地磁急变事件;Z分量年变率整体变化平缓,2001年和2013年前后发生两次显著的地磁年变率变化,并且分别早于2003年和2014年两次显著的地磁急变事件时间,这与下地幔的高电导率层对不同分量地磁信号从核幔边界传播至地表过程中的延迟作用有关;X分量年变率出现多次地磁急变事件特征,其变化与D_st指数年变率变化具有相关性,可利用其去除X分量年变率中存在的外部空间电流体系影响成分,更可靠地辅助Y分量对地磁急变事件进行识别。总体上,地磁子夜均值数据年变率的空间分布与基于第12代国际地磁参考场（IGRF12）模型计算的地磁数据年变率的空间分布所呈现的变化特征在总趋势上具有一致性,表明地磁台站子夜均值数据能够反映我国区域地球主磁场的变化特征,而分别由子夜均值数据和IGRF12模型计算的2003年Y分量年变率空间分布均存在的显著局部特征,可能与地磁急变事件的区域特征有关。      

IGRF-11描述的2005-2010年中国地区地磁长期变化及其误差分析

第11代国际地磁参考场(IGRF-11)是国际地磁学与高空物理学联合会(IAGA)于2009年12月提出的最新与比较准确的IGRF.根据IGRF-11模型,计算了2005-2010年中国地区地磁长期变化(SVC).IGRF-11所描述的2005-2010年中国地区地磁长期变化与实际观测的地磁长期变化(SVO)是基本一致的,但亦有明显差异.分析比较了在中国地区34个台站上的SVO与SVC之间的差异,并得到了它们之间的差值及其均方误差σ,对于地磁偏角和倾角,σ分别为0.35′/a与0.53′/a;对于地磁总强度、水平分量、北向分量、东向分量与垂直分量,σ分别为5.12nT/a,8.91nT/a,8.89nT/a,3.27nT/a与3.59nT/a.引起IGRF-11所描述的2005-2010年中国地区地磁长期变化的误差原因是:中国地区的区域性与局部性的磁异常、IGRF忽略了外源场与IGRF模型的截断阶数、全球台站与测点的分布不均匀、地磁观测误差等因素.由于中国地磁模型(CGM)优于IGRF模型,并能比较准确地描述中国地区地磁场及其长期变化,故在实际应用中应选用CGM.     

NOC model of the earth's main magnetic field

The international geomagnetic reference field (IGRF) is a standard model for describing the spatial structure and temporal variation of the earth抯 main magnetic field[1—3]. The first IGRF model, designated IGRF 1965, was adopted by IAGA in 1968[4]. In l…     

Modeling of the geomagnetic field secular variation based on the satellite surveys

The accuracy of the geomagnetic field secular variation (SV), obtained using different methods of analysis based on different data sets, has been estimated. A comparison of different SV models (developed by different groups of researchers) as candidates for compiling the IGRF 10th generation is the example of such an estimation. These models were obtained based on the Oersted and CHAMP satellite data. In the present work these models are compared in order to estimate the modeling algorithms and the effect of initial data selection on modeling results. To solve this problem, several SV models have been constructed based on the independent algorithms and data sets. The differences between the candidate models using different data proved to be of the same order. A comparison of the spatial power spectra indicated that all models constructed using data subjected to the frequency selection considerably differ from the models the data of which were not selected.     

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.     

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．     

南大西洋地磁异常区的辐射环境与低轨卫星粒子辐射通量计算

利用国际地磁参考场模型ＩＧＲＦ９０,分析了南大西洋异常（ＳＡＡ）区磁场变化的特征,计算了低轨卫星轨道积分粒子辐射通量及其随年代的变化。结果表明,在ＳＡＡ上空,同一高度上的磁场随时间的推移而减弱,粒子辐射通量随时间的推移而增加．对不同高度的卫星,轨道积分粒子辐射通量随年代的变化相差很大,低轨（＜１０００ｋｍ）卫星的变化明显,而＞１０００ｋｍ时变化很小．粒子辐射通量随时间变化的主要原因是ＳＡＡ区的磁壳结构畸变和“移动”,因此,计算不同年代的轨道粒子辐射通量,应使用同年代的磁场模型。近期卫星测量结果表明,这一论断与观测相符。本文提供的计算轨道积分粒子通量方法,结果的可靠性较高,对卫星的合理设计,载人飞船的辐射防护以及卫星的正常运行都有重要参考价值。     

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.     

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.     

关于东亚大陆磁场的研究

本文利用近三十年来的地面测量资料和东亚地区11个地磁台的资料,以及1965.0、1975.0国际地磁参考场等资料,对东亚大陆磁场的时、空变化特征进行了研究。内容包括:东亚大陆磁场的空间分布特征及场源深度的估算,东亚大陆磁场的中心位置及其磁场强度、磁场方向,近三十年来东亚大陆磁场的长期变化特征等。得到的主要结果是:1.东亚大陆磁场的中心位置近三十年来没有西向漂移的迹象,从而推断它的长期变化主要由场源强度的变化所引起,而不是主要由非偶场的西向漂移所引起;2.东亚大陆磁场的中心与它的长期变化的中心不相一致,同时,在青藏高原的东部还可能存在一弱中心。     

Construction of the spatial-temporal model of the main geomagnetic field using satellite data

The spatial-temporal model of the geomagnetic field has been constructed using the data of the high-accuracy survey of the CHAMP German satellite, obtained during its operation from May 2001 to September 2007. The daily average spherical harmonic models calculated at an interval of four days are used as initial data in order to expand these models by the method of natural orthogonal components (NOCs). It has been indicated that the obtained NOC series rapidly converges. The secular variations, secular acceleration, and Dst variation are distinguished as individual NOC components, which makes it possible to construct the spatial-temporal field model. In addition, the models-predictions have been constructed for the year 2008 based on the candidate models of the main field and the secular variation for the year 2005, which were used to obtain the IGRF2005 international model. A comparison of the models-predictions with the model constructed for the year 2008 using our method indicated that the accuracy of our model is not lower than that of the models, obtained by other scientific groups using the traditional method.     

Spherical harmonic analysis of the geomagnetic secular variation — A review of methods

Methods of producing spherical harmonic models of the secular variation of the geomagnetic field are reviewed and classified, more emphasis being given to modern methods. The relative merits of the different techniques are discussed and their relevance to possible procedures for updating the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) are considered.     

Geomagnetic secular variation from recent lake sediments,ancient fireplaces and historical measurements in southeastern Australia

Compilations of historical observations, archaeomagnetic data from ancient fireplaces and palaemagetic results from short cores of sediment from lakes in southeastern Australia, particularly Lake Keilambete, provide a detailed record of the geomagnetic secular variation during the last 3000 years. The independent sets of data are in good agreement if the radiocarbon time scale for the lacustrine record is about 450 years too old. The error is attributed to systematic incorporation of ancient carbon into the lake floor sediments, mainly through erosion of sediment on the crater walls at times of low water level. A significant lag between deposition and the acquisition of stable magnetic remanence is ruled out. Inclination has been abnormally steep during the last 500 years but remained fairly close to the axial dipole field value prior to that. During the last 1000 years the predominant sense of looping of the magnetic vector corresponds to westward drift of the nondipole field. Secular variations on a time scale of ～ 100 years can be resolved by the lacustrine record.     

中国部分地磁台站年均值与IGRF模型一致性分析

利用中国部分地磁台站1990～2003年的年均值资料,研究了台站年均值与IGRF模型计算值的一致程度,结果表明：①我国地磁台站的长期变速度与IGRF模型的长期变速度有差异：总体来讲,我国台站磁偏角D和垂直强度Z的长期变速度低于IGRF模型的相应速度;水平强度H的长期变速度在1990～1995年间高于IGRF模型的相应速度,在1995～2000年间低于IGRF模型的相应速度;②台站年均值与IGRF模型值的差值曲线中,H和Z有明显的起伏,反映了地磁场长期变的非线性;③虽然有上述长期变上的差异,但对于同一个台站,各地磁要素年均值与IGRF模型值的差值的标准偏差均低于IGRF模型的误差水平,说明IGRF模型与台站年均值的一致性比较好;④对于同一地磁要素,不同台站的年均值与IGRF模型值的差值的平均值相差较大,反映出台站所在位置地壳磁异常的巨大差异。通过总结上述工作,文中还讨论了地磁台站保持长期可靠运行的重要性以及地磁台网历史观测资料抢救的紧迫性。     

1950-1985年中国地磁长期变化的模型和分析

对1950年以来中国及其邻近地区的地磁观测台和复测点地磁三分量数据进行了系统地分析,求得这期间每5年的共7组地磁长期变化的模型（SV模型）.利用这些SV模型将需要的地磁观测值归算到所需的年代,很好地建立了1950-1985年中国地区的主磁场模型.文中还表示了中国地区1950年以来地磁各分量地磁长期变化的时空变化趋势.这些SV模型系数和国际参考地磁场系数计算的SV值与相应观测的SV值比较,由中国SV模型系数得到的均方值比国际参考场的小.     

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.     

IGRF在地磁研究中的应用

IGRF（国际地磁参考场）资料在地磁学的基础研究中得到广泛的应用.利用IGRF国内外学者研究了高斯分析、地球磁场模型及其源场可能位置、重磁关系、核幔耦合、地磁场能量、地球非偶极子磁场以及长期变化场的西向漂移等,研究了IGRF在我国地区的误差以及产生的原因.在研制中国地磁等值图中也得到某些应用.     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.