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.     

中国地区地磁长期变化研究

采用2000~2004年中国地区34个台站的地磁日均值数据, 计算了通日和静日的平均年变率,以及静日的拟合年变率.应用上述年变率, 建立了2000.0~2005.0年代中国地区地磁场长期变化泰勒多项式模型和曲面样条模型.分析讨论了该泰勒多项式模型和曲面样条模型与国际地磁参考场长期变化模型(IGRF-SV)的异同, 结果表明,中国地区地磁长期变化的泰勒多项式模型与曲面样条模型的形态与数值是一致的,而且与IGRF-SV长期变化的趋势也是一致的,但中国地区地磁长期变化具有区域特征.     

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。     

中国华北地区地磁长期变化的分析

本文分析处理了华北及其邻近地区以及日本三个地磁台1960——1977年的水平分量(H)、垂直分量(Z)和总强度(F)的观测资料。结果表明,华北地区Z的逐年变化在1974————1976年呈现一个由下降到上升的转折,但华北南部和北部的转折时间和速率存在着局部性差异,同时,等变线在空间上亦有由南向北的移动现象。H和F同样具有类似的区域性特征。 华北地区的上述差异,曾被一些作者认为是唐山地震的磁效应。他们提出:北京、昌黎地区地震前出现约数伽马至十几伽马的负异常。从本文的分析可以看出,这种负异常并非局部性的,它只不过是长期变化大尺度区域性特征的一种表现而已。     

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.     

中国地区地磁急变特征对地磁场长期加速度的响应

研究中国地区地磁急变（jerks）和地磁长期加速度（secular acceleration,SA）的响应关系,有助于深入了解地磁急变区域特征,并为地磁急变的地核动力学起源研究提供有用信息.本文利用中国地磁台站观测数据和CHAOS-7磁场模型,研究了自2000年以来中国地区地磁急变和地磁长期加速度的时空响应关系.结果表明,地磁长期加速度在东半球和西半球有不同的变化特征.西半球加速度斑块主要出现在赤道附近,并呈现明显的西向漂移特征;而东半球加速度斑块则在南北和东西方向上来回运动.地磁急变与长期加速度斑块的强度和位置密切相关,地磁急变通常发生在地磁长期加速度强度（secular acceleration intensity,SAI）的极小值时期.自2000年以来,全球长期加速度强度大约在2006年、2009年、2012.5年和2016年达到极大值,而在2003年、2007年、2011年和2014年附近达到极小值.中国地区在2003年和2014年出现地磁急变,这两个年份既是东半球长期加速度强度的极小值时期,也是长期加速度正负斑块反极性的过渡时期.然而,在2007年和2011年,中国地区没有发生地磁急变现象,主要原因可能是这两个年份附近中国地区长期加速度正负斑块没有发生反极性变化,同时东半球长期加速度脉冲斑块主要分布在南半球,远离中国地区.这些脉冲斑块对中国地区地磁长期变化的影响主要表现为引起长期变化的小幅波动.

     

《地磁长期变化》

1984年,苏联科学出版社西伯利亚分社出版了《地磁长期变化》一书,由苏联科学院西伯利亚分院物理研究所加里宁教授撰写.作者曾长期担任苏联科学院地磁、电离层与无线电波传播研究所的付所长和苏联科学院出版的《地磁与高空物理》学报的主编.他以地球基本磁场及其长期变化方面一系列出色的科研工作而闻名于国际     

应用NOC方法研究中国地区地磁时空变化

应用自然正交分量(NOC)方法,对1995～2006年中国地区36个地磁台的地磁场观测数据进行了计算,获得了上述数据矩阵的本征值和相应的空间域、时间域本征向量,并就其时空分布与中国地磁模型（CGM）进行了对比分析,探讨了它的物理意义.研究表明,上述观测数据包含了丰富的地磁内、外源场信息,其中地磁场要素F、D、I第一、第二本征值及相应的空间域和时间域的第一、第二本征向量所描述的地磁基本场时间变化与CGM吻合较好.     

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.     

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.     

长江三角洲地区地磁短周期变化异常的描述及解释

在长江三角洲地区进行了地磁短周期变化的观测，对资料的分析表明，该区域地磁短周期变化存在一非对称异常．其负异常较大，中心位于无锡、常熟一带；其正异常较小，中心位于海安与大丰之间．异常出现的周期为１００-３６００ｓ，并在１２０ｓ处取极大值．二维模型拟合表明，在该地区存在一由北向南上升的地下高导层．该高导层在溧阳、无锡、余山一线消失．这恰是溧阳、崇明大断裂之所在．该地区地表还存在有厚度为３００ｍ的高导覆盖层．     

长江三角洲地区地磁短周期变化异常的描述及解释

在长江三角洲地区进行了地磁短周期变化的观测,对资料的分析表明,该区域地磁短周期变化存在一非对称异常．其负异常较大,中心位于无锡、常熟一带;其正异常较小,中心位于海安与大丰之间．异常出现的周期为１００—３６００ｓ,并在１２０ｓ处取极大值．二维模型拟合表明,在该地区存在一由北向南上升的地下高导层．该高导层在溧阳、无锡、余山一线消失．这恰是溧阳、崇明大断裂之所在．该地区地表还存在有厚度为３００ｍ的高导覆盖层．     

地磁长期变化信号提取和模型预测精度评估

高精度地磁场信息在地球物理导航等领域有着广泛应用,一般依靠地磁场模型来预测未来磁场的时空状态变化特征.本文基于中国大陆10个地磁基准台站2009—2022年的连续矢量观测数据,通过月均值年差分和主成分分析方法剔除外源干扰场,进一步去除岩石圈磁场,提取得到了主磁场长期变化信号,并将其与IGRF和WMM系列主磁场模型结果进行对比.通过引入绝对误差、均方根误差等指标,定量评估了IGRF-12和WMM2015模型在中国大陆区域内1—5年尺度的预测精度.结果表明,IGRF-12和WMM2015模型均能总体反映我国大陆主磁场长期变化趋势,两者总场强度的5年均方根误差分别为54.19 nT和15.86 nT,WMM2015模型预测的7个地磁要素的精度均优于IGRF-12.模型误差会随时间逐渐增大,两模型总场强度的1年期最大误差为13 nT,5年期最大误差可达153.65 nT,难以满足高精度定向钻井等领域的地磁导航需求,因此,有必要结合地磁台等观测资料,研制年周期地磁场快速长期变化模型.

     

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.     

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.