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.

基于三维曲面Spline模型研究中国不同地区的磁场分布

利用地面台站以及子午工程测点,CHAMP卫星实测数据,建立了中国地区主磁场的三维曲面Spline(3DSS)模型。基于该模型进行了我国的高原地区(青藏高原28°N-38°N,78°E-102°E)、平原地区(长江中下游平原27°N-34°N,111°E-122°E)以及海洋地区(东海和南海部分区域16°N-30°N,123°E-136°E)的磁场模拟。分别基于高原及平原的实测数据建立了各自的3DSS模型。另外分别建立了对应的二维Taylor(2DTY)、三维Taylor多项式(3DTY)模型以比较验证。建模时考虑了所有测点的场源移除、地面及卫星数据间的数据真空、边界效应等问题。为了考察模型相对于实测值的模拟精度,对三个地区分别选取若干个测点不参与建模,将所建模型分别模拟这些测点,并计算残差、变化率及均方根偏差(RMSE)。结果显示无论是全国3DSS模型还是小区域3DSS模型,其变化率除了Y分量略大,其余分量都在1%以内,模拟精度均要好于2DTY和3DTY模型。小区域(高原及平原)3DSS模型能较好反映区域磁场分布。模型对高原的拟合最好,平原次之,海洋地区最差,说明3DSS模型不需要太多的测点即可完成建模,但建模精度依赖于测点的数量及分布。

全球综合地磁场模型精度评估及统计特征分析

随着全球地磁场模型的不断更新,利用相关数据开展精度评估及统计特征分析,对于精准评价地磁场模型的可靠性,具有十分重要的意义。结合国际地磁台网(Intermagnet)150个台站,分析了3个(POMME-11,CHAOS-7,EMM2017)全球综合地磁场模型在全球范围内的平均精度,得到了7个地磁分量的相关精度指标,从地磁台站数据比较的数值结果来看,EMM2017整体三精度相对较优,CHAOS-7次之,POMM11最差。其中EMM2017三分量(X,Y,Z)及总强度的精度分别为75.98 nT,104.38 nT,113.07 nT,101.71 nT,相对精度比CHAOS-7提升21.69%,5.45%,21.25%,24.94%,因此,在地学研究及地磁场应用方面,应优先采用EMM2017模型。同时基于功率普、系数相关性、敏感性矩阵3个方面对模型系数进行了统计特征分析,在功率普方面EMM2017均优于其他两个模型,而在系数相关性、敏感性矩阵方面CHAOS-7与CM6相似。

全球地磁场模型研究进展

地磁场模型主要用于描述全球地磁场的分布特征,已广泛应用于民用导航、资源勘探和地震与火山预警等相关领域。本文详细介绍了新一代全球地磁场模型的发展现状,给出了部分模型计算值的分布图,并概述了不同场源条件下相关地磁场元素值及年变率的计算原理。

中国地区地磁场水平梯度的计算与分析

根据2000年中国地区156个地磁台站和复测点的实测数据以及国境外的6个地磁台站实测数据,加上国境外36个IGRF点,分别利用Taylor多项式模型和曲面Spline模型,建立了中国地区地磁场总强度(F)、磁偏角(D)和磁倾角(I)的地磁模型,通过对两种模型中各分量的ψ(纬度)和λ(经度)进行微分,计算得到F、D、I的水平梯度值,并绘制相应分量沿南北方向和东西方向的水平梯度图,将其与2000年IGRF10的水平梯度图作比较,最后对水平梯度的空间分布以及三种梯度图进行了分析比较.结果表明:F和I的水平梯度主要随纬度变化,F随纬度增加,变幅约为7.0～6.0nT/min,在中部地区(25°～35°N,90°～120°E)强度达到最大;I随纬度的增加,变幅约为2′/min～1′/min;D的水平梯度随纬度和经度而变化,随着经度和纬度的增加,变幅分别约为0.4′/min～—0.3′/min和—0.1′/min～—0.4′/min.

基于Swarm卫星数据及CHAOS-6模型的中国地区岩石圈磁场研究

本研究主要关注Swarm卫星数据及CHAOS-6模型对岩石圈磁场的应用。重点考察该模型能否较好地模拟中国地区岩石圈磁场,同时检验高质量的卫星数据中是否还包含模型模拟部分以外的其他信息,特别是岩石圈磁场中的一些小尺度特征,这些信息有助于研究岩石圈磁场并提高模型的精度。基于Swarm卫星数据和CHAOS-6模型,将卫星数据沿轨道按纬度1^°为间隔网格化后,计算相邻网格的差值,即差分计算。对比不同轨道,不同时间段之间的轨道差分,同时还考虑模型中15-20阶磁场的长期变化,以研究岩石圈磁场中所包含的小尺度成分。结果显示CHAOS-6模型可以很好地模拟Swarm卫星数据,均方偏差在3nT左右,模型基本反映了地磁场的长期变化。此外,从数据上还发现了一个未被模拟的磁异常,该异常位于磁赤道附近,有可能是外源场影响的结果。对于岩石圈磁场的研究应更侧重于所建立的模型而非卫星数据本身。

基于Swarm卫星磁测数据的全球多场源地磁场建模

全球多场源地磁场模型因其可同时描述场源多、使用方便等优点在很多行业中得到了应用.本文基于高精度磁测卫星Swarm A自发射以来的九年标量和矢量观测数据,利用球谐分析方法,同时实现主磁场及其变化、岩石圈磁场和磁层外源场模型系数的反演.其中内源场球谐截止阶数70阶,对应空间分辨率为571 km;主磁场变化求解至13阶,采用6阶B样条函数描述,可实现主磁场长期变化、长期加速度等的计算;外源场球谐截止阶数2阶.统计结果表明最终模型拟合rms为3.29 nT.为了对模型结果开展评估,先后利用综合场模型CM6和CHAOS-7对功率谱以及各场源全球分布开展了对比,结果表明该模型与CM6和CHAOS-7模型结果在趋势和量值上均十分接近,其中主磁场、岩石圈磁场和磁层外源场与CHAOS-7模型典型残差分别在5 nT、1 nT和2 nT以内.此外,基于Swarm A卫星模型,我们还分析了2014和2023年的全球主磁场变化特征,对全球岩石圈磁异常和外源场分布规律进行了展示和总结.通过本项工作可以实现多场源模型系数的同步解算,为相关行业应用提供技术支撑.

低轨卫星磁测及全球地磁场建模

低轨卫星磁测因其覆盖范围广、精度高、无疆域限制等优点,已逐步成为全球高精度地磁探测和全球地磁场模型更新的主要手段.本文首先对国内外低轨卫星磁测发展历史、主要特征、测量精度、发展趋势等做了总结和回顾.其次介绍了低轨卫星磁测的在轨定标流程和方法,详细描述了作为重点和难点的矢量磁场在轨正交校正和坐标转换算法,并展示了主要磁测卫星在轨定标结果.文章最后介绍了全球地磁场建模理论,并对主要的全球地磁场模型、空间分辨率等进行了总结,展示了主磁场、不同分辨率岩石圈磁场、磁层和电离层电流体系外源场的全球分布形态和主要特征.得益于低轨卫星磁测技术,全球地磁场建模得到了快速发展,并在科学研究、资源探测、通讯导航、自然灾害防治等领域得到了广泛应用,但目前仍然面临时空分辨率有限等问题,解决这一问题需要融合近地表观测数据,并不断优化场源描述能力和建模技术.

2003年中国及邻区地磁场模型的计算与分析

根据2003年中国地区的135个测点和35个台站的地磁数据,建立了2003年中国及邻区地磁场泰勒多项式模型和球冠谐模型.在模型计算过程中,细致地分析了模型的截断阶数和边界约束对模型计算的影响.结果表明,所使用的地磁观测资料是准确可靠的,模型截断阶数的选取是合理的.本文所建立的中国区域地磁场球冠谐模型与泰勒多项式模型具有良好的一致性.

1950—1980年中国地区主磁场模型的建立及分析

本文根据丰富的地磁资料,用泰勒多项式方法推算出1950.0、1960.0、1970.0和1980.0年中国地区的主磁场模型,绘制出各个年代地磁要素的等值线图,分析研究了局部地区地磁场泰勒多项式模型的特点.

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.

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、H、F出现系统的拐点,同纬度的X、H、F东低西高.D、y零线分布于8°N左右呈东西展布,北侧为负,南侧为正,等值线沿经度分布的同时,在纬度上有不同程度的小起伏.Z、I空间分布呈现更加规则均匀的东西向分布特征.零线分布在7.5°N左右,零线北部是正值区域,南部是负值区域.两种模型与IGRF的差值的分布形态有很大的不同,球冠谐模型与IGRF模型差值的正负异常区域呈现正负异常相间的分布特征,且各分量的正负异常最大值分布在低纬度地区.而泰勒多项式与IGRF差值的正负异常分布却相对完整.

中国及邻近地区地磁场垂直梯度的计算与研究

根据地磁场的球谐模型,推导出地磁场各个分量垂直梯度的球谐表达式.计算出中国及邻近地区高度为0km,50km和100km处的地磁场及其垂直梯度的网点值,编绘出地磁总强度、垂直强度、水平强度和磁偏角的垂直梯度等值线图.研究了地磁场垂直梯度在地面上以及随高度的变化规律.

1980．0年东亚地区地磁场的勒让德多项式模型

根据中国、原苏联等地区的地磁复测点和地磁台资料，利用勒让德多项式方法，计算出１９８０．０年东亚地区的地磁场模型，绘制出总强度（Ｆ）、磁偏角（Ｄ）和磁倾角（Ｉ）地磁图．地磁场模型的均方偏差分别为：总强度１４４．６ｎＴ，磁偏角１９．１′，磁倾角８．５′．将勒让德多项式模型与ＤＧＲＦ１９８０进行了比较，并绘制出总强度的差值分布图．本文计算出来的地磁场勒让德多项式模型能较好地表示东亚地区地磁场的分布．

中国地磁测量、地磁图和地磁场模型的回顾

系统回顾中国地磁测量、地磁图和地磁场场模型的发展过程。我国每10a(1950-2000年）进行一次全国范围的三分量地磁测量（磁偏角、磁倾角、水平强度或总强度），并出版相应年代的中国地磁图。还出版了1965.0年青藏高原地磁图、1980.0年青海省地磁图以及1990.0年中国海域地磁偏角图。地磁场模型包括多项式模型、矩谐模型、冠谐模型和曲面样条函数模型。根据相同的地磁资料，分别计算1950-2000年中国地磁场的多项式模型和冠谐模型。

1985—1997年中国地磁场长期变化的正交模型

选取中国地区 2 0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 1 985— 1 997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 2 3个地磁台分量的均方根偏差 (RMS)值 .以 1 995年为例 ,取kNOC=1— 3,将 2 3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 .

基于贝叶斯证据的全球地磁场模型主磁场阶数分析

全球主磁场模型描述了主磁场的时空分布特征。模型的主磁场阶数是构建主磁场模型的关键问题之一。使用贝叶斯推理分析全球主磁场模型,依据贝叶斯证据比较模型阶数,为主磁场的阶数分析提供一种统计依据。利用Swarm卫星磁测数据,估计不同阶数的主磁场模型的证据。结果表明,在1~20的模型阶数中,阶数N=12具有全局最佳证据。参照Jefrrey’s scale的阈值区间,数据对阶数N=12的偏好显著优于其他阶数。实验表明,主磁场阶数的证据推理可用于研究主磁场贡献,结果与14阶球谐函数的功率谱分析相匹配。

地磁场模型及其在航天领域的应用

随着航天技术快速发展,通过对现有地磁场模型在航天领域中的应用现状观察发现,目前模型的精度和分辨率已不能满足日益激烈的空间领域的竞争。通过总结全球和区域最新的地磁场模型研究进展及其建模理论,分析地磁场模型在航天领域的应用,提出要加强现有磁测数据的整编以应对未来航天市场需求,为技术创新提供思路,研发适合我国航天发展的高精度、高分辨率的地磁场模型。

京津冀地区地磁场球冠谐分析

20 0 2年在京津冀地区进行了 4 5个测点的地磁三分量测量 ,对测量资料进行通化处理 ,通化时间为 2 0 0 2年 5月 5日 16～ 18时 (世界时 ) .通化后的观测均方差分别优于 1.5nT(地磁场总强度F) ,0 .5′(磁偏角D和磁倾角I) .将国际参考地磁场 (IGRF2 0 0 0 )作为地磁正常场 ,建立了京津冀地区地磁异常场的球冠谐模型 (BTHASCH) .球冠极的空间位置坐标为 39.5°N和 117.0°E ,球冠半角为 4° .在模型计算过程中 ,球冠谐函数的截断阶数分别取为 1～ 10 .经综合比较 ,最终采用的截断阶数为 5 .建立了京津冀地区参考地磁场的球冠谐模型 (BTHGRF) .根据模型 ,绘制了京津冀地区地磁异常场图 (ΔX、ΔY、ΔZ、ΔF、ΔD、ΔI)和京津冀地区地磁图 (X、Y、Z、F、D、I)

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.