Recent geomagnetic storms observed by Macao Science Satellite-1

Geomagnetic storms are rapid disturbances of the Earth’s magnetosphere.They are related to many geophysical phenomena and have large influences on human activities.Observing and studying geomagnetic storms is thus of great significance to both scientific research and geomagnetic hazards prevention.The Macao Science Satellite-1(MSS-1)project includes two high-precision Chinese geomagnetic satellites successfully launched on May 21,2023.The main purpose of MSS-1 is to accurately measure the Earth’s magnetic field.Here,we analyze early MSS-1 geomagnetic field measurements and report observations of two recent geomagnetic storms that occurred on March 24,2024 and May 11,2024.We also calculate the related geoelectric fields as an initial step towards a quantitative assessment of geomagnetic hazards.

地电暴与磁暴的对比研究

为了加深地电暴与磁暴的认知,需要全面加强地电暴与磁暴之间的对比分析。通过针对地电暴与磁暴开展识别分析与统计,并全面加强地磁场与地电场数据的相关性分析,通过对相同地区不同台站的相关记录进行对比,可以在一定程度上了解地电暴与磁暴之间的差异性。结果表明,即便台站地磁场在同一磁暴中出现的变幅基本相同,但是地电场对应的测项其最大变幅则存在相对较大差异性。这说明地电暴与磁暴有着对应关系,磁暴中的地磁场水平分量将会出现明显变化,正是因为地电暴、磁暴两者之间具有强对应关系,所以要通过地电暴与磁暴的对比进行研究,可以进一步加深对于地电暴与磁暴的认知。

河北省数字地电场数据分析

通过分析总结河北省数字地电场的正常场和异常信息,发现正常记录除了显示日变周期外,还记录到了半日和三分之一日周期,比较长的周期还有半月周期等;干扰信息主要与电极极化及磁暴等有关,大磁暴干扰一般会出现高频信号,破坏正常日变形态,其主要表现为多台同步等幅信号;对台站的电场方向性研究发现,在正常时段电场记录方向性显著,而磁暴记录期内方向性较差,显示外空异常源方向比较复杂。最后对一些可能与地震有关的异常现象进行了分析探讨。我们认为,目前的多极距地电场观测对排除干扰及异常识别带来很大方便,但共用电极的观测方式为异常识别增加了障碍。

基于稀疏地磁数据的中低纬度磁暴感应地电场的算法研究

强磁暴产生的地磁感应电流是诱发电力系统灾害性事故的关键因素,预防与控制地磁感应电流的必要途径是评估其在系统中的水平.掌握磁暴感应地电场的时空分布是评估所在区域电网地磁感应电流的基础,可为研究与防治电网磁暴灾害提供参考.在中国现有稀疏分布的地磁台观测数据基础上,建立了电离层等效球面元电流系统模型,并将其与复镜像法结合,建立了磁暴感应地电场和地磁场的计算模型.利用磁暴期间实测的地磁台站数据进行了计算,算例结果与平面波理论计算结果的对比证明了算法的正确性与有效性.计算结果可直接应用于电力系统的地磁感应电流计算,为分析电力系统磁暴灾害风险提供参考.

磁暴扰动对长距离输电高压系统电压影响分析

提出了分析长距离输电系统电压对磁暴感应地电场大小、方向敏感性的方法。首先建立了变电站接地磁感应电流计算模型,指出了输电线路走向、接地点间的距离和接地点间的相对位置之间的关系。然后通过计算地磁感应电流所产生的变压器集群无功损耗,分析变压器无功需求对系统电压影响。最后建立了系统电压越限指标与磁暴感应地电场大小与方向的灵敏度模型。以西北750 kV系统为例,仿真分析了地电场幅值从1 V/km～10 V/km、方向从正东(0°)到正西(180°)时750kV系统电压分布状况和电压越限指标,结果表明采用本文方法可以反映长距离输电系统节点电压对地电场大小及方向的敏感性。

基于Pareto分布的磁暴感应地电场极值测度模型

磁暴感应地电场为电力系统安全运行带来风险,研究极端磁暴地电场水平能够为量化并防御电力系统磁暴灾害风险提供理论支持.提出了基于极值理论的磁暴感应地电场极值测度模型.首先利用地磁观测数据构造年度最大地电场样本数据,建立地电场广义Pareto分布模型,然后利用剩余寿命图和Q-Q图检验模型,并通过Bayes方法估测模型参数,最后计算模型的分位数,即地电场极值测度.利用中国地磁台观测的52年磁暴数据,结合中国喀什地区大地典型结构,估算出喀什地区五十年一遇的感应地电场可达3.288 V.km^(-1),百年一遇地的感应地电场可达3.332 V·km^(-1).利用相同方法还估测了中国部分地磁台站所在区域的地电场极值.研究结果可为估计极值地磁暴提供新思路,也可为分析电力系统磁暴灾害风险提供数据支撑.

基于大别造山带电磁测深数据的磁暴感应地电场分布特性分析

为探明磁暴期间大别造山带的地面感应电场分布特性,通过引入大别造山带的大地电磁测深数据,结合2004年11月7—9日强磁暴期间武汉地磁台站的秒级磁场数据,进而计算磁暴感应地电场的方法研究了磁暴期间地面感应电场频域下的电场强度幅值最大值及对应的频率分布。结果表明:磁暴期间频域下电场强度幅值分布不均匀,而且部分数值较大;频域下电场强度南北分量幅值普遍大于东西分量幅值;频域下电场强度幅值最大值对应频率分布相对集中,且频率较小,更加接近直流。可见在接近直流的频率下,会集中产生较大幅值的电场,对各种人工系统产生较大干扰,需引起足够重视。

潮汐地电场对电网GIC计算的影响研究

当前电网地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)的计算值同实测值之间存在巨大误差,影响地磁暴下GIC的防护工作实施。为获取误差产生的根源,结合GIC和感应地电场的形成机理,提出潮汐地电场(tidal geoelectrical field,TGF)是造成GIC计算误差的重要影响因子。给出了TGF作用电网的可行性求解方法,并推导了GIC在地心坐标系计算中的数学表达式。最后,以甘肃兰州地区为研究对象,通过建立局部电网直流等效模型,采用数值仿真方法计算了TGF引起的电网GIC水平。与同地区其他文献计算结果对比,TGF单独作用下产生的GIC数值最大占比地磁暴期间GIC计算值的18.8%,因此后续进行GIC的求解与分析时,必须考虑TGF的影响。

安徽地电场台站地电暴特征浅析

地电暴作为地电场观测中典型的干扰类型,由于其变化机理的特殊性以及变化特征的复杂性,准确地识别地电暴的变化特征以及研究其变化机制机理,对于地电场台站的日常观测和科学研究,具有非常重要的意义。该文主要利用安徽省地震局嘉山、蒙城两个地电场台站的观测数据,对地电暴变化特征进行分析。发现地电暴具有同步性和广域性,且相比于雷电干扰变化幅度较大持续时间较长。

地磁感应地电场时频变换快速计算方法

随着中国特高压输电线路的建设,中国电网建设遭受地磁感应电流(geomagnetically induced current,GIC)影响的风险将大大增加。基于大地电阻模型利用有限元计算地磁扰动感应地电场(geomagnetic disturbance,GMD)地电场的方法,建模复杂,利用有限元法计算感应地电场成本过高。地磁测深数据得到的视电阻率综合反映了大地的电性结构,现提出基于视电阻数据及地磁台实测数据直接计算GMD地磁感应地电场的方法。仿真实验表明,该方法可以极大缩短计算时间,减小计算成本,对中国电网应对地磁暴侵害提供了有效算法。计算结果表明地磁暴对各地地电场的影响不均匀,与当地的地质电性结构有很大的关系,同时南北走向的电网将产生更大的GIC,更易受到地磁暴的侵害,应作为主要的关注对象。

重庆红池坝地电场变化分析

利用磁静日时序叠加方法和FFT频谱分析方法对红池坝地电场观测资料进行逐月处理,并与巫山建坪台地磁观测资料进行对比,分析红池坝地电场静日变化特征;计算红池坝台站磁暴期间产生的感应电场,与地电场观测数据对比,分析地电暴的特征。结果表明,静日随着月份的变化,相位发生变化,与巫山建坪地磁Sq变化一致;1月、2月、11月、12月的地电场日变幅明显小于其他月份;地电场显著周期成分与磁静日地磁场相同,并且通过周期成分的逐月对比分析得到,地电场与地磁D分量的不同周期成分的频谱值随时间的变化基本一致;某一方向的地电暴与该垂直方向的磁暴和该地区的电性结构有关;地电暴观测值与地磁感应电流计算值呈线性关系;地电暴变化与K值呈指数关系。

河北地区地电场观测数据地电暴变化特征

选取河北省6个地电台站地电场观测数据,分析地电场静日和地电暴期间的波形变化,讨论地电暴期间不同台站之间急始脉冲和急始变幅差异性,认为:地下介质不均匀性造成地电暴急始脉冲相位不同;地电暴急始变幅差异与观测台址表层电阻率大小关系密切。应用最大熵谱方法提取频谱成分,发现地电暴日高频短周期成分更加丰富,优势周期约1.6 h。

基于有限元的磁暴感应地电场区域分解中位函数多值性分析

在应用区域分解法求解多尺度磁暴感应地电场过程中,在求解得到的磁暴感应地电场中感应电流分布相同的前提下,基于有限元的区域分解法求解得到的位函数值与有限元直接求解得到的位函数值存在较大差异,这说明磁暴感应地电场求解过程中的位函数存在多值性。以基于有限元的区域分解法求解分解模型和有限元法直接求解整体模型两种算法,通过节点单元和棱边单元分别求解多尺度磁暴感应地电场,具体阐述位函数求解结果的多值性。通过对比发现,两种单元计算得到的矢量磁位不存在多值性,而电位存在多值性。针对电位计算结果的多值性,分析并验证了边界条件对电位多值性的影响,发现电位耦合是导致棱边单元电位多值性的原因,但节点单元电位的多值性没有因为取消电位耦合而消失。分析结果可为计算交变电磁场问题时的单元选择方面提供参考。

基于地电场实测数据的广东电网地磁感应电流计算

在电网规划设计中,合理规划和科学安排接入变电站馈电线路的方向及数量是防御电网地磁暴灾害的有效措施之一,准确计算电网的地磁感应电流(geomagnetic induced current,GIC)是电网规划防灾的基础。根据子午工程地电场实测数据和广东500 k V电网的网架结构,构建了计算广东电网GIC的全节点模型,完成了2014年9月12日地磁暴事件中电网GIC的理论计算。通过对比计算数据与实测数据,表明利用地电场实测数据计算电网GIC的方法比利用地磁数据计算电网GIC的方法更好,建议加强对地磁暴感应地电场的监测力度,为防御地磁暴灾害提供数据及服务。

磁暴期间中低纬度地区地磁场变化率的规律

磁暴期间的地磁场将会发生剧烈变化,根据法拉第电磁感应定律,地磁场的变化将在电网中产生地磁感应电流(GIC),这将直接损伤电力设备,威胁电网的运行安全。地磁场变化越剧烈,感应产生的GIC幅度越大,对电网的危害就越大。利用中低纬地区若干地磁台测得近年发生的两次大磁暴的H和D分量秒数据,分析了当地磁场变化非常剧烈时,对应的地磁南北分量变化率dX/dt脉冲幅值和地磁东西分量变化率dY/dt脉冲幅值随地磁纬度的变化规律,讨论了中低纬度地区不同走向的电网随着地磁纬度的变化受GIC影响的可能性,分析结果为中国现状电网及规划电网GIC评估、计算、防治提供了一定科学参考。

两次磁暴期间广东电网地磁感应电流的分析

地磁感应电流(Geomagnetically Induced Current, GIC)会对低纬和赤道地区高压电网安全运行构成威胁.本文利用广东肇庆地磁台在2006年12月14-15日,2015年3月17日两个磁暴发生期间监测到的地磁场数据,研究和计算了广东500 kV电网两条输电线路上由地磁暴激发的GIC,并利用NASA Space Physics Data Facility网站提供的太阳风和行星际磁场数据分析了该区电离层赤道电急流(Equatorial Electrojet, EEJ).结果显示:广东500 kV电网输电线路易受地磁暴引发的GIC干扰.GIC除和输电线路的长度、线路所处的地貌特征、沿海输电线路遭受到的海岸效应有关外,赤道电急流在GIC的激发方面起着重要的作用.赤道电急流对GIC的影响发生在地磁暴的急始期,也发生于地磁暴的主相期,和行星际磁场B_z在太阳风动压增加时产生的南向偏转有关.