廊坊、富克地磁臺觀測數據分析

王 晶 程永宏 師立勤

（中國北京100190中國科學院國家空間科學中心）

廊坊、富克地磁臺觀測數據分析

王 晶 程永宏 師立勤

（中國北京100190中國科學院國家空間科學中心）

通過將廊坊、富克地磁臺站數據與國內地磁臺站十三陵、三亞臺以及國際標準地磁臺站MMB臺的觀測數據對比分析，發現各地磁臺站數據變化幅度相近、相關性高，對地磁暴有明顯響應，且磁暴期間各時段擾動幅度相近。同時，以高質量地磁數據為基礎，采用快速傅里葉變換，對廊坊與富克地磁臺站的地磁觀測數據開展地磁脈動提取，研究發現，兩個臺站在地磁暴期間均能觀測到明顯的Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動，且Pc5的持續時間、平均強度、變化幅度和Pi1的持續時間、變化幅度及Pi2的變化幅度均有明顯增加，為今后開展地磁脈動與高能電子增強事件相關性研究奠定了基礎。

地磁數據；地磁脈動；地磁暴；傅里葉變換

0 引言

為了實時獲取地磁擾動狀態，構建自主地磁擾動指數，中國科學院空間環境預報中心建設廊坊地磁臺與富克地磁臺，分別于2011年11月與2012年2月選址勘探，并于2013年7月正式運行，實時監測地磁場變化。

廊坊地磁臺與富克地磁臺選取合理背景噪聲、24小時無噪聲干擾源、背景磁場梯度小于1 nT/m的場地進行建設。建設過程中嚴格遵守《地磁臺站建設規范》，材料選用無磁材料，全程進行材料磁性監測。兩個臺站均建有絕對觀測亭、相對記錄室、方位標、電器室，并配備國產GM4磁通門磁力儀、烏克蘭LEMI25磁通門磁力儀、Overhauser磁力儀、核旋儀與磁通門經緯儀。為實現地磁監測臺站數據管理的業務化運行，臺站配置3個軟件：①運行監控軟件，主要實現儀器管理、實時曲線展示、用戶管理功能；②數據采集軟件，主要實現采集數據，數據預處理功能；③數據傳輸軟件，實現傳輸數據等功能。

本文主要分析兩個地磁臺站的地磁觀測數據，并與國內、國際臺站進行對比分析，為空間環境預報提供高質量地磁數據奠定基礎，同時進行磁暴前后地磁脈動特性分析，為研究地磁脈動與高能電子暴關系奠定基礎。

1 地磁數據質量分析

地磁觀測數據質量的好壞直接影響數據應用，在此對廊坊、富克地磁臺站觀測數據進行質量分析。

1.1 相關性對比分析

廊坊與富克地磁臺主要提供地磁H、D、Z三分量與地磁總場F的秒數據。目前2個臺站均能提供2013年7月至今的地磁觀測數據。為了綜合分析數據在地磁平靜期的變化與地磁暴期間的響應，選取發生過2次磁暴事件的2013年10月地磁觀測數據作為分析樣本。廊坊與富克地磁臺的原始數據為秒數據，處理為分鐘值數據后，分別與緯度相近的十三陵、三亞地磁臺分鐘值數據進行對比分析，結果見圖1。

圖1 2013年10月4個臺站地磁數據對比Fig.1 The comparison of four stations’ geomagnetic data in Oct., 2013

從圖1可以看出，廊坊與十三陵地磁臺、富克與三亞地磁臺的H、D、Z、F在地磁平靜期間變化幅度相近，且H分量對磁暴有明顯響應，下降幅度相近。為了進一步分析觀測數據質量，對數據樣本進行相關性分析，發現廊坊與十三陵地磁臺的H、D、Z、F相關系數達0.9以上，富克與三亞地磁臺的H、D、F相關系數也達0.9以上，Z分量相關系數約0.8。

為了細化分析地磁臺站觀測數據質量，將廊坊、富克臺秒數據與國際標準地磁臺站——日本的Memambetsu臺秒數據進行對比分析。由于秒數據量比較大，為了能細致對比數據變化幅度，只選擇2013年8月15日—17日數據作為分析樣本，對比曲線見圖2。

圖2 2013年8月15日—17日廊坊、富克與日本MMB臺站數據對比Fig.2 The comparison between geomagnetic data of Langfang, Fuke and MMB stations’ from Oct.15 to 17 in 2013

從圖2可以看出，廊坊、三亞地磁臺與MMB臺的H、D、Z、F變化幅度相近，且在8月16日地磁暴發生時，3個臺站的H分量下降幅度相近。相對三亞地磁臺，廊坊與MMB臺緯度位置更接近，所以地磁變化更相近。

綜上所述，廊坊、富克地磁臺與以上3個地磁臺站觀測數據相關性高，變化幅度相近，且對磁暴均有明顯響應，表明2個臺站與標準臺站的地磁觀測數據基本一致。

1.2 磁暴事件分析

磁暴發生時，地磁H分量變化幅度最大，所以一般從H分量變化中提取地磁脈動，因此H分量數據好壞直接影響地磁脈動的提取工作。采用克利時序疊加法，得到地磁平靜期的Sq、L變化，3小時磁擾幅度由H分量變化減去Sq和L變化后的純磁擾曲線最高值和最低值來確定（徐文耀，2009）。針對2013年10月2日磁暴事件對廊坊、富克地磁臺H分量進行純擾動變化分析，并與十三陵、三亞地磁臺數據進行對比，純擾動幅度曲線見圖3，具體數值見表1。

從圖3和表1可知，廊坊與富克地磁臺H分量對10月2日地磁暴均有明顯響應，且在磁暴期間，4個臺站變化趨勢基本一致，且廊坊與十三陵地磁臺、富克與三亞地磁臺在各時段擾動幅度基本相近。

圖3 2013年10月2日4個臺站H分量純擾動幅度Fig.3 TheH-component disturbance of four stations on Oct.2 in 2013

表1 2013年10月2日4個臺站各時段H分量純擾動幅度Table 1 The disturbance ofH-component at all periods of four stations on Oct.2 in 2013

1.3 噪聲分析

地磁脈動振幅為百分之幾到幾百nT，如果H分量數據本身噪聲過大，那么地磁脈動將淹沒在噪聲中而無法提取，所以噪聲分析是檢測地磁數據質量的重要環節。

在2013年8月29日（最大Kp= 1）00:00—04:00時間段中隨機選取10段連續10 s的地磁觀測數據，分別計算峰峰值和均方根（RMS），然后計算10次峰峰值和RMS值的平均值，作為此時測試點的峰峰值和RMS背景噪聲（王曉美等，2008）。廊坊、富克地磁臺與國際標準臺站——日本MMB臺噪聲做對比分析，具體數值見表2。

表2 廊坊、富克、MMB臺站噪聲分析Table 2 The noise analysis of Langfang, Fuke and MMB stations

從表2可知，廊坊與富克地磁臺地磁場變化記錄基本達到峰峰值0.2 nT、均方根0.07的精度，相對MMB臺站而言噪聲較大，但觀測環境基本滿足地磁變化觀測臺站要求。因此，可以利用廊坊與富克地磁臺地磁觀測數據提取地磁脈動。

綜上所述，廊坊、富克地磁臺與標準臺站的觀測數據變化幅度相近，相關性較高；對地磁暴有明顯響應，磁暴期間H分量的擾動幅度與標準臺站相近，且噪聲達到基本要求。由此表明，廊坊與富克地磁臺觀測數據質量較好，可以為空間環境預報服務提供良好的地磁數據。

2 地磁脈動提取

地磁脈動是太陽活動引起的一種短周期磁場擾動變化，與磁暴、亞暴、灣擾、磁層內帶電粒子變化及太陽活動等一系列現象密切相關。根據地磁脈動的產生機制和能量傳輸過程，可以利用地磁脈動來監測、預報地磁暴和亞暴及地球同步軌道相對論電子通量。地磁脈動主要分為2大類共9種脈動。第1類稱為連續脈動，可細分為Pc1—Pc6；第2類稱為不規則脈動，可細分為Pi1—Pi3。研究表明，以上9種脈動中Pc5、Pi1、Pi2脈動與亞暴、磁暴、高能電子暴關系密切（Meradith et al，2002；O’Brien et al，2002；李柳元等，2005；李柳元等，2006），在此重點研究此3種脈動。

2.1 提取方法對比

目前主要濾波方法有希爾伯特—黃變換、小波分析、快速傅里葉變換。希爾伯特—黃變換是一種較新的濾波方法，缺少嚴格的數學論證，具有較大缺陷（張敏，2012）；小波分析可以分析信號局部特征，可任意放大平移并對其特征進行提取；快速傅里葉變換是一種對信號進行頻譜分析的傳統方法，具有較高的確定性與穩定性。因此，選取2013年10月2日地磁觀測數據作為短期樣本，分別采取快速傅里葉變換與小波分析進行濾波處理，對比兩種方法優缺點，確定選用何種方法進行地磁脈動提取。

2.1.1 快速傅里葉變換。受日冕物質拋射到達地球的影響，2013年10月2日地磁有12個小時達到磁暴水平，最大Kp=6。針對此次事件，采用快速傅里葉變換分別對廊坊與富克地磁臺觀測數據進行濾波分析，結果見圖4。

圖4 2013年10月2日地磁脈動變化(a)廊坊臺站； (b)富克臺站Fig.4 The geomagnetic pulsations on Oct.2 in 2013

從圖4可以看出：10月2日磁暴發生時，廊坊、富克地磁臺站明顯觀測到Pc5、Pi1、Pi2地磁脈動，3種脈動持續時間均長達幾小時；Pc5脈動最大振幅廊坊臺約30 nT，富克臺約20 nT，Pi1脈動最大振幅廊坊臺約2 nT，富克臺約1 nT，Pi2脈動最大振幅廊坊臺約10 nT，富克臺約8 nT。

2.1.2 小波分析。針對地磁數據的一維分布特性，采用Meyer小波進行數據分析。Meyer小波表達式為

其中

對2013年10月2日廊坊、富克地磁臺Pi1、Pi2、Pc5脈動進行小波濾波分析，頻率范圍分別在0.025—1 mHz、0.006 7—0.025 mHz、0.001 67—0.067 mHz，對應Meyer小波尺度分別為1—28、28—103、103—400，分析結果見圖5。

圖5 2013年10月2日廊坊、富克臺站Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動小波分析Fig.5 The wavelet analysis of Pi1, Pi2 and Pc5 geomagnetic pulsation based on the data of Langfang, Fuke stations on Oct.2 in 2013

由圖5濾波結果可知，磁暴期間廊坊、富克地磁臺均觀測到明顯的Pi2、Pc5變化，且尺度越大（頻率越?。兓矫黠@，未觀測到明顯的Pi1脈動。然而，由于Meyer小波分析最大尺度為264，而Pc5脈動只能在103—264尺度范圍進行濾波，有一定局限性，濾波結果并未完全體現磁暴期間Pc5脈動特性，可見小波濾波方法具有一定局限性。

2.2 地磁脈動提取

由以上對比結果可知，小波分析方法具有局限性，因此選用快速傅里葉變換進行地磁脈動提取。研究發現，Pc5、Pi1地磁脈動對高能電子增強事件響應較好，在此主要針對兩種脈動進行提取。每天計算1次Pc5與Pi1脈動的持續時間及Pc5平均強度（何甜等，2009），且對地磁脈動給定一個起始閾值和結束閾值，當地磁脈動振幅大于起始閾值時即認為此脈動開始發生，當振幅小于結束閾值時即認為此脈動結束。表3為給定的廊坊、富克地磁臺2種地磁脈動閾值范圍。在此選取2014年6—7月廊坊、富克地磁臺觀測數據作為長期樣本，采用快速傅里葉變換進行地磁脈動提取，見圖6。

圖6 2014年6—7月廊坊、富克地磁臺Pc5、Pi1脈動提取(a)廊坊； (b)富克Fig.6 The extraction of Pc5 and Pi1 pulsation at Langfang and Fuke stations from June to July, 2014

表3 不同種類脈動的起始和結束閾值Table 3 The beginning and ending threshold of all geomagnetic pulsations

從圖6可以看出，在磁暴期間，廊坊、富克地磁臺的 Pc5持續時間增強到幾小時，比平靜期增加幾倍；其平均強度增強到十幾nT，比平靜期增加幾十倍； Pi1持續時間比平靜期間增強幾倍。

3 結論

綜上所述，廊坊、富克地磁臺站的地磁觀測數據與標準地磁臺站數據變化一致，相關性高，對地磁暴有明顯響應，且在磁暴期間，H分量的擾動幅度與標準臺站相近，噪聲小，觀測數據質量較高。以兩個臺站地磁觀測數據為基礎，對比分析快速傅里葉變換與Meyer小波濾波方法，最終選取快速傅里葉變換進行濾波。研究發現，兩個臺站在地磁暴期間均能觀測到明顯的Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動，且Pc5持續時間、平均強度、變化幅度與Pi1的持續時間、變化幅度及Pi2的變化幅度均有明顯增加，比平靜期間增強幾倍至幾十倍。今后將對地磁脈動與地磁暴、亞暴、高能電子暴等空間天氣事件的關系做進一步研究。

參考文獻

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Data analysis and application of the geomagnetic data at Langfang and Fuke geomagntic stations

Wang Jing，Cheng Yonghong and Shi Liqin
(National Space Science Center,CAS,Beijing100190,China)

There is high relativity and the similar variation during geomagnetic storm and quiet periods between the data of Langfang, Fuke geomagnetic stations and Shisanling, Sanya, MMB geomagnetic stations.Based on the data of the two stations, the work of extracting the geomagnetic pulsations was carried out using the Fourier transform.The research results show that the duration, average strength, variation of Pc5 pulsation and the duration, average strength, variations of Pi1 pulsation and the duration of Pi2 pulsation had the signifcant change during geomagnetic storm periods which form the basis for the study of relationship between pulsation and the relativistic electron fux enhancement event.

geomagnetic data，geomagnetic pulsations，geomagnetic storm，Fourier transform

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.009

王晶（1978—），女，遼寧人，博士，中國科學院國家空間科學中心助理研究員，主要研究方向為空間環境預報與研究。E-mail： jwang@nssc.ac.cn

自然科學基金項目（項目編號：11503063）

本文收到日期：2016-03-02