通海地磁臺觀測值與IGRF模型值的長期變化分析

孫維懷，李 琪，白春華，劉 瑾，畢 青

(1．云南省地震局通海地磁臺，云南 通海 652700；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3．云南大學資源環境與地球科學學院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震減災局，云南 玉溪 653100)

通海地磁臺觀測值與IGRF模型值的長期變化分析

孫維懷1，李 琪2，白春華3，劉 瑾3，畢 青4

(1．云南省地震局通海地磁臺，云南 通海 652700；2.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；
3．云南大學資源環境與地球科學學院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震減災局，云南 玉溪 653100)

利用云南通海基準地磁臺1985年至2011年的年均值資料，研究了通海地磁臺觀測值與第11代IGRF模型值的長期變化，兩者的一致性程度。結果表明：通海地磁臺站觀測值與IGRF模型值的長期變速率相近、形態一致；兩者的差值與太陽黑子數變化存在相關性；各地磁要素的差值均低于IGRF模型的誤差水平。

通海地磁臺； IGRF模型；長期變化

地磁臺站是監測地磁場及其變化的場所。通海地磁臺是地處我國西南的一個基準地磁臺，位于云南省中部地區。基準地磁臺承擔著監視全球地磁場的長期變化，為地球主磁場、地球核幔邊界物質運動、地球磁場的電離層和磁層活動的研究提供基礎數據[1]。通海地磁臺臺基主要是泥盆系石碳系灰巖,間有紅土層,3 m以下為湖相沉積,觀測室附近地磁場分布均勻,磁場梯度小于 1 nT/m 。該臺始建于1979年，1982年開始地磁觀測，1985年正式出版了地磁觀測報告，至今已有近30年的歷史，并取得了連續可靠的地磁觀測資料。基準臺在監測地磁場時可以反映其周邊500 km范圍內的地球基本場的變化特征[2]。

國際地磁參考場(International Geomagnetic Reference Field,簡稱IGRF)是采用球諧分析的方法來描述地球主磁場及其長期變化的一系列數學模型。而且是國際上通用的全球地磁標準模型。在1968 年國際地磁與高空物理協會(IAGA)發布1965年IGRF模型之后，IAGA給出了每5年的IGRF模型，迄今已經陸續提出了11代IGRF模型。最新的第11代IGRF模型(IGRF- 11) 是IAGA于2009年12月發布的。為了保證IGRF模型的精度，IAGA決定從2000年度開始，將IGRF模型的截止階數由10階(球諧系數精度為1nT)擴展到13 階(球諧系數精度為0．1 nT)[3-5]。

本文利用通海臺1985～2011年的觀測資料和IGRF-11模型，分析了7個地磁場要素的長期變化特點，兩者差值的變化趨勢。

1 數據的選取與處理

IGRF-11模型主磁場磁勢的表達式為：

本文選取通海地磁臺1985年至2011年期間7個地磁場要素的年均值。利用NGDCGeomagneticCalculators(http://http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web)上提供的IGRF-11模型軟件,計算通海臺1985～2011年7個地磁要素的模型值。將磁偏角D、磁傾角I分量統一轉換為以度為單位,其中D分量符號取偏東為正,I分量符號取下傾為正。同時，分別計算通海地磁臺各個分量年均值(觀測值)與IGRF模型計算值的差值。

2 長期變化分析

2.1 臺站年均值與IGRF模型值的長期變化分析

圖1繪出了通海地磁臺歷年7要素的年均值與國際地磁參考場IGRF模型計算值的時間同軸曲線。圖中橫坐標為時間軸，左側縱坐標為臺站實測地磁要素年均值，用實線繪制；右側縱坐標為國際地磁參考場IGRF模型值，用虛線繪制。

圖1 通海地磁臺七要素年均值與IGRF模型值時間同軸曲線

(1)磁偏角(D)

從圖1磁偏角的觀測值曲線可以看到，該分量存在二個階段性的變化特征。第一階段：1985～1996年，磁偏角由偏西1.026°變至偏西0.777°，12年間增大了14.89′，平均年變率為1.241′/a,呈上升趨勢；第二階段：1997～2011年，磁偏角由偏西0.788°變至偏西1.262°，15間年減小了28.7′，平均年變率為1.91′/a，呈下降趨勢。從圖1可見，磁偏角的IGRF值呈現了與磁偏角觀測值相同的二個階段性變化特征。磁偏角的年變形態經歷了一個上升—下降的過程，與鄰近的廣州地區地磁偏角的緩慢上升形態有很大的不同[6]，這種不同應該能反映兩地區非偶極子磁場的長期變化。

(2)磁傾角(I)

通海地磁臺1985年的磁傾角觀測值是34.093°，2011年的磁傾角觀測值是36.130°，從磁傾角的觀測值曲線來看，呈逐年緩慢增大的趨勢，27年間增大了2.037°，平均年變率為4.5′/a。從圖1中可以看出磁傾角觀測值曲線的變化比較簡單，呈單調上升的趨勢；且磁傾角IGRF值也呈現了與磁偏角觀測值相同的單調上升趨勢，27年間增大了2°，平均年變率為4.4′/a。

(3) 水平分量(H)和北向分量(X)

通海地磁臺地磁場水平強度觀測值的變化形態與北向分量觀測值基本相同，1985～2011年地磁場水平強度觀測值從38 140.7 nT下降到37 716.3 nT，27年間下降了424.4 nT，平均年變率為15.7 nT/a。1985～2011年地磁場北向分量觀測值從38 134.6 nT下降到37 707.2 nT，27年間下降了427.4 nT，平均年變率為15.8 nT/a。從圖1可以看到，水平分量(H)和北向分量(X)的IGRF值呈現了與通海地磁臺水平分量(H)和北向分量(X)觀測值相同的單調下降趨勢，地磁場水平強度IGRF值27年時間下降了430 nT，平均年變率為15.9 nT/a；地磁場北向分量IGRF值27年時間下降了433 nT，平均年變率為16.0 nT/a。

(4)東向分量(Y)

從圖1還可以看到，通海地磁臺地磁場東向分量觀測值的變化形態與磁偏角觀測值的變化形態基本相同，存在二個階段性的變化特征。第一階段：1985～1996年，地磁場東向分量觀測值由-685.6 nT 變至-531.3 nT，12年間增大了154.3 nT，平均年變率為12.8 nT /a,呈現上升趨勢；第二階段：1997～2011年，地磁場東向分量觀測值由-533.2 nT變至-831.5 nT，15年間減小了298.3 nT，平均年變率為19.9 nT /a,呈現下降趨勢。從圖1地磁場東向分量IGRF值曲線上可以看到，其呈現了與磁偏角觀測值相同的二個階段性的變化特征。

(5)垂直分量(Z)

從圖1可以看到，通海地磁臺地磁場垂直分量觀測值具有類似于磁傾角的變化形態。1985～2011年地磁場垂直強度觀測值從25 816.0 nT上升到27 534.9 nT，27年間上升了1 718.9 nT，平均年變率達到63.7 nT/a。基本呈單調上升的變化特征。通海地磁臺地磁場垂直分量的年變率要高于廣州地區的30.0 nT/a的年變率，這種速率的差異恰恰是由于區域性磁異常引起的。從圖1地磁場垂直分量IGRF值曲線可以看到，1985～2011年地磁場垂直強度IGRF值從25 797.4 nT上升到27 483.2 nT，27年間上升了1 685.8 nT，平均年變率達到62.4 nT/a。也呈單調上升的變化特征。

(6)磁場總強度(F)

從圖1可以看到，通海地磁臺的磁場總強度在1985～2011年從46 056.2 nT 增大到46 697.9 nT，27年間增大了641.7 nT，平均年變率為23.77 nT/a。此年變率與廣州地區的21.1 nT/a的年變率基本相同，形態特征為上升變化趨勢。從圖1地磁場東向分量IGRF值曲線上可以看到，1985～2011年地磁場垂直強度IGRF值從46 049.0 nT上升到46 666.2 nT，27年間上升了617.2 nT，平均年變率達到22.9 nT/a。

2.2 臺站年均值與IGRF模型計算值的殘差分析

圖2 通海地磁臺七要素年均值與IGRF模型值差值曲線

地磁臺站年均值主要包括主磁場和地殼磁場，IGRF 模型描述的是主磁場[7]。 IGRF是主磁場(包括長期變化)的高斯分析(球諧分析)。在確定IGRF系數時使用全球臺站及其他的測量資料,這些資料包括主磁場、變化磁場和地殼磁異常。因此IGRF誤差主要包括忽略外源場所引起的誤差、球諧級數的截斷誤差、全球臺站分布的不均勻所引起的誤差、測量誤差、忽略區域性磁異常引起的誤差等[8]。圖2繪出了通海臺地磁七要素年均值與IGRF模型值的差值曲線。從圖2可以看出，7要素觀測值與IGRF模型值差值曲線的變化趨勢呈現一定的規律性。 從差值曲線 △D、△H、△Z、△F的變化可看出，大致存在以 11 年為周期的變化形態。同時, 將差值曲線的這種變化規律與太陽黑子變化進行對比，發現它們之間的變化形態存在一定的相關性。差值較大的那些年份，剛好是太陽黑子數較平靜或是較大的年份。由此可以認為，臺站觀測值與IGRF模型計算值的誤差主要來自于忽略外源場所引起的誤差。七要素地磁觀測值與IGRF模型值的差值相差很大。D分量差值從-0.028°～0.082°,I分量差值從-0.02°～0.055°,H分量差值從-18.6～31.6 nT,X分量差值從-17.9～31.9 nT,Y分量差值從-18.8～48.2 nT,Z分量差值從-14.7～51.7 nT,F分量差值從-21.9～31.7 nT。這些差值在很大程度上也反映了臺站所在區域地殼磁異常的分布情況。從圖2可以看出,臺站地磁強度分量(H,X,Y,Z,F)的差值除個別情況外,均在50 nT之內。D和I分量的平均偏差分別為0.6′和0.3′。由于通常認為IGRF模型誤差在50～100 nT之間[8],因此認為：各地磁要素的差值均低于IGRF模型的誤差水平，通海地磁臺觀測值與IGRF模型值的差值比較穩定,一致性較好。

3 結果與討論

(1)通海地磁臺的長期變化速率與IGRF模型的長期變化速率相近。磁傾角I的長期變化速率大于磁偏角D的長期變化速率；垂直強度Z的長期變化速率高于水平強度H、北向分量X、東向分量及總強度F的長期變化速率。(2)在臺站觀測值與IGRF模型值的差值曲線中,七要素都有明顯的起伏,反映了地磁場長期變化的非線性，△H、△X、△F差值曲線與太陽黑子數變化有明顯的相關性，存在以 11 年左右為周期的變化。(3)通海地磁臺磁偏角(D)和東向分量(Y)的長期變化形態顯示存在轉折變化，這一變化的轉換點恰好發生1988年的瀾滄—耿馬7.6級地震和1996年麗江7.0級地震。研究地磁場的長期變化，認識地磁背景場的規律，對判斷地震前兆異常有重要作用。(4)目前研究認為地磁場的長期變化具有區域性特征，而非全球性的，因此它主要屬于非偶極子磁場的變化。非偶極子磁場磁場強度時而變大，時而減小，每年變化約 10 nT。這一變化量級比通海地磁臺地磁場長期變化年變率偏小，剛好反映了地磁場長期變化具有區域特征。(5)通海地磁臺各地磁要素年均值與IGRF模型值的差值低于IGRF模型的誤差水平,說明第11代IGRF模型與臺站年均值的一致性比較好。

致謝：本文資料由通海地震臺電磁觀測組提供，在此表示衷心的感謝！

[1] Jerzy Jankowski,Christian Sucksdorff．地磁測量與地磁臺站工作指南[M]．北京：地震出版社，1997：2-4．

[2] 孫維懷，張福，任職榮，等．通海地磁臺地磁觀測報告[R]．北京：地震出版社，1985-2005：1-64．

[3] 徐文耀．地磁學[M]．北京：地震出版社，2003：98-118．

[4] 熊仲華，劉運生．地磁觀測技術[M]．北京：地震出版社，1997：26．

[5] 張素琴，楊冬梅，李琪，等．中國部分地磁臺站年均值與IGRF模型一致性分析[J]．地震地磁觀測與研究，2008，29(2)：42．

[6] 羅玉芬，黎曉之，陸鏡輝，等．廣州地磁臺地磁場長期變化的分析研究[J]．防災技術高等專科學校學報，2005，7(4)：64-67．

[7] 高國明，康國發．衛星地磁場模型和 IGRF 模型與中國地磁臺觀測值的比較分析[J]．云南大學學報(自然科學版)，2010，32(5)：548-550．

[8] 王亶文．國際地磁參考場在中國大陸地區的誤差分析[J]．地球物理學報，2003，46(2)：173-174．

Analysis on the Long-term Variation between Tonghai Geomagnetic Observatory and that Calculated from IGRF Model

SUN Weihuai1, LI Qi2, BAI Chunhua3, LIU Jin3and BI Qing4

(1. Tonghai Geomagnetic Station, Earthquake Administration of Yunnan Province, Yunnan Tonghai 652700；2. Institute of Geophysics, CEA, Beijing 100081; 3. School of Resource Environment and Earth Sciences, Yunnan University, Yunnan Kunming 650091；4. Earthquake Prevention And Disaster Mitigation Administration of Yuxi City, Yunnan Yuxi 653100, China)

According the annual average data of Tonghai geomagnetic observatory from 1985 to 2011, we analyze the long-term variation between geomagnetic data and that calculated from IGRF model and both of level of their consistency. Our results show that the long-term variable rate of both sets is similar and their morphology is consistent. The deviation between them is related with variation of sunspot numbers. The geomagnetic element deviation is lower than the level of error from IGRF model.

Tonghai Geomagnetic Observatory; IGRF model; long-term variation

2016-04-25;

2016-08-04

孫維懷(1977-)，男，云南人，高級工程師，主要從事地球電磁學的觀測與研究工作,E-mail:sunweihail@sina.com.cn.

P318.6

B

1001-8115(2017)01-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.010