國家級地磁臺站配備兩套絕對觀測系統的必要性分析

古云飛，李西京，黃 好

（陜西省地震局，陜西 西安710000）

0 引言

《地震及前兆數字觀測技術規范（試行）》規定：“國家級臺站（包括國家基準臺和國家基本臺）的標準配置中要有D、I、F 組合觀測儀兩套［1］”。目前很多國家級臺站沒有達到該配置要求，即使有兩套絕對觀測儀，也存在著至少一套儀器由于各種原因不能產出準確可靠數據的現狀。絕對觀測的準確和可靠程度，決定了地磁臺站最終觀測數據的準確和可靠程度，是地磁觀測系統中至關重要的環節，對地磁臺站最終的觀測數據質量起著決定性的作用［2］。影響地磁觀測質量的原因很多，國內外不少學者從人為干擾、儀器干擾、觀測技術、背景噪聲、環境干擾、數據處理等方面進行了探究［3-10］，在制度上，鄧娜等［11］提出了建立絕對觀測個人負責制。本文將從規范出發，通過科學的分析研究，論證兩套觀測水平都優良的絕對觀測系統并行運行的必要性，同時明確出目前存在的“新老搭配”尤其是儀器“帶病運行”，以及“單獨運行”現象的弊端及造成的影響。

1 技術方案

主要技術方案是選取以下三種國家級臺站的絕對觀測數據以及基線值：（1）有兩套觀測質量較好，結果相近的絕對觀測系統的臺站；（2）有兩套絕對觀測系統，但是至少有一套觀測質量不好的臺站；（3）只有一套絕對觀測系統的臺站。首先將第一類臺站產出的兩套數據互相對比，查找不同點，分析原因，預期不同點較少，數據之間互相參考、校驗的可行性強。用同樣方法將第二類臺站產出的兩套數據對比，預期數據不同點較多，數據之間互相參考、校驗的可行性弱，而第三類臺站只有一套數據產出，預期將難以確定數據可靠與否。

2 有兩套絕對觀測系統臺站的數據分析

乾陵臺、蘭州臺、烏魯木齊臺、滿洲里臺各自都有兩套絕對觀測系統，對各自兩套絕對資料進行選取，相對儀器固定為質量較好的一套，資料日期為2016年2月至2017年1月。

2.1 基線值與絕對值

乾陵、蘭州、烏魯木齊臺基線全年基本重合，而滿洲里臺基線只在4 個月基本重合，其它8個月差異很大，在絕對值上也有明顯體現。

結合圖1與圖2 看出，乾陵、蘭州、烏魯木齊臺ΔD 值較滿洲里臺相對小且穩定，>0.2′的天數分別為0、3、34，而滿洲里臺>0.2′的天數為237天，最大達到0.48′，且變化幅度也明顯增大，最大也達到0.48′。說明至少有一套絕對觀測系統長期存在問題。

2.2 數據質量的監控效果

（1）乾陵臺

由圖1看出，在2016年3月和2016年12月D分量兩套基線值出現較大不重合，同時也反映在絕對值上，差值變幅接近0.2′，說明至少有一套DI儀的觀測出現問題，根據地磁場時空變化規律一致性與相關性的特點，若選取一個相對穩定的臺站作為參考臺站進行差值分析，通過對比差值變化情況可以判斷臺站儀器的觀測數據是否可靠［12］，將這兩段時間的兩套數據與鄰近天水臺進行絕對值比對。

圖2 各臺不同DI 儀測得偏角之差ΔD與傾角之差ΔIFig.2 Differencebetween declination（ΔD）anddifferencebetweeninclination（ΔI）measured bydifferent DI magnetometers in eachobservatory

在2016年3月，天水與乾陵Mingeo 曲線變化基本一致，差值ΔD線性較好，但乾陵Mag-01H與原狀態相比發生較大偏離，差值ΔD的線性趨勢也發生突變（圖3第一排），因此可斷定這段時間是乾陵臺Mag-01H的觀測出現了問題。注意，還有一種可能，即天水臺的儀器在這段時間也出現了問題，但由于時間段較短（約10天），所以兩個臺同時出現儀器問題的概率很低，即便發生這種情況，還可以與另外的臺再做比較，因此下文不再討論該情況。

在2016年12 月，天水和乾陵Mag-01H曲線變化基本一致，差值ΔD 保持水平，但乾陵Mingeo與原狀態相比發生較大偏離，差值ΔD明顯轉折（圖3第二排），可以斷定是乾陵Mingeo的觀測出現了問題。

圖3 乾陵臺與天水臺偏角絕對值與差值Fig.3Absolutevalues of declination and their differencesof Qianling and Tianshuiobservatory

通過這種方法，及時發現了問題，從而數據質量得到了監控，兩套絕對觀測系統的優勢得以體現。

（2）蘭州臺

由圖1看出，在2016年10 月和12月前后，D 分量兩套基線值出現較大差異，同時也反映在絕對值上，差值最大變幅超過0.2′，說明一定至少有一套DI儀的觀測出現問題，將這兩段時間的兩套數據與鄰近天水臺進行絕對值比對：

圖4 蘭州臺與天水臺偏角絕對值與差值Fig.4 Absolutevaluesof declination and their differences of LanzhouandTianshuiobservatory

用同樣的方法對比可以確定，10 月是蘭州Mingeo的數據出現了問題（圖4 第一排），12月仍是蘭州Mingeo出現了問題（圖4 第二排）。

（3）烏魯木齊臺

由圖1看出，在2017年1月， D分量兩套基線值出現較大差異，同時也反映在絕對值上，差值變幅超過0.1′，說明一定至少有一套DI儀的觀測出現問題，將這段時間的兩套數據與鄰近且末臺進行絕對值比對。

圖5 烏魯木齊臺與且末臺偏角絕對值與差值Fig.5Absolutevalues of declination andtheir differences of UrumchiandQiemoobservatory

通過對比可以確定，烏魯木齊Mag-01H的觀測出現了問題。

（4）滿洲里臺

表1 各臺兩套絕對值差值均方差與變幅對比

從概率密度函數圖像看（圖6）， ΔD 的概率密度較廣泛的分布在0′～0.5′的范圍內，直觀體現出兩套絕對值差值偏大且不穩定， ΔI 的分布范圍也相對較廣，且分布中心與其它臺不同，雖然只有不到0.003′，但已體現出兩套絕對儀器也存在著固定差。

圖6 各臺兩套絕對值差值概率密度Fig.6 Probability density of ΔD and ΔI in eachobservatory

因此對于滿洲里臺，無論哪一臺DI儀，即使狀況良好，根據經驗，在8個多月的時間中出現觀測問題的情況是必然的，但若像其它三個臺那樣，與另一套數據進行對比而發現問題，卻會有諸多困難，因為兩套數據本身就長期處于不一致的差錯狀態，導致其它信息被覆蓋，數據質量的監控效果降低。

事實上，滿洲里臺CTM與Mingeo非同墩觀測，相距約60 m，觀測場地北面300～500 m范圍內，有大型機械設備租賃場且Mingeo所在觀測室比CTM更接近租賃場約30m，另外，在寒冷季節觀測時，兩個觀測室的加溫溫度也有差別，由于儀器溫度特性不同，所以測量結果還會有不同，而且在換季時節如3、4月份及10 月份，兩套觀測數據由溫度導致的差別也很明顯，這些都會導致上述問題產生。但無論是Mingeo或者CTM的儀器故障、受不同環境的影響或者其它原因，只要是結果造成了數據長期較大不一致，都說明至少有一種儀器處于非正常狀態，屬于“帶病觀測”，所以這段時間內，Mingeo與CTM已經失去了互相參考校正的意義，相當于只有單套觀測系統進行觀測。

圖7 崇明臺、佘山臺各項數據對比Fig.7Comparison data of Chongming and Sheshanobservatory

3 有一套絕對觀測系統臺站的數據分析

崇明臺屬國家基本臺，但由于崇明臺只有一套絕對觀測儀Mingeo，沒有達到規范要求，無法通過相互參考校正的方法來監控數據質量，所以在此用距離最近的佘山臺的數據進行類似比較分析。

崇明臺與佘山臺觀測值在部分時間段有很大差別，例如3—5月，11—12月，由概率密度分布寬度可以看出兩臺數據存在點位差，且一致性非常不好（圖7）。由ΔD、 ΔI 的均方差與變幅也明顯高于前面的四個臺（表2），雖然是不同臺的數據，這種比較并不嚴格，但由于地理位置十分接近，兩臺差異不該出現如此大的差異，所以，這種比較結果加大了至少有一個臺的數據不準確的可能性，也就加大了崇明臺數據不準確的可能性。

表2 崇明臺、佘山臺絕對值差值均方差與變幅對比

4 結論

基于以上分析，對于國家級地磁臺站得出以下結論：

（1）具備兩套絕對觀測儀器且觀測質量都優良的臺站，產出的絕對值數據可以相互參考，能及時發現問題并進行更正，所以最終的數據可靠。

（2）具備兩套絕對觀測儀器，但是至少有一套的觀測質量不好的臺站，產出的絕對值數據相互參考性較弱，一些問題不能發現及更正，所以最終的數據會有部分不可靠，為數據分析預報工作埋下隱患。

（3）僅有一套絕對觀測儀器的臺站，無法對產出的數據進行質量監控，即使與其它臺對比，由于地理位置及環境的不同，難以達到預期效果，所以其產出的數據可靠性極低，在某些方面已經不可用于分析預報。

對此提出三點建議：

（1）對于僅有一套絕對觀測儀器的臺站，按規范要求增加一套。

（2）對于具備兩套絕對觀測儀器臺站，嚴密關注儀器狀態，規范觀測方法和流程，每次比測合格后要與另一臺儀器再進行比對，確定儀器差，對于問題儀器進行維修或更換。

（3）對于所有臺站觀測人員，日常工作要嚴格遵照相關要求和流程。