1985—1990年地磁基準臺站時均值數據集

張素琴 陳傳華 王建軍 趙旭東 何宇飛 李 琪 楊冬梅 胡秀娟

1）中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2）中國山東 271000 山東省地震局泰安基準地震臺

3）中國蘭州 730000 甘肅省地震局

4）中國河北 054000 河北省地震局紅山基準地震臺

0 引言

地磁場是一種全球性的地球物理場，由起源于地表以下的磁性物質和電流形成的內源場，以及起源于地表以上空間電流體系的外源場組成。因此，地磁觀測數據中包括著非常豐富的日地空間信息，決定了它在地球科學和空間科學研究中有著廣泛的應用領域。時間分辨力為1 s—1 h 的觀測數據，通常用于脈動、鉤擾、灣擾、磁暴等各種短周期變化磁場的研究，用于日地空間電磁環境監測與預報的研究，同時在地下電性結構探測、震磁觀測研究等方面發揮著重要作用（楊冬梅，2001）。秒采樣數據在評估感應電流（GIC）對地下金屬管網（劉連光等，2016）、輸電網絡（Kappenman，1996；Bolduc et al，1998，2002；Boteler et al，1998；張燕秉等，2004；劉連光等，2008；Wik et al，2008；Liu et al，2009；Guo et al，2015）、通信電纜、高鐵線路（劉連光等，2016）等重大工程項目影響方面也具有重要的應用，發揮了良好的社會效益和經濟效益。時間分辨力為1 h 至幾百年的觀測數據，通常用于地磁場及其長期變化的研究，如地磁急變、磁極移動、極性倒轉、偶極磁矩變化、西向漂移、非偶極場強度變化等，對于認識地核內部及核幔邊界的物質流動，探索地磁場的起源問題具有重要意義（徐文耀，2014）。地磁數據在探礦、導航等領域也有著重要的應用。

地磁學的發展應用有賴于長期的資料積累，因此在可能的條件下應盡量取得連續的完整的觀測資料（徐文耀，1997）。利用最新的科學技術手段，對盡可能長的地磁連續觀測數據進行研究和分析，從而獲取地磁物理場變化信息，一直是國內外科研工作者常采用的方法。世界各國的科學家都非常重視觀測數據的積累和歷史數據的拯救工作。例如，最近俄羅斯日地物理學數據中心收集整理了前蘇聯1957 年7 月到20 世紀90 年代初的41 個地磁觀測站的K指數測定結果，涵蓋20 世紀后半葉，提供給國際科學界，用于對過去的地磁事件回顧性分析以及數據驗證或預測的研究（Natalia Sergeyeva et al，2020）。葡萄牙科英布拉大學的學者也收集整理了1866 年建立的葡萄牙科英布拉地磁觀測站（COI）150 多年的歷史資料，包括磁偏角、水平分量、垂直分量的絕對月均值系列，并對數據進行了人工校正和通化，將數據通化至2015 年的水平（Morozova et al，2020）。INTERMAGNET 發行了最后的物理介質數據，數據被存儲在USB 上，包含1991—2015 年期間全球地磁臺站傳輸到NTERMAGNET 的分采樣數據（Thomson，2020）。我國自20 世紀70 年代開始，相繼在各地開展了地磁場的模擬觀測。由于當時條件的限制，1990 年以前的數據大部分是手工記錄在紙介質上的，紙介質資料無法通過計算機網絡傳遞，勢必對數據的共享和應用造成影響。而且隨著時間的推移，這些寶貴的歷史資料面臨流失而無法整理的危險。因此如何有效收集、整理這些資料，并用于科學研究，一直是我國科研工作者努力的方向（彭豐林等，2006；董星宏等，2009；趙秀寬等，2017）。然而由于實際條件限制，這些研究工作主要集中在某個地磁臺站，覆蓋范圍不夠廣。基于上述原因，也得益于“地震科學數據共享項目”的實施，項目組對我國最早開始觀測的8 個地磁臺站，即北京白家疃、佘山、長春、拉薩、廣州、武漢、蘭州、烏魯木齊地磁臺，俗稱為“老八臺”開展歷史資料的清理工作。“老八臺”的分布基本呈十字狀（程安龍，1995），承擔著監測我國境內地磁場時空變化規律的重要任務。因此將這些珍貴的歷史觀測數據整編、搶救出來，為科學研究和后人提供連續完整、準確可靠的地磁場觀測數據，對于研究各種地磁學現象，保護人類生命財產安全等具有重要的現實意義。本次工作重點收集清理了“老八臺”1985—1990 年期間的歷史資料，然后采用數碼拍照和人工錄入方式，實現紙質資料數字化，同時研制數據入庫軟件，將梳理后的數據導入“十五”數據庫，并進行質量審核，實現珍貴歷史資源的電子化、數據化、標準化和規范化。

1 數據采集和處理

1.1 觀測資料的收集整合

1990 年以前的地磁數據大部分為手工記錄的紙介質資料，隨著時間的遷移許多一線觀測臺站的資料散落遺失，地磁學科管理組因為負責全國資料評比的原因，大部分臺站報送的觀測報告得以妥善保存，但仍有部分資料缺失。項目組首先根據地磁臺站建臺產出報告年代，清理臺站應有資料的年份，然后從學科管理組資料庫、所在單位資料室查找相關資料，并發動臺站，從單位自身查找缺失資料，將查找結果反饋至學科管理組。管理組對查找結果進行系統梳理，盡可能將分散在各處的資料收集整合起來，保證觀測資料盡可能完整齊全。經過近一年的梳理整合，本次工作完成了白家疃、佘山、長春、拉薩、廣州、武漢、蘭州、烏魯木齊8 個地磁臺1985—1990 年期間歷史數據的清理，數據內容由磁偏角（D）、水平強度（H）和垂直強度（Z）3 個要素的絕對時均值組成。

本數據庫（集）元數據簡表見表1。

表1 數據庫（集）元數據簡表Table 1 Metadata table of the geomagnetic datasets

1.2 紙質資料數字化

采用500 萬像素數碼相機，借助燈光拍攝紙質資料的照片（圖1），利用文字識別軟件對照片進行識別，并與紙介質數據進行一致性核對，發現軟件的文字識別效果不理想。因此，采用人工錄入方式實現紙質資料的數字化。

圖1 紙質資料照片Fig.1 Photos of observation reports

設計一套excel 模板，統一數據錄入格式。模板錄入參數包括D分量絕對時均值、H分量絕對時均值、Z分量絕對時均值、標度值、標準變遷、基線值、日變幅7 個工作簿。每個絕對時均值錄入工作簿由14 個工作表組成，分別為錄入說明表、每年1—12 月的數據表和自動匯總表。每月數據工作表又包含臺站代碼、測點ID、日期、大數、24 個時均值和一個日均值（圖2）。

圖2 數據錄入excel 模板Fig.2 Template for data input

1.3 數據入庫

研發“十五”數據庫數據導入軟件（具有參數配置、數據錄入、質量監測和查詢輸出的功能），實現數字化數據的入庫操作（圖3）。

圖3 數據導入軟件Fig.3 Software for data import

2 數據內容（樣本）描述

2.1 IAGA2002 格式

入庫后的數據可以按用戶需求格式導出保存。本數據集采用國際地磁與高空物理協會推薦的IAGA2002 國際通用磁數據交換格式（International Association of Geomagnetism and Aeronom，2003）。IAGA2002 的格式描述如下。

（1）12 個強制性和1 個可選文件頭記錄。第1 列以空格字符開頭，并在第70 列以豎線“|”結束，內容標簽從第2 列開始，描述從第25 列開始。

（2）可選的注釋記錄，用來記錄未包含在已定義字段中數據的重要信息。該注釋記錄在第1 列以空格字符開頭，第2 列以＃開頭，每個記錄末尾用豎線“|”表示。

（3）1 個強制性數據頭記錄。該記錄內容包括DATE（日期）、TIME（時間）和DOY（一年中的第幾天）。磁場要素標頭包含4 個字母：3 個字母為IAGA 編碼，1 個字母為所報告的磁場要素。有效值為H、D（或E）、I（或V）、X、Y、Z、F（或G）。列標題以空格分隔。每個記錄末尾用豎線“|”表示。

（4）一系列數據記錄。每條數據記錄長70 個字符，包含報告的日期、時間和磁場要素以及回車符/換行符。數據記錄嚴格地報告4 個磁場要素（DHIF、DHZF 或 XYZF）。若少于4 個要素，則以相應精度的99999（如99999.0 或99999.00）表示缺失數據，未觀測數據則在該字段中用88888（至相應的準確度）表示。

（5）推薦的文件命名規則。文件名由2 部分組成，即基本名稱和3 個字符的擴展名，使用句點將基本名稱與擴展名分開。基本名稱最長為27 個字符，擴展名為3 個字符。文件名由小寫字母a—z、0—9、下劃線“_”和破折號“-”組成。文件名必須以IAGA 代碼（由3 個字母iag 組成）、日期和數據類型開頭，通用格式為iagyyyymmddtint.int，其中：iag 是各個地磁臺站根據IAGA 要求編寫的臺站代碼（3 個字母）；yyyy=4 位年份；mm=2 位數月份；dd=2 位數天（01—31）；t=類型數據（p：臨時，d：確定，q：準，v：變化）；int=數據間隔（mon：每月，day：每天，hor：每小時，min：每分鐘，sec：每秒）。

2.2 數據集內容

本數據集的數據記錄來源于所選8 個國際地磁資料交換臺站1985—1990 年的資料（表2），數據內容由磁偏角（D）、水平強度（H）和垂直強度（Z）3 個要素的絕對時均值組成。每月一個數據文件，文件由文件頭和數據組成。以北京白家疃地磁臺站1985 年數據為例，給出文件頭和數據樣例，見圖4、圖5，其中D分量單位為分（即角度′），H、Z、F分量單位為nT。

圖4 文件頭樣例Fig.4 An example of file header

圖5 數據樣例Fig.5 An example of data

表2 數據集中8 個地磁臺站信息Table 2 Information of 8 geomagnetic stations in the datasets

在數據集中選取1989 年1 月佘山、武漢（九峰）、廣州（肇慶）3 個臺站的磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z時均值數據，繪制數據曲線，結果見圖6—圖8，可見各分量有明顯的靜日和擾日變化形態。

圖6 佘山、九峰、肇慶地磁D 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.6 Daily variation data for D component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

圖7 佘山、九峰、肇慶地磁H 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.7 Daily variation data for H component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

圖8 佘山、九峰、肇慶地磁Z 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.8 Daily variation data for Z component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

3 數據質量控制和評估

將觀測數據導入數據庫，采取計算機自動處理和人機交互檢驗的方法，評估觀測數據的完整性、日變形態的準確度、長趨勢變化的穩定性，并從觀測環境、觀測系統、觀測技術、數據處理等方面，分析數據質量影響因素，以便有效監控觀測數據質量。

3.1 數據完整率

完整率=（應有觀測樣本數－原始缺記觀測樣本數－預處理刪除樣本數）/應有觀測樣本數。調查發現，影響本數據集完整率的主要因素是儀器故障停測，如拉薩地磁臺1989年因儀器故障暫時停止觀測，并于1990 年恢復觀測（表2 備注）。表3 給出的是1985—1990 年8 個地磁臺站的數據完整率。

表3 1985—1990 年8 個臺站數據完整率Table 3 The data integrity of 8 geomagnetic stations from 1985 to 1990

3.2 日變化形態準確度評估

鄰近臺站或同一經度鏈磁場日變化形態具有較好的空間相關性，基于該原理，對本數據集中臺站絕對時均值數據日變化一致性進行分析。選取分布在120°E 附近的北京、長春、武漢（九峰）、廣州（肇慶）地磁臺站1985 年1 月記錄的D、H、Z三分量時均值數據，繪制時序曲線，見圖9，可見同一經度鏈的臺站地磁觀測數據日變形態一致性較好。

圖9 120°E 鏈附近北京、長春、九峰、肇慶臺站三分量時均值日變化曲線（1989 年1 月）Fig.9 Hourly mean values curves for D,H and Z components at observatories BJI,CNH,WHN and GZH near 120° E（Jan.,1989）

3.3 長趨勢變化穩定性分析

地磁場的長期變化主要受地球主磁場的控制，因此相鄰地磁臺記錄的長期變化趨勢具有一定相關性。但由于地殼分布的不均勻性，當臺站間的距離增大時，其長期變化趨勢又有差異，因此可繪制各臺站地磁日均值圖，通過對比鄰近臺或相關臺之間地磁日均值的分布形態和差值曲線，判斷臺站絕對日均值數據長趨勢變化穩定性，達到對資料質量的檢驗。選取分布在120°E 附近的北京、長春、佘山、廣州（肇慶）4 個臺站1985—1990 年D、H、Z三分量日均值數據，繪制時序曲線，結果見圖10，可見同一經度鏈的地磁臺站記錄長趨勢變化穩定，一致性較好。

圖10 120°E 附近北京、長春、九峰、肇慶臺站三分量日均值曲線Fig.10 Daily mean values curves for D,H and Z components at observatories BJI,CNH,SSH and GZH near 120°E

4 數據應用前景

本數據集可用于開展地磁場建模、地磁圖編繪、主磁場及其長期變化、地磁異常場分析等研究工作，直接或間接服務于導航、能源和礦產資源的探查；可用于開展磁暴特征和過程的研究工作，建立磁暴預報模型，為通訊、電網、高鐵、油氣管道、航空和空間天氣預警服務；還可用于震磁異常信息監測與提取，為地震監測預測服務。

5 結論

文中介紹了1985—1990 年8 個地磁基準臺站地磁時均值數據集的獲取建立過程、質量評價及應用前景，數據集涉及的地理區域跨度大，對于地磁場，尤其是主磁場及主磁場長期變化的研究具有重要價值。紙質資料的搶救是一項耗時費力的工作，數據的收集、清理及數字化需要耗費大量人力物力資源。在此次地磁歷史數據集的獲取過程中發現了較多問題，如：①因時間久遠，紙質報表破損較多，有些報表中字體顏色不同程度地變淺，給正確識別帶來一定困難，只能采取人工鑒別方式錄入；②個別臺站信息不完整，為確定某個臺站信息，往往需要耗費大量精力查詢資料；③受歷史、自然條件及其他原因制約，一些臺站資料已經缺失，造成無法彌補的損失；④分析入庫數據發現，一些臺站數據資料存在質量問題，若不加以處理或標注，將影響后續科研工作的開展。

針對數據集獲取過程中出現的問題和不足，計劃在下階段工作中對數據庫進行綜合修改和完善，補充新的歷史觀測資料，并加強數據質量審核工作。

地磁基準臺站時均值1985—1990 年數據集是一項集成性成果，研究工作的順利開展與項目組全體成員的辛勤勞動和共同努力是分不開的，在此對長春地磁臺、烏魯木齊地磁臺、北京白家疃地磁臺、蘭州地磁臺、佘山地磁臺、武漢地磁臺、拉薩地磁臺、廣州地磁臺的工作人員表示衷心感謝。