地磁臺站連續觀測分鐘值連接閾值選擇

劉德強 王朝景 李 博 張海洋 毛豐龍

（中國保定071000 河北省地震局流動測量隊）

0 引言

基于地震監測預報工作需要，目前中國流動地磁監測范圍已接近覆蓋全國，數據處理工作量也隨之增大。研究發現，地震的發生會引起震磁異常現象（倪喆等，2014a；趙育飛等，2017；馮麗麗，2019；宋成科等，2020），多數異常幅度并不高（陳斌，2011；趙育飛等，2017；宋成科等，2020），加之巖石圈磁場短期變化量不大，若要準確提取其中蘊含的震磁異常信息，使其不被掩蓋，需要在野外觀測、數據處理等階段盡可能降低數據誤差（蘇樹朋，2010；陳斌，2011）。在對觀測數據進行日變通化時需借助測點周邊地磁臺站較長時段的相對記錄數據（陳斌等，2017；馮麗麗，2019），由于午夜時段地磁場變化穩定，一般不會出現數值突跳現象，而受諸多不明因素影響，臺站實際觀測數據存在非正常的鄰日數據臺階差值，為保證日變通化結果的準確性，有必要對臺階合理性進行判斷，以避免產生過多或過少的改正量（張正霞等，2009）。其有效途徑是，確定日變通化所需地磁臺站H、D和Z三分量鄰日數據連接閾值，若臺階值小于此閾值，則各天數據直接順序連接，若臺階值大于此閾值，則進行消除平滑連接。針對此項研究的文獻目前較少，文中選用全國8個地磁臺站2020 年5 月的連續分鐘值相對記錄數據進行處理，首選較小值進行連接嘗試，篩選得到更多臺階值，并分析其在相鄰兩臺站的同步性，統計臺階出現前后連續分鐘值正常波動幅度，以討論臺階的合理性，進而調整得到合理閾值。此項工作對提高數據產品的準確性具有實際意義，并可為地磁臺站其他類似數據處理提供參考。

1 臺站數據選取

地磁場變化差異受空間影響顯著，為較充分地討論閾值的合理性，所選多個地磁臺站地理位置應分散分布。受儀器故障、外界環境干擾等因素影響，地磁臺站會缺失某時間段數據，數據選取時應避免此類時段。經對多個地磁臺站數據進行質量對比，選用滿洲里（臺站代碼MZL）臺、德都（臺站代碼DED）臺、蒙城（臺站代碼MCH）臺、泰安（臺站代碼TAA）臺、靜海（臺站代碼JIH）臺、隆堯（臺站代碼LYH）臺、錫林浩特（臺站代碼XLH）臺和長春（臺站代碼CNH）臺（下文各臺站以臺站代碼指代）2020 年5 月相對記錄預處理分數據，各臺站觀測儀器型號分別為FHDZ-M15[3]、FHDZ-M15[3]、GM-4[1]、GM-4[2]、FHDZ-M15[1]、FGM-01[2]、GM4-XL[B]和GM-4[B]。8 個地磁臺站分布見圖1。

圖1 8 個地磁臺站分布Fig.1 Distribution of 8 geomagnetic stations

參 考MZL 臺、DED 臺、MCH 臺、TAA 臺記錄的H、D和Z三分量連續分鐘值正常變化幅度，初選較小的閾值對長時段數據進行連接，篩選出多個臺階值，分析其在相鄰兩臺站的同步性，并統計臺階前后15 min 連續觀測值正常波動幅度，討論臺階的合理性，進而對閾值大小進行調整，并將得到的閾值應用于JIH、LYH、XLH 和CNH 臺同時段數據進行連接驗證。

2 各分量連接閾值選擇

綜合各地磁臺站實際觀測數據，地磁場D分量連續分鐘值波動幅度明顯較小，H和Z分量相當，參考3 個分量正常變化幅度，首選較小閾值進行連接嘗試，H、D、Z三分量初選閾值分別為0.3 nT、0.2 nT、0.3 nT。

2.1 H 分量

（1）MZL 和DED 臺數值變化。統計MZL 和DED 臺2020 年5 月H分量累計連接值，即臺階累加值，結果見圖2(a)。由圖可見：①MZL 臺：在5 月23 日和25 日分別出現-0.5 nT 和-0.6 nT 的臺階值；②DED 臺：23 日未同步出現臺階變化，25 日同步出現臺階，31 日出現臺階變化。

初步判斷，MZL 臺23 日和DED 臺31 日的數值變化為非正常臺階，而兩臺站實際記錄數據連續性較好，臺階無需消除處理；25 日兩臺同步出現的臺階值屬正常波動。

（2）MCH 和TAA 臺數值變化。統計MCH 和TAA 兩臺2020 年5 月H分量累計連接值，結果見圖2(b)。由圖可見：①MCH 臺：5 月8 日、25 日分別出現-0.8 nT、-0.6 nT 的臺階值；②TAA 臺：5 月12 日、14 日、28 日、30 日臺階值分別為0.5 nT、0.4 nT、0.4 nT、0.3 nT。

圖2 2020 年5 月H 分量累計連接值Fig.2 The connection value of component H in May,2020

兩臺臺階值未同步出現，而數值變化前后所記錄數據連續性較好，故臺階均無需消除處理。

（3）閾值大小修正。臺階出現可能是由于H分量連續觀測值正常變化幅度較大，超出所選閾值，應適當提升閾值大小，參考兩臺站出現的臺階值大小，將閾值初步修正至0.8 nT。

取MZL 臺5 月23 日、25 日和MCH 臺5 月8 日、25 日臺階前后各15 min 連續觀測值進行統計，確定相鄰分鐘值正常變化幅度，結果見表1，可見差值在0.5—0.9 nT，結合閾值初判結果，將閾值從0.8 nT 提升至1.0 nT。

表1 H 分量相關臺階前后連續分鐘值變化幅度Table 1 The continuous observation range before and after correlation step value of component H

2.2 D 分量

（1）MZL 和DED 臺數值變化。統計MZL 和DED 臺2020 年5 月D分量累計連接值，結果見圖3(a)，可見：兩臺在5 月8 日同步出現臺階值，屬正常波動，其中前者數值變化為-0.32 nT，后者為-0.24 nT；MZL臺在5月28日出現0.39 nT的臺階值，與鄰臺變化不同步，相對D分量連續分鐘值正常變化幅度，數值較大，需進行消除處理。

（2）MCH 和TAA 臺數值變化。統計MCH 和TAA 臺2020 年5 月D分量累計連接值，結果見圖3(b)，可見僅TAA 臺在5 月20 日出現-0.38 nT 的臺階值，相對D分量連續分鐘值正常變化幅度較大，且鄰臺未同步出現，應消除處理。

圖3 2020 年5 月D 分量累計連接值Fig.3 The connection value of component D in May,2020

（3）閾值大小修正。對MZL、MCH、TAA 臺出現的4 個臺階前后各15 min 連續觀測值進行統計，確定D分量相鄰分鐘值正常變化幅度，結果見表2，可見4 組數據的相鄰分鐘值最大差值與4 個臺階值相對應，而D分量數據波動幅度本身較小，因此-0.24 nT、-0.32 nT 大小的臺階值無需消除，-0.38 nT、-0.39 nT 大小的臺階值應予以消除，連接閾值取0.35 nT 可行。

表2 D 分量相關臺階前后連續分鐘值變化幅度Table 2 The continuous observation range before and after correlation step value of component D

2.3 Z 分量

（1）MZL 和DED 臺數值變化。統計MZL 和DED 臺2020 年5 月Z分量累計連接值，發現兩臺整月鄰日數據銜接平滑連續，未出現大于0.3 nT 的臺階差值，結果見圖4(a)。

圖4 2020 年5 月Z 分量累計連接值Fig.4 The connection value of component Z in May,2020

（2）MCH 和TAA 臺數值變化。統計MCH 和TAA 臺2020 年5 月Z分量累計連接值，結果見圖4(b)，可見前者僅5 月16 日出現-0.6 nT 的臺階值，后者則于5 月3 日、4 日、8 日、12 日、18 日、19 日、20 日、28 日、29 日和31 日分別出現-0.3 nT、-0.4 nT、-0.4 nT、-0.3 nT、-0.4 nT、-0.5 nT、-0.5 nT、-0.5 nT、-0.4 nT 和-0.4 nT 的臺階值。其中-0.3 nT和0.3 nT 的臺階值接近Z分量連續分鐘值正常變化幅度，無需消除處理，可將閾值提升至0.4 nT。

（3）閾值大小修正。統計MZL 臺5 月16 日和TAA 臺5 月4 日、8 日、19 日、20 日、28 日較大的臺階值前后各15 min 連續觀測值（表3），確定Z分量連續分鐘值正常變化幅度。6 組數據相鄰分鐘值最大差值分別對應以上6 個臺階值，說明MCH 和TAA 臺Z分量連續分鐘值變化幅度相對不大，連接閾值取0.4 nT 可行。

表3 Z 分量相關臺階前后連續分鐘值變化幅度Table 3 The continuous observation range before and after correlation step value of component Z

2.4 適用性驗證

依據初選閾值（H、D、Z三分量分別為0.3 nT、0.2 nT 和0.3 nT）和修正閾值（H、D、Z三分量分別為1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT），對JIH、LYH、XLH 和CNH 臺2020 年5 月相對記錄數據分別進行數據連接驗證，同時對各臺站累計連接值進行統計，結果見表4、表5。

表4 JIH 和LYH 臺2020 年5 月各分量累計連接值（單位：nT）Table 4 Cumulative connection values of every component at JIH and LYH stations in May,2020

表5 XLH 和CNH 臺2020 年5 月各分量累計連接值（單位：nT）Table 5 Cumulative connection values of every component at XLH and CNH stations in May,2020

（1）JIH 臺三分量閾值適用性。統計JIH 臺累計連接值，若H分量閾值取0.3 nT，在5 月20 日出現-0.6 nT 的臺階值，臺站實際記錄數據在臺階前后波動幅度較大，但較為連續，則臺階值無需消除處理，對比可知閾值取1.0 nT 更加適用。

若Z分量閾值為0.3 nT 和0.4 nT，則存在不少臺階值，均在臺站實際記錄數據正常波動范圍內，無需消除處理。這些臺階值可能與臺站數據質量有關，數據波動性強，同時Z分量正常波動幅度本身較大，需適當提高閾值，以保證數據正常連接。Z分量最大臺階值為5 月31 日0.6 nT，鑒于H分量閾值選取1.0 nT，Z分量正常波動幅度與其相當，因此將閾值提升至1.0 nT 可行。

（2）LYH 臺三分量閾值適用性。統計LYH 臺累計連接值，當H分量閾值為0.3 nT 時，5 月25 日存在-0.5 nT 的臺階值，在連續分鐘值正常波動范圍內無需消除處理，因此閾值取1.0 nT 適宜，其他2 個分量累計連接值均為0，說明數據變化平穩，觀測質量較好。

（3）XLH 臺三分量閾值適用性。統計XLH 臺累計連接值，若以初選閾值進行連接，H分量在5 月25 日存在-0.4 nT 的臺階值，D分量在5 月8 日存在-0.2 nT 的臺階值，Z分量在5 月29 日存在-0.3 nT 的臺階值，臺站實際記錄數據連續性較好，臺階均在連續分鐘值正常波動范圍內，因此無需消除處理；以修正閾值進行連接，3 個分量累計連接值均為0，因此H、D、Z三分量閾值分別取1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT 可行。

（4）CNH 臺三分量閾值適用性。統計CNH 臺累計連接值，僅當H分量閾值為0.3 nT時，5 月25 日存在-0.8 nT 的臺階值，臺站實際記錄數據連續性同樣較好，臺階在連續分鐘值正常波動范圍內，無需消除處理，因此閾值取1.0 nT 可行。

總體來說，JIH 臺H、D、Z三分量連接閾值選擇1.0 nT、0.35 nT 和1.0 nT 更適用，LYH、XLH 和CNH 臺各分量仍選取1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT 即可。因此，H和D分量閾值取1.0 nT 和0.35 nT 適用性較好；Z分量閾值可視臺站具體數據特征而定，當臺站數據質量較好，連續分鐘值正常波動較小時，選取0.4 nT 更為精確，數值波動較大時取1.0 nT是可行的。

3 特殊情況下閾值的調整

本研究采用的數據量不大，在實際應用中可能出現以下閾值不適用現象，需視相應情況做閾值調整：①若臺站某時段數據波動較劇烈，可能篩選所得臺階值過多，在數據連接時無需消除，適當提高閾值，正常順序連接即可；②若某臺站實際記錄數據質量受周邊環境等影響波動幅度較大，適當提高閾值即可；③H和Z分量正常波動幅度明顯比D分量大，若臺站數據選取時段較長，數據處理工作量較大時，可將閾值進一步提高，然而，當臺站數據質量較好時，Z分量閾值取0.4 nT 更為精確。

4 結論

通過首選較小閾值對MZL、DED、MCH 和TAA 臺2020 年5 月地磁預處理分數據進行連接，根據篩選的臺階值是否在相鄰臺站同步出現以及統計臺階值前后短時段內相鄰分鐘值變化幅度，得到H、D、Z分量連接閾值分別為1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT。以此閾值對JIH、LYH、XLH 和CNH 臺同時段數據進行連接，得到H和D分量閾值取1.0 nT 和0.35 nT 適用性較好，Z分量閾值可視臺站具體數據特征而定，當臺站數據質量較好，連續分鐘值正常波動較小時，取0.4 nT 更為精確，波動較大時取1.0 nT 是可行的。若磁擾時段臺站數據波動劇烈或臺站數據質量有限，需適當提升閾值大小。

地磁臺站連續觀測分鐘值鄰日數據連接存在不合理臺階現象較為常見，多次累加后量級不小，因此有必要確定合理的連接閾值，對于提高流動地磁監測數據產品的準確性具有實際意義，也可為其他地磁臺站類似數據處理工作提供參考。本研究數據量小，所得結果可能不精確，今后需積累大量數據完善處理工作。