北京地磁场变化特征分析

张秀玲 范晓勇 周江林

（中国北京100095中国地震局地球物理研究所北京国家地球观象台）

北京地磁场变化特征分析

张秀玲 范晓勇 周江林

（中国北京100095中国地震局地球物理研究所北京国家地球观象台）

根据北京国家地球观象台北京地震台1987—2013年地磁观测资料，分析该台地磁场长期变化和短期变化，认为北京地磁场长期变化具有缓慢上升、缓慢下降和逐渐恢复上升的形态，短期变化受太阳黑子活动强度影响，对了解北京地区地磁场变化特征具有一定意义。

地磁场；长期变化；短期变化；太阳黑子；日变幅

0 引言

地磁场由不同起源、不同变化规律的磁场成分叠加而成。地球的基本磁场是指，起源于地核或核幔边界电流体系的磁场。基本磁场并非固定不变，而是随时间缓慢变化，即为基本磁场的长期变化 （倪永生，1990）。地磁场有很小一部分来自地球外部空间，随时间变化，且与太阳活动密切相关，是地球的变化磁场。研究地磁场的长期变化就是研究内源场，即各种地磁要素多年变化，只有研究并充分认识其规律，才能正确提取异常场。国内外对地磁场长期变化规律作了大量研究，王亶文（2005）研究了地球偶极磁场短期和长期变化规律，孙旭丽（2003）、罗玉芬（2005）分别对长春和广州地磁场变化特征进行分析和总结，王新刚（2008）和张小涛（2008）对新疆和河北地磁场变化特征做分析和总结；赵德军（2012）分析了太阳静日变化的特征分析。

本文对北京地震台地磁场长期变化和短期变化进行分析，了解该地区地磁场变化活动规律及特征，为地震预报提供有用资料。

1 资料选取

北京地震台位于北京市西北郊白家疃村村东，海拔 69.0 m，台基岩性为洪积砾石层。根据台站院内北部钻探查明，奥陶纪灰岩埋藏于54 m以下，上部为沙土、砂砾、卵石分层覆盖，地下水位约40 m。北京地震台地磁观测手段于1952年选址、兴建，1957年7月1日投入观测，至今保持了连续50多年可靠记录。北京地磁台被列入全球地磁数据交换台站之一，为国内外地震预报研究提供连续可靠的地磁观测数据。

选取1987—2013年北京地磁的观测报告，选用地磁场总强度（F）和垂直分量（Z）的年均值，并计算年变率，分析北京地磁场的长期变化。在太阳活动周内，选用太阳活动高年和低年，利用水平分量（H）的日变幅进行短周期变化统计和分析。

2 地磁场长期变化分析

在地磁台，利用相邻两年的年均值差可求出两年内年变率，或者利用某两年的年均值差除以二者相隔年数，可以求出这几年的平均年变率。地磁场的长期变化即基本磁场随时间的缓慢变化，对北京地区地磁场长期变化，主要从地磁总强度（F）和垂直分量（Z）的年均值及年变率进行分析。

2.1 地磁总强度（F）

1987—2013年北京地磁场总强度和垂直强度的年均值数据是全年地磁观测数据计算所得。采用北京地震台总强度年均值和年变率，绘制1987—2013年磁场总强度和年变率变化曲线（图1），分析其变化趋势。

图1 1987—2013年北京地磁场总强度年均值及年变率（a）年均值；（b）年变率Fig.1 Annual values and annual rang of total intensity of geomagnetic feld in Beijing in 1987-2007

从图1可见，北京地磁场总强度（F）变化分为3个阶段：①1987—2000年为上升阶段，北京地磁台F值从1987年的54 927.4 nT增大为2000年的55 104.6 nT，增大177.2 nT，平均年变率为13.63 nT/a。1992年的年变率最大，为40.5 nT/a，以后F值逐年增加，1993—1996年增加138.4 nT，年变率为34.6 nT/a；②2000—2006年为下降阶段，2000年F年均值为55 104 nT，2006年为55 140.4 nT，年变率均值为-10.86 nT/a；③2007—2013年为上升阶段，F年均值和年变率逐渐增加，年均值增加115.6 nT，平均年变率增加19.27 nT。

1987—2013年北京地震台地磁场总强度（F）共增加329.9 nT，年变率为12.69 nT/a。北京地磁场具有缓慢上升、缓慢下降和逐渐恢复上升趋势，与长春地磁台地磁场以波峰、波谷波浪式的缓慢递增和递减趋势（孙旭丽，2013）一致。

2.2 地磁垂直分量（Z）分析

绘制1987—2013年北京地磁场垂直分量（Z）年均值和年变率变化曲线（图2），分析垂直分量（Z）的变化趋势。

由图2可见：①1987—1999年为上升阶段。Z值年均值从1987年的46 365.2 nT增至1999年的46 869.9 nT，增加504.7 nT，平均年变率为42.06 nT/a，其中1993年Z值年变率增加最多，为56.6 nT/a，1991年前后年变率变化杂乱，无规律，2000年前后Z分量普遍存在急剧变化，与陈伯舫等（1999）对Z分量急变的分析结果相同；②2000—2006年为下降阶段。Z值从2000年年均值46 869.5 nT逐年减少，截至2006年，Z年均值为46 802.8 nT，年变率为-9.58 nT/a。2000年前后，年变率从12.8 nT到-0.4 nT发生正负反转变化；③2007—2013年为上升阶段。Z值逐渐增大，年均值增加256.8 nT，年变率为42.8 nT/a。

图2 1987—2013年北京地磁场垂直强度年均值及年变率（a）年均值；（b）年变率Fig.2 Annual means and annual rang of vertical component of geomagnetic feld at Beijing in 1987-2013

北京地震台地磁场垂直分量Z值1987—2013年增大710.2 nT，平均年变率为27.32 nT/a。Z值变化趋势具有缓慢上升、缓慢下降和逐渐上升的趋势，与F值变化形态一致，与长春地磁台垂直分量长期变化趋势（孙旭丽，2013）一致。

3 地磁场短期变化分析

地磁场有很小一部分来自地球外部空间，由电离层和磁层的电流体系产生，随时间变化，与太阳活动有关，变化磁场中，太阳静日变化占磁场主要部分（赵德军，2012），而太阳黑子活动对地磁场短期变化具有一定影响。根据太阳黑子活动高年和活动低年每月5天国际磁静日水平分量日变幅计算日变幅月均值，与太阳黑子数进行对比，分析太阳黑子数对日变幅的影响。

将1987—2013年太阳黑子数绘成曲线，见图3。从图3可以看出，太阳黑子数11年左右周期性变化明显。1987—2013年处于太阳活动的第22、23和24周期（李琪等，2012），1989年太阳黑子数为157.6个，1996年为8.6个，分别处于太阳黑子活动周期峰年和谷年，由此选取1989年和1996年数据，采用日变幅均值进行计算，分析北京地磁场短期变化。

选取1989年《北京地磁台地磁观测报告》和1996年《北京地磁台地磁观测报告》的日变幅数据，分别计算这两年每月5天国际磁静日水平强度（H）日变幅和日变幅均值（表1，表2）。1989年和1996年1月至12月的太阳黑子数和磁静日地磁场水平分量（H）的日变幅化成曲线见图4。

图3 1987—2013年太阳黑子数Fig.3 Sun spots of 1987-2013

图4 太阳黑子数对应水平分量日变幅（a） 1989年；（b） 1996年Fig.4 Sunspot and daily ranges of horizontal

表1 1989年静日水平强度日变幅（单位：nT）Table 1 Daily ranges of horizontal intensity in quiet day in 1989

表2 1996年静日水平强度日变幅（单位：nT）Table 2 Daily ranges of horizontal intensity in quiet day in 1996

地磁场变化场表现出区域特征，场强度变化表现为地磁场季节变化和短期变化（阿里普别科夫，2007）。对表1、表2进行对比分析，发现：1989年作为太阳黑子活动高年，磁静日日变幅最高值出现在9月9日，最低值在11月22日。1996年是太阳黑子活动低年，全年磁静日日变幅最高出现在5月28日，最低值在1月10日。1989年磁静日水平日变幅9月均值最高，为75.6 nT，11月最低，月均值40.8 nT。1996年磁静日日变幅月均值9月最高，1月最低，幅度相差27.8 nT，而太阳活动高年和低年日变幅最高相差80.0 nT。通过以上分析，认为地磁变化活动较强月份在9月。

由图4可知，1989年水平分量磁静日日变幅均值为58.46 nT，1996年为33.75 nT，两者年均值差76.3 nT。1989年太阳黑子数是157.6个，而1996年为8.6个，可见太阳黑子数越高，日变幅越大，太阳黑子数越低，日变幅越小。

4 结论

通过对北京地磁台地磁总强度、垂直强度年均值和水平强度（H）日变幅观测资料进行分析，得出以下变化规律。

（1） 北京地磁台地磁场观测数据不能完全揭示该台地磁场长期变化规律，但具有一个比较明显的优势周期。北京地磁场长期变化具有增加期、下降期和恢复期，总强度和垂直分量变化形态基本一致，发生变化时间一致，变化强度不同，垂直强度增加较快，2000年前后发生急剧变化，垂直分量年变率显著。

（2）地磁活动呈现明显的季节性规律，一般春秋季（3—4月，9—10月）地磁活动较强。

（3）短期变化从太阳黑子活动对地磁场影响数据分析，随着太阳黑子数的增加，地磁场水平分量减小，反之，太阳黑子数减少，地磁场水平分量增加，可见太阳黑子对地磁场短期变化影响较大。

陈伯舫，王亶文，范国华.从中国地磁台网看1991 年Jerk［J］.地震地磁观测与研究，1999，20（1）：33-38.

罗玉芬，黎晓之，陆镜辉.广州地磁台地磁场长期变化的分析研究［J］.防灾技术高等专科学校学报，2005，7（4）：64-68.

李琪，高玉芬，朱培育.强磁暴的时间分布特性［J］.地震地磁观测与研究，2012，33（3/4）：56-60.

倪永生.地磁学简明教程［M］.北京：地震出版社，1990.

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王新刚，唐小勇，等.新疆地磁场变化特征的初步研究［J］.地震地磁观测与研究，2008，29（6）：116-119.

王亶文.20世纪地磁长期变化场分析［J］.地球物理学报，2004，47（3）：423-427.

张小涛，王莉森，等.河北省近年内地磁场变化规律的初步分析［J］.地震地磁观测与研究，2008，29（6）：17-21.

赵德军，徐新强，段金梅.太阳静日变化的特征分析［J］.海洋测绘，2012，11（6）：24-26.

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Analysis on variation characteristics of geomagnetic field in Beijing area

Zhang Xiuling，Fan Xiaoyong and Zhou Jianglin
（Beijing National Observation，Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100095，China）

According to the data recorded by the Beijing Geomagnetic Station from 1987 to 2013，we analyze the secular and short-term variations of the geomagnetic field.We conclude that the secular variation of the geomagnetic field presents the trend of increasing，decreasing slowly and then increasing gradually again，and the short-term variation of the geomagnetic field is infuenced by the activity intensity of sun spot.These variations are signifcant for understanding the characteristics of geomagnetic feld in Beijing area.

geomagnetic feld，secular variation，short-term variation，sun spot，daily variation amplitude

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.008

张秀玲（1968—），女，工程师，现在从事前兆观测与数据处理工作

渤海海峡跨海通道地壳稳定性调查评价（地应力），项目编号：GZH201200504

本文收到日期：2015-11-11