通海地磁台观测值与IGRF模型值的长期变化分析

孙维怀，李 琪，白春华，刘 瑾，毕 青

(1．云南省地震局通海地磁台，云南 通海 652700；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；3．云南大学资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震减灾局，云南 玉溪 653100)

通海地磁台观测值与IGRF模型值的长期变化分析

孙维怀1，李 琪2，白春华3，刘 瑾3，毕 青4

(1．云南省地震局通海地磁台，云南 通海 652700；2.中国地震局地球物理研究所，北京 100081；
3．云南大学资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091；4．云南省玉溪市防震减灾局，云南 玉溪 653100)

利用云南通海基准地磁台1985年至2011年的年均值资料，研究了通海地磁台观测值与第11代IGRF模型值的长期变化，两者的一致性程度。结果表明：通海地磁台站观测值与IGRF模型值的长期变速率相近、形态一致；两者的差值与太阳黑子数变化存在相关性；各地磁要素的差值均低于IGRF模型的误差水平。

通海地磁台； IGRF模型；长期变化

地磁台站是监测地磁场及其变化的场所。通海地磁台是地处我国西南的一个基准地磁台，位于云南省中部地区。基准地磁台承担着监视全球地磁场的长期变化，为地球主磁场、地球核幔边界物质运动、地球磁场的电离层和磁层活动的研究提供基础数据[1]。通海地磁台台基主要是泥盆系石碳系灰岩,间有红土层,3 m以下为湖相沉积,观测室附近地磁场分布均匀,磁场梯度小于 1 nT/m 。该台始建于1979年，1982年开始地磁观测，1985年正式出版了地磁观测报告，至今已有近30年的历史，并取得了连续可靠的地磁观测资料。基准台在监测地磁场时可以反映其周边500 km范围内的地球基本场的变化特征[2]。

国际地磁参考场(International Geomagnetic Reference Field,简称IGRF)是采用球谐分析的方法来描述地球主磁场及其长期变化的一系列数学模型。而且是国际上通用的全球地磁标准模型。在1968 年国际地磁与高空物理协会(IAGA)发布1965年IGRF模型之后，IAGA给出了每5年的IGRF模型，迄今已经陆续提出了11代IGRF模型。最新的第11代IGRF模型(IGRF- 11) 是IAGA于2009年12月发布的。为了保证IGRF模型的精度，IAGA决定从2000年度开始，将IGRF模型的截止阶数由10阶(球谐系数精度为1nT)扩展到13 阶(球谐系数精度为0．1 nT)[3-5]。

本文利用通海台1985～2011年的观测资料和IGRF-11模型，分析了7个地磁场要素的长期变化特点，两者差值的变化趋势。

1 数据的选取与处理

IGRF-11模型主磁场磁势的表达式为：

本文选取通海地磁台1985年至2011年期间7个地磁场要素的年均值。利用NGDCGeomagneticCalculators(http://http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web)上提供的IGRF-11模型软件,计算通海台1985～2011年7个地磁要素的模型值。将磁偏角D、磁倾角I分量统一转换为以度为单位,其中D分量符号取偏东为正,I分量符号取下倾为正。同时，分别计算通海地磁台各个分量年均值(观测值)与IGRF模型计算值的差值。

2 长期变化分析

2.1 台站年均值与IGRF模型值的长期变化分析

图1绘出了通海地磁台历年7要素的年均值与国际地磁参考场IGRF模型计算值的时间同轴曲线。图中横坐标为时间轴，左侧纵坐标为台站实测地磁要素年均值，用实线绘制；右侧纵坐标为国际地磁参考场IGRF模型值，用虚线绘制。

图1 通海地磁台七要素年均值与IGRF模型值时间同轴曲线

(1)磁偏角(D)

从图1磁偏角的观测值曲线可以看到，该分量存在二个阶段性的变化特征。第一阶段：1985～1996年，磁偏角由偏西1.026°变至偏西0.777°，12年间增大了14.89′，平均年变率为1.241′/a,呈上升趋势；第二阶段：1997～2011年，磁偏角由偏西0.788°变至偏西1.262°，15间年减小了28.7′，平均年变率为1.91′/a，呈下降趋势。从图1可见，磁偏角的IGRF值呈现了与磁偏角观测值相同的二个阶段性变化特征。磁偏角的年变形态经历了一个上升—下降的过程，与邻近的广州地区地磁偏角的缓慢上升形态有很大的不同[6]，这种不同应该能反映两地区非偶极子磁场的长期变化。

(2)磁倾角(I)

通海地磁台1985年的磁倾角观测值是34.093°，2011年的磁倾角观测值是36.130°，从磁倾角的观测值曲线来看，呈逐年缓慢增大的趋势，27年间增大了2.037°，平均年变率为4.5′/a。从图1中可以看出磁倾角观测值曲线的变化比较简单，呈单调上升的趋势；且磁倾角IGRF值也呈现了与磁偏角观测值相同的单调上升趋势，27年间增大了2°，平均年变率为4.4′/a。

(3) 水平分量(H)和北向分量(X)

通海地磁台地磁场水平强度观测值的变化形态与北向分量观测值基本相同，1985～2011年地磁场水平强度观测值从38 140.7 nT下降到37 716.3 nT，27年间下降了424.4 nT，平均年变率为15.7 nT/a。1985～2011年地磁场北向分量观测值从38 134.6 nT下降到37 707.2 nT，27年间下降了427.4 nT，平均年变率为15.8 nT/a。从图1可以看到，水平分量(H)和北向分量(X)的IGRF值呈现了与通海地磁台水平分量(H)和北向分量(X)观测值相同的单调下降趋势，地磁场水平强度IGRF值27年时间下降了430 nT，平均年变率为15.9 nT/a；地磁场北向分量IGRF值27年时间下降了433 nT，平均年变率为16.0 nT/a。

(4)东向分量(Y)

从图1还可以看到，通海地磁台地磁场东向分量观测值的变化形态与磁偏角观测值的变化形态基本相同，存在二个阶段性的变化特征。第一阶段：1985～1996年，地磁场东向分量观测值由-685.6 nT 变至-531.3 nT，12年间增大了154.3 nT，平均年变率为12.8 nT /a,呈现上升趋势；第二阶段：1997～2011年，地磁场东向分量观测值由-533.2 nT变至-831.5 nT，15年间减小了298.3 nT，平均年变率为19.9 nT /a,呈现下降趋势。从图1地磁场东向分量IGRF值曲线上可以看到，其呈现了与磁偏角观测值相同的二个阶段性的变化特征。

(5)垂直分量(Z)

从图1可以看到，通海地磁台地磁场垂直分量观测值具有类似于磁倾角的变化形态。1985～2011年地磁场垂直强度观测值从25 816.0 nT上升到27 534.9 nT，27年间上升了1 718.9 nT，平均年变率达到63.7 nT/a。基本呈单调上升的变化特征。通海地磁台地磁场垂直分量的年变率要高于广州地区的30.0 nT/a的年变率，这种速率的差异恰恰是由于区域性磁异常引起的。从图1地磁场垂直分量IGRF值曲线可以看到，1985～2011年地磁场垂直强度IGRF值从25 797.4 nT上升到27 483.2 nT，27年间上升了1 685.8 nT，平均年变率达到62.4 nT/a。也呈单调上升的变化特征。

(6)磁场总强度(F)

从图1可以看到，通海地磁台的磁场总强度在1985～2011年从46 056.2 nT 增大到46 697.9 nT，27年间增大了641.7 nT，平均年变率为23.77 nT/a。此年变率与广州地区的21.1 nT/a的年变率基本相同，形态特征为上升变化趋势。从图1地磁场东向分量IGRF值曲线上可以看到，1985～2011年地磁场垂直强度IGRF值从46 049.0 nT上升到46 666.2 nT，27年间上升了617.2 nT，平均年变率达到22.9 nT/a。

2.2 台站年均值与IGRF模型计算值的残差分析

图2 通海地磁台七要素年均值与IGRF模型值差值曲线

地磁台站年均值主要包括主磁场和地壳磁场，IGRF 模型描述的是主磁场[7]。 IGRF是主磁场(包括长期变化)的高斯分析(球谐分析)。在确定IGRF系数时使用全球台站及其他的测量资料,这些资料包括主磁场、变化磁场和地壳磁异常。因此IGRF误差主要包括忽略外源场所引起的误差、球谐级数的截断误差、全球台站分布的不均匀所引起的误差、测量误差、忽略区域性磁异常引起的误差等[8]。图2绘出了通海台地磁七要素年均值与IGRF模型值的差值曲线。从图2可以看出，7要素观测值与IGRF模型值差值曲线的变化趋势呈现一定的规律性。 从差值曲线 △D、△H、△Z、△F的变化可看出，大致存在以 11 年为周期的变化形态。同时, 将差值曲线的这种变化规律与太阳黑子变化进行对比，发现它们之间的变化形态存在一定的相关性。差值较大的那些年份，刚好是太阳黑子数较平静或是较大的年份。由此可以认为，台站观测值与IGRF模型计算值的误差主要来自于忽略外源场所引起的误差。七要素地磁观测值与IGRF模型值的差值相差很大。D分量差值从-0.028°～0.082°,I分量差值从-0.02°～0.055°,H分量差值从-18.6～31.6 nT,X分量差值从-17.9～31.9 nT,Y分量差值从-18.8～48.2 nT,Z分量差值从-14.7～51.7 nT,F分量差值从-21.9～31.7 nT。这些差值在很大程度上也反映了台站所在区域地壳磁异常的分布情况。从图2可以看出,台站地磁强度分量(H,X,Y,Z,F)的差值除个别情况外,均在50 nT之内。D和I分量的平均偏差分别为0.6′和0.3′。由于通常认为IGRF模型误差在50～100 nT之间[8],因此认为：各地磁要素的差值均低于IGRF模型的误差水平，通海地磁台观测值与IGRF模型值的差值比较稳定,一致性较好。

3 结果与讨论

(1)通海地磁台的长期变化速率与IGRF模型的长期变化速率相近。磁倾角I的长期变化速率大于磁偏角D的长期变化速率；垂直强度Z的长期变化速率高于水平强度H、北向分量X、东向分量及总强度F的长期变化速率。(2)在台站观测值与IGRF模型值的差值曲线中,七要素都有明显的起伏,反映了地磁场长期变化的非线性，△H、△X、△F差值曲线与太阳黑子数变化有明显的相关性，存在以 11 年左右为周期的变化。(3)通海地磁台磁偏角(D)和东向分量(Y)的长期变化形态显示存在转折变化，这一变化的转换点恰好发生1988年的澜沧—耿马7.6级地震和1996年丽江7.0级地震。研究地磁场的长期变化，认识地磁背景场的规律，对判断地震前兆异常有重要作用。(4)目前研究认为地磁场的长期变化具有区域性特征，而非全球性的，因此它主要属于非偶极子磁场的变化。非偶极子磁场磁场强度时而变大，时而减小，每年变化约 10 nT。这一变化量级比通海地磁台地磁场长期变化年变率偏小，刚好反映了地磁场长期变化具有区域特征。(5)通海地磁台各地磁要素年均值与IGRF模型值的差值低于IGRF模型的误差水平,说明第11代IGRF模型与台站年均值的一致性比较好。

致谢：本文资料由通海地震台电磁观测组提供，在此表示衷心的感谢！

[1] Jerzy Jankowski,Christian Sucksdorff．地磁测量与地磁台站工作指南[M]．北京：地震出版社，1997：2-4．

[2] 孙维怀，张福，任职荣，等．通海地磁台地磁观测报告[R]．北京：地震出版社，1985-2005：1-64．

[3] 徐文耀．地磁学[M]．北京：地震出版社，2003：98-118．

[4] 熊仲华，刘运生．地磁观测技术[M]．北京：地震出版社，1997：26．

[5] 张素琴，杨冬梅，李琪，等．中国部分地磁台站年均值与IGRF模型一致性分析[J]．地震地磁观测与研究，2008，29(2)：42．

[6] 罗玉芬，黎晓之，陆镜辉，等．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)：64-67．

[7] 高国明，康国发．卫星地磁场模型和 IGRF 模型与中国地磁台观测值的比较分析[J]．云南大学学报(自然科学版)，2010，32(5)：548-550．

[8] 王亶文．国际地磁参考场在中国大陆地区的误差分析[J]．地球物理学报，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

孙维怀(1977-)，男，云南人，高级工程师，主要从事地球电磁学的观测与研究工作,E-mail:sunweihail@sina.com.cn.

P318.6

B

1001-8115(2017)01-0043-05

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.01.010