国家级地磁台站配备两套绝对观测系统的必要性分析

古云飞，李西京，黄 好

（陕西省地震局，陕西 西安710000）

0 引言

《地震及前兆数字观测技术规范（试行）》规定：“国家级台站（包括国家基准台和国家基本台）的标准配置中要有D、I、F 组合观测仪两套［1］”。目前很多国家级台站没有达到该配置要求，即使有两套绝对观测仪，也存在着至少一套仪器由于各种原因不能产出准确可靠数据的现状。绝对观测的准确和可靠程度，决定了地磁台站最终观测数据的准确和可靠程度，是地磁观测系统中至关重要的环节，对地磁台站最终的观测数据质量起着决定性的作用［2］。影响地磁观测质量的原因很多，国内外不少学者从人为干扰、仪器干扰、观测技术、背景噪声、环境干扰、数据处理等方面进行了探究［3-10］，在制度上，邓娜等［11］提出了建立绝对观测个人负责制。本文将从规范出发，通过科学的分析研究，论证两套观测水平都优良的绝对观测系统并行运行的必要性，同时明确出目前存在的“新老搭配”尤其是仪器“带病运行”，以及“单独运行”现象的弊端及造成的影响。

1 技术方案

主要技术方案是选取以下三种国家级台站的绝对观测数据以及基线值：（1）有两套观测质量较好，结果相近的绝对观测系统的台站；（2）有两套绝对观测系统，但是至少有一套观测质量不好的台站；（3）只有一套绝对观测系统的台站。首先将第一类台站产出的两套数据互相对比，查找不同点，分析原因，预期不同点较少，数据之间互相参考、校验的可行性强。用同样方法将第二类台站产出的两套数据对比，预期数据不同点较多，数据之间互相参考、校验的可行性弱，而第三类台站只有一套数据产出，预期将难以确定数据可靠与否。

2 有两套绝对观测系统台站的数据分析

乾陵台、兰州台、乌鲁木齐台、满洲里台各自都有两套绝对观测系统，对各自两套绝对资料进行选取，相对仪器固定为质量较好的一套，资料日期为2016年2月至2017年1月。

2.1 基线值与绝对值

乾陵、兰州、乌鲁木齐台基线全年基本重合，而满洲里台基线只在4 个月基本重合，其它8个月差异很大，在绝对值上也有明显体现。

结合图1与图2 看出，乾陵、兰州、乌鲁木齐台ΔD 值较满洲里台相对小且稳定，>0.2′的天数分别为0、3、34，而满洲里台>0.2′的天数为237天，最大达到0.48′，且变化幅度也明显增大，最大也达到0.48′。说明至少有一套绝对观测系统长期存在问题。

2.2 数据质量的监控效果

（1）乾陵台

由图1看出，在2016年3月和2016年12月D分量两套基线值出现较大不重合，同时也反映在绝对值上，差值变幅接近0.2′，说明至少有一套DI仪的观测出现问题，根据地磁场时空变化规律一致性与相关性的特点，若选取一个相对稳定的台站作为参考台站进行差值分析，通过对比差值变化情况可以判断台站仪器的观测数据是否可靠［12］，将这两段时间的两套数据与邻近天水台进行绝对值比对。

图2 各台不同DI 仪测得偏角之差ΔD与倾角之差ΔIFig.2 Differencebetween declination（ΔD）anddifferencebetweeninclination（ΔI）measured bydifferent DI magnetometers in eachobservatory

在2016年3月，天水与乾陵Mingeo 曲线变化基本一致，差值ΔD线性较好，但乾陵Mag-01H与原状态相比发生较大偏离，差值ΔD的线性趋势也发生突变（图3第一排），因此可断定这段时间是乾陵台Mag-01H的观测出现了问题。注意，还有一种可能，即天水台的仪器在这段时间也出现了问题，但由于时间段较短（约10天），所以两个台同时出现仪器问题的概率很低，即便发生这种情况，还可以与另外的台再做比较，因此下文不再讨论该情况。

在2016年12 月，天水和乾陵Mag-01H曲线变化基本一致，差值ΔD 保持水平，但乾陵Mingeo与原状态相比发生较大偏离，差值ΔD明显转折（图3第二排），可以断定是乾陵Mingeo的观测出现了问题。

图3 乾陵台与天水台偏角绝对值与差值Fig.3Absolutevalues of declination and their differencesof Qianling and Tianshuiobservatory

通过这种方法，及时发现了问题，从而数据质量得到了监控，两套绝对观测系统的优势得以体现。

（2）兰州台

由图1看出，在2016年10 月和12月前后，D 分量两套基线值出现较大差异，同时也反映在绝对值上，差值最大变幅超过0.2′，说明一定至少有一套DI仪的观测出现问题，将这两段时间的两套数据与邻近天水台进行绝对值比对：

图4 兰州台与天水台偏角绝对值与差值Fig.4 Absolutevaluesof declination and their differences of LanzhouandTianshuiobservatory

用同样的方法对比可以确定，10 月是兰州Mingeo的数据出现了问题（图4 第一排），12月仍是兰州Mingeo出现了问题（图4 第二排）。

（3）乌鲁木齐台

由图1看出，在2017年1月， D分量两套基线值出现较大差异，同时也反映在绝对值上，差值变幅超过0.1′，说明一定至少有一套DI仪的观测出现问题，将这段时间的两套数据与邻近且末台进行绝对值比对。

图5 乌鲁木齐台与且末台偏角绝对值与差值Fig.5Absolutevalues of declination andtheir differences of UrumchiandQiemoobservatory

通过对比可以确定，乌鲁木齐Mag-01H的观测出现了问题。

（4）满洲里台

表1 各台两套绝对值差值均方差与变幅对比

从概率密度函数图像看（图6）， ΔD 的概率密度较广泛的分布在0′～0.5′的范围内，直观体现出两套绝对值差值偏大且不稳定， ΔI 的分布范围也相对较广，且分布中心与其它台不同，虽然只有不到0.003′，但已体现出两套绝对仪器也存在着固定差。

图6 各台两套绝对值差值概率密度Fig.6 Probability density of ΔD and ΔI in eachobservatory

因此对于满洲里台，无论哪一台DI仪，即使状况良好，根据经验，在8个多月的时间中出现观测问题的情况是必然的，但若像其它三个台那样，与另一套数据进行对比而发现问题，却会有诸多困难，因为两套数据本身就长期处于不一致的差错状态，导致其它信息被覆盖，数据质量的监控效果降低。

事实上，满洲里台CTM与Mingeo非同墩观测，相距约60 m，观测场地北面300～500 m范围内，有大型机械设备租赁场且Mingeo所在观测室比CTM更接近租赁场约30m，另外，在寒冷季节观测时，两个观测室的加温温度也有差别，由于仪器温度特性不同，所以测量结果还会有不同，而且在换季时节如3、4月份及10 月份，两套观测数据由温度导致的差别也很明显，这些都会导致上述问题产生。但无论是Mingeo或者CTM的仪器故障、受不同环境的影响或者其它原因，只要是结果造成了数据长期较大不一致，都说明至少有一种仪器处于非正常状态，属于“带病观测”，所以这段时间内，Mingeo与CTM已经失去了互相参考校正的意义，相当于只有单套观测系统进行观测。

图7 崇明台、佘山台各项数据对比Fig.7Comparison data of Chongming and Sheshanobservatory

3 有一套绝对观测系统台站的数据分析

崇明台属国家基本台，但由于崇明台只有一套绝对观测仪Mingeo，没有达到规范要求，无法通过相互参考校正的方法来监控数据质量，所以在此用距离最近的佘山台的数据进行类似比较分析。

崇明台与佘山台观测值在部分时间段有很大差别，例如3—5月，11—12月，由概率密度分布宽度可以看出两台数据存在点位差，且一致性非常不好（图7）。由ΔD、 ΔI 的均方差与变幅也明显高于前面的四个台（表2），虽然是不同台的数据，这种比较并不严格，但由于地理位置十分接近，两台差异不该出现如此大的差异，所以，这种比较结果加大了至少有一个台的数据不准确的可能性，也就加大了崇明台数据不准确的可能性。

表2 崇明台、佘山台绝对值差值均方差与变幅对比

4 结论

基于以上分析，对于国家级地磁台站得出以下结论：

（1）具备两套绝对观测仪器且观测质量都优良的台站，产出的绝对值数据可以相互参考，能及时发现问题并进行更正，所以最终的数据可靠。

（2）具备两套绝对观测仪器，但是至少有一套的观测质量不好的台站，产出的绝对值数据相互参考性较弱，一些问题不能发现及更正，所以最终的数据会有部分不可靠，为数据分析预报工作埋下隐患。

（3）仅有一套绝对观测仪器的台站，无法对产出的数据进行质量监控，即使与其它台对比，由于地理位置及环境的不同，难以达到预期效果，所以其产出的数据可靠性极低，在某些方面已经不可用于分析预报。

对此提出三点建议：

（1）对于仅有一套绝对观测仪器的台站，按规范要求增加一套。

（2）对于具备两套绝对观测仪器台站，严密关注仪器状态，规范观测方法和流程，每次比测合格后要与另一台仪器再进行比对，确定仪器差，对于问题仪器进行维修或更换。

（3）对于所有台站观测人员，日常工作要严格遵照相关要求和流程。