地磁台站连续观测分钟值连接阈值选择

刘德强 王朝景 李 博 张海洋 毛丰龙

（中国保定071000 河北省地震局流动测量队）

0 引言

基于地震监测预报工作需要，目前中国流动地磁监测范围已接近覆盖全国，数据处理工作量也随之增大。研究发现，地震的发生会引起震磁异常现象（倪喆等，2014a；赵育飞等，2017；冯丽丽，2019；宋成科等，2020），多数异常幅度并不高（陈斌，2011；赵育飞等，2017；宋成科等，2020），加之岩石圈磁场短期变化量不大，若要准确提取其中蕴含的震磁异常信息，使其不被掩盖，需要在野外观测、数据处理等阶段尽可能降低数据误差（苏树朋，2010；陈斌，2011）。在对观测数据进行日变通化时需借助测点周边地磁台站较长时段的相对记录数据（陈斌等，2017；冯丽丽，2019），由于午夜时段地磁场变化稳定，一般不会出现数值突跳现象，而受诸多不明因素影响，台站实际观测数据存在非正常的邻日数据台阶差值，为保证日变通化结果的准确性，有必要对台阶合理性进行判断，以避免产生过多或过少的改正量（张正霞等，2009）。其有效途径是，确定日变通化所需地磁台站H、D和Z三分量邻日数据连接阈值，若台阶值小于此阈值，则各天数据直接顺序连接，若台阶值大于此阈值，则进行消除平滑连接。针对此项研究的文献目前较少，文中选用全国8个地磁台站2020 年5 月的连续分钟值相对记录数据进行处理，首选较小值进行连接尝试，筛选得到更多台阶值，并分析其在相邻两台站的同步性，统计台阶出现前后连续分钟值正常波动幅度，以讨论台阶的合理性，进而调整得到合理阈值。此项工作对提高数据产品的准确性具有实际意义，并可为地磁台站其他类似数据处理提供参考。

1 台站数据选取

地磁场变化差异受空间影响显著，为较充分地讨论阈值的合理性，所选多个地磁台站地理位置应分散分布。受仪器故障、外界环境干扰等因素影响，地磁台站会缺失某时间段数据，数据选取时应避免此类时段。经对多个地磁台站数据进行质量对比，选用满洲里（台站代码MZL）台、德都（台站代码DED）台、蒙城（台站代码MCH）台、泰安（台站代码TAA）台、静海（台站代码JIH）台、隆尧（台站代码LYH）台、锡林浩特（台站代码XLH）台和长春（台站代码CNH）台（下文各台站以台站代码指代）2020 年5 月相对记录预处理分数据，各台站观测仪器型号分别为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 个地磁台站分布见图1。

图1 8 个地磁台站分布Fig.1 Distribution of 8 geomagnetic stations

参 考MZL 台、DED 台、MCH 台、TAA 台记录的H、D和Z三分量连续分钟值正常变化幅度，初选较小的阈值对长时段数据进行连接，筛选出多个台阶值，分析其在相邻两台站的同步性，并统计台阶前后15 min 连续观测值正常波动幅度，讨论台阶的合理性，进而对阈值大小进行调整，并将得到的阈值应用于JIH、LYH、XLH 和CNH 台同时段数据进行连接验证。

2 各分量连接阈值选择

综合各地磁台站实际观测数据，地磁场D分量连续分钟值波动幅度明显较小，H和Z分量相当，参考3 个分量正常变化幅度，首选较小阈值进行连接尝试，H、D、Z三分量初选阈值分别为0.3 nT、0.2 nT、0.3 nT。

2.1 H 分量

（1）MZL 和DED 台数值变化。统计MZL 和DED 台2020 年5 月H分量累计连接值，即台阶累加值，结果见图2(a)。由图可见：①MZL 台：在5 月23 日和25 日分别出现-0.5 nT 和-0.6 nT 的台阶值；②DED 台：23 日未同步出现台阶变化，25 日同步出现台阶，31 日出现台阶变化。

初步判断，MZL 台23 日和DED 台31 日的数值变化为非正常台阶，而两台站实际记录数据连续性较好，台阶无需消除处理；25 日两台同步出现的台阶值属正常波动。

（2）MCH 和TAA 台数值变化。统计MCH 和TAA 两台2020 年5 月H分量累计连接值，结果见图2(b)。由图可见：①MCH 台：5 月8 日、25 日分别出现-0.8 nT、-0.6 nT 的台阶值；②TAA 台：5 月12 日、14 日、28 日、30 日台阶值分别为0.5 nT、0.4 nT、0.4 nT、0.3 nT。

图2 2020 年5 月H 分量累计连接值Fig.2 The connection value of component H in May,2020

两台台阶值未同步出现，而数值变化前后所记录数据连续性较好，故台阶均无需消除处理。

（3）阈值大小修正。台阶出现可能是由于H分量连续观测值正常变化幅度较大，超出所选阈值，应适当提升阈值大小，参考两台站出现的台阶值大小，将阈值初步修正至0.8 nT。

取MZL 台5 月23 日、25 日和MCH 台5 月8 日、25 日台阶前后各15 min 连续观测值进行统计，确定相邻分钟值正常变化幅度，结果见表1，可见差值在0.5—0.9 nT，结合阈值初判结果，将阈值从0.8 nT 提升至1.0 nT。

表1 H 分量相关台阶前后连续分钟值变化幅度Table 1 The continuous observation range before and after correlation step value of component H

2.2 D 分量

（1）MZL 和DED 台数值变化。统计MZL 和DED 台2020 年5 月D分量累计连接值，结果见图3(a)，可见：两台在5 月8 日同步出现台阶值，属正常波动，其中前者数值变化为-0.32 nT，后者为-0.24 nT；MZL台在5月28日出现0.39 nT的台阶值，与邻台变化不同步，相对D分量连续分钟值正常变化幅度，数值较大，需进行消除处理。

（2）MCH 和TAA 台数值变化。统计MCH 和TAA 台2020 年5 月D分量累计连接值，结果见图3(b)，可见仅TAA 台在5 月20 日出现-0.38 nT 的台阶值，相对D分量连续分钟值正常变化幅度较大，且邻台未同步出现，应消除处理。

图3 2020 年5 月D 分量累计连接值Fig.3 The connection value of component D in May,2020

（3）阈值大小修正。对MZL、MCH、TAA 台出现的4 个台阶前后各15 min 连续观测值进行统计，确定D分量相邻分钟值正常变化幅度，结果见表2，可见4 组数据的相邻分钟值最大差值与4 个台阶值相对应，而D分量数据波动幅度本身较小，因此-0.24 nT、-0.32 nT 大小的台阶值无需消除，-0.38 nT、-0.39 nT 大小的台阶值应予以消除，连接阈值取0.35 nT 可行。

表2 D 分量相关台阶前后连续分钟值变化幅度Table 2 The continuous observation range before and after correlation step value of component D

2.3 Z 分量

（1）MZL 和DED 台数值变化。统计MZL 和DED 台2020 年5 月Z分量累计连接值，发现两台整月邻日数据衔接平滑连续，未出现大于0.3 nT 的台阶差值，结果见图4(a)。

图4 2020 年5 月Z 分量累计连接值Fig.4 The connection value of component Z in May,2020

（2）MCH 和TAA 台数值变化。统计MCH 和TAA 台2020 年5 月Z分量累计连接值，结果见图4(b)，可见前者仅5 月16 日出现-0.6 nT 的台阶值，后者则于5 月3 日、4 日、8 日、12 日、18 日、19 日、20 日、28 日、29 日和31 日分别出现-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 的台阶值。其中-0.3 nT和0.3 nT 的台阶值接近Z分量连续分钟值正常变化幅度，无需消除处理，可将阈值提升至0.4 nT。

（3）阈值大小修正。统计MZL 台5 月16 日和TAA 台5 月4 日、8 日、19 日、20 日、28 日较大的台阶值前后各15 min 连续观测值（表3），确定Z分量连续分钟值正常变化幅度。6 组数据相邻分钟值最大差值分别对应以上6 个台阶值，说明MCH 和TAA 台Z分量连续分钟值变化幅度相对不大，连接阈值取0.4 nT 可行。

表3 Z 分量相关台阶前后连续分钟值变化幅度Table 3 The continuous observation range before and after correlation step value of component Z

2.4 适用性验证

依据初选阈值（H、D、Z三分量分别为0.3 nT、0.2 nT 和0.3 nT）和修正阈值（H、D、Z三分量分别为1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT），对JIH、LYH、XLH 和CNH 台2020 年5 月相对记录数据分别进行数据连接验证，同时对各台站累计连接值进行统计，结果见表4、表5。

表4 JIH 和LYH 台2020 年5 月各分量累计连接值（单位：nT）Table 4 Cumulative connection values of every component at JIH and LYH stations in May,2020

表5 XLH 和CNH 台2020 年5 月各分量累计连接值（单位：nT）Table 5 Cumulative connection values of every component at XLH and CNH stations in May,2020

（1）JIH 台三分量阈值适用性。统计JIH 台累计连接值，若H分量阈值取0.3 nT，在5 月20 日出现-0.6 nT 的台阶值，台站实际记录数据在台阶前后波动幅度较大，但较为连续，则台阶值无需消除处理，对比可知阈值取1.0 nT 更加适用。

若Z分量阈值为0.3 nT 和0.4 nT，则存在不少台阶值，均在台站实际记录数据正常波动范围内，无需消除处理。这些台阶值可能与台站数据质量有关，数据波动性强，同时Z分量正常波动幅度本身较大，需适当提高阈值，以保证数据正常连接。Z分量最大台阶值为5 月31 日0.6 nT，鉴于H分量阈值选取1.0 nT，Z分量正常波动幅度与其相当，因此将阈值提升至1.0 nT 可行。

（2）LYH 台三分量阈值适用性。统计LYH 台累计连接值，当H分量阈值为0.3 nT 时，5 月25 日存在-0.5 nT 的台阶值，在连续分钟值正常波动范围内无需消除处理，因此阈值取1.0 nT 适宜，其他2 个分量累计连接值均为0，说明数据变化平稳，观测质量较好。

（3）XLH 台三分量阈值适用性。统计XLH 台累计连接值，若以初选阈值进行连接，H分量在5 月25 日存在-0.4 nT 的台阶值，D分量在5 月8 日存在-0.2 nT 的台阶值，Z分量在5 月29 日存在-0.3 nT 的台阶值，台站实际记录数据连续性较好，台阶均在连续分钟值正常波动范围内，因此无需消除处理；以修正阈值进行连接，3 个分量累计连接值均为0，因此H、D、Z三分量阈值分别取1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT 可行。

（4）CNH 台三分量阈值适用性。统计CNH 台累计连接值，仅当H分量阈值为0.3 nT时，5 月25 日存在-0.8 nT 的台阶值，台站实际记录数据连续性同样较好，台阶在连续分钟值正常波动范围内，无需消除处理，因此阈值取1.0 nT 可行。

总体来说，JIH 台H、D、Z三分量连接阈值选择1.0 nT、0.35 nT 和1.0 nT 更适用，LYH、XLH 和CNH 台各分量仍选取1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT 即可。因此，H和D分量阈值取1.0 nT 和0.35 nT 适用性较好；Z分量阈值可视台站具体数据特征而定，当台站数据质量较好，连续分钟值正常波动较小时，选取0.4 nT 更为精确，数值波动较大时取1.0 nT是可行的。

3 特殊情况下阈值的调整

本研究采用的数据量不大，在实际应用中可能出现以下阈值不适用现象，需视相应情况做阈值调整：①若台站某时段数据波动较剧烈，可能筛选所得台阶值过多，在数据连接时无需消除，适当提高阈值，正常顺序连接即可；②若某台站实际记录数据质量受周边环境等影响波动幅度较大，适当提高阈值即可；③H和Z分量正常波动幅度明显比D分量大，若台站数据选取时段较长，数据处理工作量较大时，可将阈值进一步提高，然而，当台站数据质量较好时，Z分量阈值取0.4 nT 更为精确。

4 结论

通过首选较小阈值对MZL、DED、MCH 和TAA 台2020 年5 月地磁预处理分数据进行连接，根据筛选的台阶值是否在相邻台站同步出现以及统计台阶值前后短时段内相邻分钟值变化幅度，得到H、D、Z分量连接阈值分别为1.0 nT、0.35 nT 和0.4 nT。以此阈值对JIH、LYH、XLH 和CNH 台同时段数据进行连接，得到H和D分量阈值取1.0 nT 和0.35 nT 适用性较好，Z分量阈值可视台站具体数据特征而定，当台站数据质量较好，连续分钟值正常波动较小时，取0.4 nT 更为精确，波动较大时取1.0 nT 是可行的。若磁扰时段台站数据波动剧烈或台站数据质量有限，需适当提升阈值大小。

地磁台站连续观测分钟值邻日数据连接存在不合理台阶现象较为常见，多次累加后量级不小，因此有必要确定合理的连接阈值，对于提高流动地磁监测数据产品的准确性具有实际意义，也可为其他地磁台站类似数据处理工作提供参考。本研究数据量小，所得结果可能不精确，今后需积累大量数据完善处理工作。