收稿日期:2010-03-15
基金项目:地震行业科研专项,地磁场动态分布计算(200708043)资助.
基金项目:地震行业科研专项,地磁场动态分布计算(200708043)资助.
中国地区地磁静日变化场Sq(H)台链分布特征*
(H)台链分布特征*] 王建军1,杨冬梅2,张素琴2,朱 荣2 (1.甘肃省地震局,兰州 730000; 2.中国地震局地球物理研究所,北京 100081)
Research on the Distribution of Geomagnetic Daily Variation along some Station Chains in China
WANG Jian-jun1,YANG Dong-mei2,ZHANG Su-qing2,ZHU Rong2
(1.Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730000,Gansu,China)(2.Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081,China)
longitudinal chain,latitudinal chain,Sq(H),Sq focus
备注
摘要
全文
图/表
参考文献
选取地磁台网数字化观测资料,分析了中国地区Sq(H)的时空分布特征,得出以下结论:(1)经度链Sq(H)在夏季和春秋季存在明显的午前午后不对称现象;(2)夏、春秋、冬3个时段Sq焦点的平均位置分别大约为27°N、29°N和35°N。这只是一个平均状态,单个静日的Sq焦点有可能出现在50°N以北,也可能出现在19°N以南;(3)两条经度链上H变幅的纬向变化趋势不一致现象、相同纬度链上Sq(H)形态反向或者H变幅自东向西递增(减)现象,均说明Sq焦点在自东向西的迁移过程中,除了经向上的迁移外,还有纬向上的迁移或者电流强度的变化。
The temporal and spatial distribution of Sq(H)in China was analyzed based on the geomagnetic digitized data from the geomagnetic observation network.It was found that:(1)there was obvious prenoon-postnoon asymmetry of Sq(H)in Summer and Equinox.(2)in Summer,Equinox and Winter,the averaged focus position of Sq were 27 ° N,29 ° N and 35 ° N respectively.But in a single quiet day,the focus of Sq might appear in the north of 50 ° N and in the south of 19 ° N.(3)there were some special behavior of the Sq(H)distributions such as the latitudinal trend inconsistencies in two longitudinal chain,the reverse of Sq(H)variations in the same latitudinal chain and the increase(decrease)of the daily ranges from east to west.All these demonstrated that there might be latitudinal migration of the Sq focus or changes in current intensity during the longitudinal migration of Sq focus from east to west.
引言
太阳静日变化是中低纬度地磁日变化中最重要的规则变化,它是电离层中持续存在的电流体系流动的结果,其焦点对于太阳有一个相对固定的位置。这种由持续存在的场源引起的地磁场的规则变化称为规则日变化SR(程安龙等,1998)。这个持续存在的电流体系包括南(北)半球中低纬区域顺(逆)时针流动的电流涡,通常称为Sq电流涡,其中心称为Sq焦点。就北半球而言,Sq焦点的变化范围为25°N～35°N,焦点地方时为10:00～12:00(徐文耀,李卫东,1994)。
在太阳同步坐标系下,静日Sq电流体系的结构可以一级近似地认为是稳定的,地面台站观测到的日变化就是在这个电流体系下地球自转的结果,时间变化反映着电流体系的经度效应(陈化然等,2009)。
如果Sq电流涡是均匀、对称的涡状结构,根据右手螺旋法则可以推断,在北半球的中低纬地区,H分量变化形态在经度链和纬度链上的空间分布应该分别具备如下特征:在地方时正午附近,相同经度链上Sq焦点南北两侧形态相反,北侧台站以向下为主,南侧台站以向上为主; 就变幅而言,南北两侧应依次向焦点方向递减,焦点附近台站变幅极小; 相同纬度链上,形态及变幅应基本一致。上述推论在本文中暂且称之为Sq电流涡理论。
中国地震局地磁台网数字化观测网络现已建设完成,其台网密度大大增强,台网布局更趋合理,从中选取若干台站分别组成经度链和纬度链,可以进一步研究地磁静日变化场的时空分布规律,对上述空间分布特征作进一步验证。
本文以SR表示单个静日的规则日变化,以Sq表示统计平均变化,文中列举的台链典型个例日期全部都是磁静日。本文所有台链的Sq或SR图形中,粗线代表变幅极大,次粗线代表变幅极小。
1 选用资料和研究方法
从中国地震局地磁台网中选取39个数据连续、可靠的台站,按近似于同一经纬度原则分别组成2条经度链和5条纬度链(图1),选用2008～2009年两个完整的自然年度观测数据,分夏季(5、6、7、8月)、春秋季(3、4、9、10月)和冬季(11、12、1、2月)3个时段进行讨论。
1.1 经度链(1)117°E:满洲里—锡林浩特—静海—泰安—蒙城—泾县—南昌—泉州。
(2)108°E:乌加河—银川—固原—乾陵—汉中—恩施—重庆—贵阳—河池—邕宁—琼中。
1.2 纬度链(1)40°N:喀什—嘉峪关—银川—乌加河—大同—静海—营口。
(2)36°N:格尔木—都兰—湟源—兰州—固原—临汾—广平—泰安—安丘。
(3)33°N:狮泉河—玉树—汉中—十堰—蒙城—海安。
(4)30°N:拉萨—重庆—恩施—九峰—泾县—杭州。
(5)25°N:通海—河池—韶关—泉州。
图1 选定地磁台链(地理座标)
Fig.1 Selected geomagnetic station chain (geographical coordinates)1.3 Sq计算方法传统的Sq计算方法是每月5天国际磁静日期间地磁日变化曲线的平均,这个计算方法所表示的是统计平均变化。本文将地磁台网分钟值预处理数据由世界时转换至地方时(精确至分钟),用FMI方法计算出单个静日的规则日变化SR,选取磁静日SR求取季均值,得到不同季节的Sq。
FMI方法由芬兰气象研究所研制,是IAGA推荐使用的K指数计算中用于提取SR变化的方法(Menvielle,Papitashvili,1995)。其计算思路是:调入当天及前后各一天共3天的地方时数据,以每小时前后(m+n)分钟的数据计算该小时平均值,用5次谐波函数拟合由此生成的每小时平均值,进而生成SR曲线。其中m与地方时有关,每3个小时取一个相同的值:白天为0分钟,凌晨3～6时和傍晚18～21时为60分钟,午夜为90分钟。另一个参数n取决于地磁活动性,定义为n=K3.3分钟,K为3小时时段中由最大值与最小值之差简单确定的K指数初始值。
1.4 磁静日筛选规则以德国亥姆霍兹波茨坦中心(GFZ)公布的每月十天国际磁静日作为选取地方静日的标准,重点考虑连续几天都是静日的情况。如果其前一天为扰日,或者该静日为非连续的孤立静日,则将该静日剔除。
2 台链分析
3 结论和讨论
本文根据中国地区地磁台链资料分析,得出如下主要结论:
(1)经度链Sq(H)在夏季和春秋季存在明显的午前午后不对称现象(在全年的单个静日SR形态中也普遍存在,包括冬季),午前谷值从北向南递减,午后峰值从北向南递增。
(2)夏、春秋、冬3季Sq焦点的平均位置大约分别是:27°N、29°N和35°N,基本与徐文耀和李卫东(1994)的结论(电流涡焦点的变化范围在25°N～35°N之间)一致。但这个变化范围只是一个平均状态,并不能代表每天的Sq焦点都严格稳定在这个范围内。经度链H变幅的自南向北递
图9 纬度链SR(H)典型图例(2009-09-25)(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.9 Typical example of SR(H)in latitudinal chain(Sep.25,2009)(a)Daily variation of SR;(b)Daily range of SR减、自中高纬分别向南北两侧递减的现象表明:单个静日的Sq焦点有可能出现在50°N以北(冬季可能性较大),也可能出现在19°N以南。
(3)两条经度链上H变幅的纬向变化趋势不一致现象,相同纬度链上Sq(H)形态反向、变幅自东向西递增(减)现象,均说明Sq焦点在自东向西的迁移过程中,除了经向上的迁移外,还可能有纬向上的迁移,或者电流强度发生变化。
关于经度链Sq(H)的午前午后不对称现象,赵旭东等(2008)给出的解释是:引起这种变化的原因可能是低纬电流系和高纬电流系共同作用造成。如果没有这两个电流系的影响,中低纬地区的Sq等效电流在南北半球呈均匀对称分布的涡状结构。而低纬电流系和高纬电流系的共同作用使得Sq电流涡出现变形。
两条经度链H变幅的纬向变化趋势不一致现象,说明了Sq电流体系随时间变化的复杂性。笔者近年来在对地面观测资料进行Sq电流体系的瞬时反演研究中,发现Sq焦点在中国境内的空间运行轨迹并非总是自东向西的直线,而是经常呈斜线或弧线(王建军,杨冬梅,2009),此结论与上述结论(3)基本一致。Yumoto和the MAGDAS Group(2009)设想在假定某一天的Sq电流体系不发生显著变化的基础上,利用某一经度链上的时间变化数据来描绘Sq电流体系的空间分布。从结论(3)可以看出,虽然大多数情况下这一假设可以成立,但是也有一些时段中这一假设是不成立的。利用经纬度链同时描绘Sq电流体系将是一个更完善的方案。我国地处中低纬地区,又建设了相对密集的网络化数字地磁观测台网,为深入开展Sq电流体系研究提供了不可多得的优越条件。
Chapman和Bartels(1940)的研究表明,Sq外源场与内源场之比约为2:1,相位差约为1小时。根据徐文耀和李卫东(1994)的研究成果,静日变化场Sq除地方时效应外,还有世界时、地方时+世界时两部分的影响。本文中的Sq由FMI方法提取,没有进行内外源分离,只去除了地方时效应,没有考虑世界时、地方时+世界时两部分的影响,这是下一步需要继续改进和深入研究的地方。
高玉芬、李琪对本文提出了许多宝贵意见,在此表示衷心感谢!
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- 程安龙,周锦屏,黄蔚北,等.1998.中国地磁台网K指数测量结果分析[J].地震地磁观测与研究,19(2):48-55.
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- 王建军,杨冬梅.2009.中国地区地磁静日变化场Sq(H)时空分布特征[J].地震地磁观测与研究,30(1):44-50.
- 徐文耀,李卫东.1994.Sq外源和内源电流体系的经度效应和UT变化[J].地球物理学报,37(4):440-447.
- 张建国,刘晓灿,唐庭梅,等.2009.汶川地震前后中国大陆地磁场动态演化特征初步研究[J].地震研究.32(3):231-234.
- 赵旭东,杜爱民,徐文耀.2008.Sq电流系午前午后不对称性现象的来源[J].地球物理学报,51(3):643-649.
- Chapman S,Bartels J.1940.Geomagnetism[M].London:Oxford University Press.
- K Yumoto,the MAGDAS Group.2009.MAGDAS project and its application for space weather[J].AIP Conference Proceedings,1144(1):173-178.
- M Menvielle,N Papitashvili.1995.Computer production of K indexes:Review and comparison of methods[J].Geophysical Journal International,123(3):866-886.
2.1 经度链由Sq电流涡理论可知,在地方时—纬度坐标系中,相同经度链上Sq(H)南北两侧形态相反,变幅也应该分别由南北两侧向焦点方向递减; 在纬度—变幅坐标系中,两条经度链H变幅的纬向变化趋势应该基本一致,尤其是变幅极值所处纬度应大体相当(图2)。
图2 正常的经度链SR(H)空间分布形态(2008-11-04)
(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.2 Normal spatial distribution of SR(H) in longitudinal chain(Nov.4,2008) (a)Daily variation of SR,(b)Daily range of SR2.1.1 季均值Sq的时空分布从Sq(H)季均值图形(图3a、b、c)来看,夏季和春秋季存在明显的午前午后不对称现象(在全年的单个静日SR形态中也普遍存在,包括冬季),午前谷值从北向南递减,午后峰值从北向南递增。该现象使最北端台站的单谷状,到最南端时演化为单峰状,同时也导致南北反向没有冬季明显。
图3 经度链Sq(H)季均值
(a)夏季Sq;(b)春秋季Sq;(c)冬季Sq;(d)夏季Sq日变幅;(e)春秋季Sq日变幅;(f)冬季Sq日变幅
Fig.3 Seasonal Average of Sq(H)in longitudinal chain(a)Sq in Summer;(b)Sq in Equinox;(c)Sq in Winter;(d)Daily range of Sq in Summer(e)Daily range of Sq in Equinox;(f)Daily range of Sq in winter在纬度—日变幅坐标系中(图3d、e、f),夏、春秋、冬3时段均表现出由南北两侧向中间递减,变幅极小的位置所处纬度大致应是Sq焦点经过之处。由图中大致可以估算出:夏、春秋、冬3个时段Sq焦点的平均位置大约分别是:27°N、29°N和35°N。
2.1.2 经度链SR(H)典型个例(1)经度链H变幅自南向北递减
经度链H变幅自南向北递减的出现日期分别为:2008年1月4日、2月25日、12月20日、2009年1月25日(图4)、2月7日、2月8日,这些时间全部在冬季。图4b中,两条经度链全部呈自南向北递减形态。根据Sq电流涡理论,大致可以推测出这一天的Sq焦点出现在满州里(49.57°N)以北。
(2)经度链H变幅自中高纬分别向南北两侧递减
图4 经度链SR(H)典型图例(2009-01-25)
(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.4 Typical example of SR(H)in longitudinal chain(Jan.25,2009)(a)Daily variation of SR;(b)Daily range of SR经度链H变幅自中高纬分别向南北两侧递减的出现日期分别为:2008年9月11日、9月12日(图5)、9月13日、2009年7月18日、9月23日、9月25日、12月8日、12月9日、12月29日,这些日期分布于全年各季节。
图5b中,两条经度链全部呈自中高纬分别向南北两侧递减形态。根据Sq电流涡理论,可以推测出这一天分别在南北两侧各出现一个电流涡(逆时针),高纬地区的递减形态应该是极区电流影响所致。因此,这一天的Sq焦点应该出现在琼中(19°N)以南。
(3)两条经度链H变幅的纬向变化趋势不一致
图5 经度链SR(H)典型图例(2008-09-12)(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.5 Typical example of SR(H)in longitudinal chain(Sep.12,2008) (a)Daily variation of SR;(b)Daily range of SR两条经度链H变幅的纬向变化趋势不一致的出现日期分别为:2008年7月8日、11月19日(图6)、12月1日、2009年6月1日、6月12日、7月16日、10月18日、12月1日,这些日期分布于全年各季节。正常情况下,两条经度链H变幅的纬向变化趋势应基本一致(图2b,图3d、e、f,图4b,图5b),但实际资料中两者不一致的现象却经常出现。因经度链纬向布局密度不均,两链变幅极小所在的纬度相差在5°以内暂视之为正常。这些日期反映了纬向变化趋势相差较大的情况。
图6b中,108°E链变幅自南向北递减,而117°E链却分别由南、北两侧向南昌台(29°N)递减,两者变幅极小所在的纬度差达10°以上。这说明Sq电流涡在由117°E迁移至108°E的大约半个小时中发生变形,从而导致了Sq焦点在纬向上的快速迁移。此现象再次验证了Sq电流涡随时间变化的复杂性。
2.2 纬度链根据Sq电流涡理论,相同纬度链上Sq(H)的形态及变幅大小应基本一致,但在具体分析中,发现如下三种典型个例:
2.2.1 纬度链H反向纬度链H反向的个例出现日期分别为:2008年1月1日、11月18日、2009年11月5日、11月6日、12月1日(图7),全部处于冬季。
图6 经度链SR(H)典型图例(2008-11-19)(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.6 Typical example of SR(H)in longitudinal chain(Nov.19,2008)(a)Daily variation of SR;(b)Daily range of SR图7a中,33°N链中的狮泉河、40°N链中的喀什均表现出反向。图7b中,40°N链在经度—变幅座标系中也明显呈自东西两侧向中间递减。造成此现象的原因应该是Sq焦点在自东向西的迁移过程中,还有一个从南向北的迁移所致。
图7 纬度链SR(H)典型图例(2009-12-01)(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.7 Typical example of SR(H)in latitudinal chain(Dec.1,2009)(a)Quiet daily variation of SR;(b)Daily range of SR冬季的磁场强度较小,地磁日变形态更容易受到高纬电流体系的影响,纬度链反向现象全部处于冬季,再次验证了冬季磁场变化的复杂性。
2.
2.2 纬度链H变幅自东向西递增纬度链H变幅自东向西递增的典型个例出现日期的分别为:2008年3月4日(图8)、7月9日、8月28日、11月22日,这些日期分布于全年各季节。实际资料中经常是5条纬度链中有1～3条出现明显递增,这里只是列举了4条以上明显递增的日期的纬度链。
图8b中,5条链大致全部呈自东向西递增形态。该现象说明:对于同一纬度链,东部地区的台站距离Sq焦点近,西部地区台站距离Sq焦点远,由此大致可以推测这一天Sq焦点在自东向西的迁移过程中,除了经向上的迁移外,还可能有纬向上的迁移,或者电流强度在逐渐增强。
图8 纬度链SR(H)典型图例(2008-03-04)(a)静日变化SR;(b)SR日变幅
Fig.8 Typical example of SR(H)in latitudinal chain(Mar.4,2008)(a)Daily variation of SR;(b)Daily range of SR2.2.3 纬度链H变幅自东向西递减纬度链H变幅自东向西递减的个例的出现日期分别为:2008年9月23日、12月30日、2009月1月12日、3月2日、5月12日、8月24日、8月25日、9月9日、9月24日、9月25日(图9)、12月4日,这些日期分布于全年各季节。这种现象较为普遍,经常是5条纬度链中有1～3条出现递减,这里只是列举了4条以上明显递减的日期的纬度链。
图9b中,除25°N链外,其它四链的H变幅全部呈自东向西递减形态。该现象说明:对于同一纬度链,东部地区的台站距离Sq焦点远,西部地区台站距离Sq焦点近。由此大致可以推测这一天Sq焦点在自东向西的迁移过程中,除了经向上的迁移外,还可能有纬向上的迁移,或者电流强度在逐渐减弱。
