王 晶 程永宏 師立勤

（中國(guó)北京100190中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）

廊坊、富克地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

王 晶 程永宏 師立勤

（中國(guó)北京100190中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心）

通過(guò)將廊坊、富克地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)與國(guó)內(nèi)地磁臺(tái)站十三陵、三亞臺(tái)以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)地磁臺(tái)站MMB臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)各地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)變化幅度相近、相關(guān)性高，對(duì)地磁暴有明顯響應(yīng)，且磁暴期間各時(shí)段擾動(dòng)幅度相近。同時(shí)，以高質(zhì)量地磁數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用快速傅里葉變換，對(duì)廊坊與富克地磁臺(tái)站的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展地磁脈動(dòng)提取，研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)臺(tái)站在地磁暴期間均能觀測(cè)到明顯的Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動(dòng)，且Pc5的持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度、變化幅度和Pi1的持續(xù)時(shí)間、變化幅度及Pi2的變化幅度均有明顯增加，為今后開(kāi)展地磁脈動(dòng)與高能電子增強(qiáng)事件相關(guān)性研究奠定了基礎(chǔ)。

地磁數(shù)據(jù)；地磁脈動(dòng)；地磁暴；傅里葉變換

0 引言

為了實(shí)時(shí)獲取地磁擾動(dòng)狀態(tài)，構(gòu)建自主地磁擾動(dòng)指數(shù)，中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心建設(shè)廊坊地磁臺(tái)與富克地磁臺(tái)，分別于2011年11月與2012年2月選址勘探，并于2013年7月正式運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地磁場(chǎng)變化。

廊坊地磁臺(tái)與富克地磁臺(tái)選取合理背景噪聲、24小時(shí)無(wú)噪聲干擾源、背景磁場(chǎng)梯度小于1 nT/m的場(chǎng)地進(jìn)行建設(shè)。建設(shè)過(guò)程中嚴(yán)格遵守《地磁臺(tái)站建設(shè)規(guī)范》，材料選用無(wú)磁材料，全程進(jìn)行材料磁性監(jiān)測(cè)。兩個(gè)臺(tái)站均建有絕對(duì)觀測(cè)亭、相對(duì)記錄室、方位標(biāo)、電器室，并配備國(guó)產(chǎn)GM4磁通門(mén)磁力儀、烏克蘭LEMI25磁通門(mén)磁力儀、Overhauser磁力儀、核旋儀與磁通門(mén)經(jīng)緯儀。為實(shí)現(xiàn)地磁監(jiān)測(cè)臺(tái)站數(shù)據(jù)管理的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，臺(tái)站配置3個(gè)軟件：①運(yùn)行監(jiān)控軟件，主要實(shí)現(xiàn)儀器管理、實(shí)時(shí)曲線展示、用戶(hù)管理功能；②數(shù)據(jù)采集軟件，主要實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)預(yù)處理功能；③數(shù)據(jù)傳輸軟件，實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)等功能。

本文主要分析兩個(gè)地磁臺(tái)站的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，并與國(guó)內(nèi)、國(guó)際臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比分析，為空間環(huán)境預(yù)報(bào)提供高質(zhì)量地磁數(shù)據(jù)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行磁暴前后地磁脈動(dòng)特性分析，為研究地磁脈動(dòng)與高能電子暴關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

1 地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響數(shù)據(jù)應(yīng)用，在此對(duì)廊坊、富克地磁臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。

1.1 相關(guān)性對(duì)比分析

廊坊與富克地磁臺(tái)主要提供地磁H、D、Z三分量與地磁總場(chǎng)F的秒數(shù)據(jù)。目前2個(gè)臺(tái)站均能提供2013年7月至今的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)。為了綜合分析數(shù)據(jù)在地磁平靜期的變化與地磁暴期間的響應(yīng)，選取發(fā)生過(guò)2次磁暴事件的2013年10月地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)作為分析樣本。廊坊與富克地磁臺(tái)的原始數(shù)據(jù)為秒數(shù)據(jù)，處理為分鐘值數(shù)據(jù)后，分別與緯度相近的十三陵、三亞地磁臺(tái)分鐘值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 2013年10月4個(gè)臺(tái)站地磁數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 The comparison of four stations’ geomagnetic data in Oct., 2013

從圖1可以看出，廊坊與十三陵地磁臺(tái)、富克與三亞地磁臺(tái)的H、D、Z、F在地磁平靜期間變化幅度相近，且H分量對(duì)磁暴有明顯響應(yīng)，下降幅度相近。為了進(jìn)一步分析觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)廊坊與十三陵地磁臺(tái)的H、D、Z、F相關(guān)系數(shù)達(dá)0.9以上，富克與三亞地磁臺(tái)的H、D、F相關(guān)系數(shù)也達(dá)0.9以上，Z分量相關(guān)系數(shù)約0.8。

為了細(xì)化分析地磁臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，將廊坊、富克臺(tái)秒數(shù)據(jù)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)地磁臺(tái)站——日本的Memambetsu臺(tái)秒數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于秒數(shù)據(jù)量比較大，為了能細(xì)致對(duì)比數(shù)據(jù)變化幅度，只選擇2013年8月15日—17日數(shù)據(jù)作為分析樣本，對(duì)比曲線見(jiàn)圖2。

圖2 2013年8月15日—17日廊坊、富克與日本MMB臺(tái)站數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 The comparison between geomagnetic data of Langfang, Fuke and MMB stations’ from Oct.15 to 17 in 2013

從圖2可以看出，廊坊、三亞地磁臺(tái)與MMB臺(tái)的H、D、Z、F變化幅度相近，且在8月16日地磁暴發(fā)生時(shí)，3個(gè)臺(tái)站的H分量下降幅度相近。相對(duì)三亞地磁臺(tái)，廊坊與MMB臺(tái)緯度位置更接近，所以地磁變化更相近。

綜上所述，廊坊、富克地磁臺(tái)與以上3個(gè)地磁臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性高，變化幅度相近，且對(duì)磁暴均有明顯響應(yīng)，表明2個(gè)臺(tái)站與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。

1.2 磁暴事件分析

磁暴發(fā)生時(shí)，地磁H分量變化幅度最大，所以一般從H分量變化中提取地磁脈動(dòng)，因此H分量數(shù)據(jù)好壞直接影響地磁脈動(dòng)的提取工作。采用克利時(shí)序疊加法，得到地磁平靜期的Sq、L變化，3小時(shí)磁擾幅度由H分量變化減去Sq和L變化后的純磁擾曲線最高值和最低值來(lái)確定（徐文耀，2009）。針對(duì)2013年10月2日磁暴事件對(duì)廊坊、富克地磁臺(tái)H分量進(jìn)行純擾動(dòng)變化分析，并與十三陵、三亞地磁臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，純擾動(dòng)幅度曲線見(jiàn)圖3，具體數(shù)值見(jiàn)表1。

從圖3和表1可知，廊坊與富克地磁臺(tái)H分量對(duì)10月2日地磁暴均有明顯響應(yīng)，且在磁暴期間，4個(gè)臺(tái)站變化趨勢(shì)基本一致，且廊坊與十三陵地磁臺(tái)、富克與三亞地磁臺(tái)在各時(shí)段擾動(dòng)幅度基本相近。

圖3 2013年10月2日4個(gè)臺(tái)站H分量純擾動(dòng)幅度Fig.3 TheH-component disturbance of four stations on Oct.2 in 2013

表1 2013年10月2日4個(gè)臺(tái)站各時(shí)段H分量純擾動(dòng)幅度Table 1 The disturbance ofH-component at all periods of four stations on Oct.2 in 2013

1.3 噪聲分析

地磁脈動(dòng)振幅為百分之幾到幾百nT，如果H分量數(shù)據(jù)本身噪聲過(guò)大，那么地磁脈動(dòng)將淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法提取，所以噪聲分析是檢測(cè)地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。

在2013年8月29日（最大Kp= 1）00:00—04:00時(shí)間段中隨機(jī)選取10段連續(xù)10 s的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算峰峰值和均方根（RMS），然后計(jì)算10次峰峰值和RMS值的平均值，作為此時(shí)測(cè)試點(diǎn)的峰峰值和RMS背景噪聲（王曉美等，2008）。廊坊、富克地磁臺(tái)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站——日本MMB臺(tái)噪聲做對(duì)比分析，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 廊坊、富克、MMB臺(tái)站噪聲分析Table 2 The noise analysis of Langfang, Fuke and MMB stations

從表2可知，廊坊與富克地磁臺(tái)地磁場(chǎng)變化記錄基本達(dá)到峰峰值0.2 nT、均方根0.07的精度，相對(duì)MMB臺(tái)站而言噪聲較大，但觀測(cè)環(huán)境基本滿(mǎn)足地磁變化觀測(cè)臺(tái)站要求。因此，可以利用廊坊與富克地磁臺(tái)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)提取地磁脈動(dòng)。

綜上所述，廊坊、富克地磁臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度相近，相關(guān)性較高；對(duì)地磁暴有明顯響應(yīng)，磁暴期間H分量的擾動(dòng)幅度與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站相近，且噪聲達(dá)到基本要求。由此表明，廊坊與富克地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以為空間環(huán)境預(yù)報(bào)服務(wù)提供良好的地磁數(shù)據(jù)。

2 地磁脈動(dòng)提取

地磁脈動(dòng)是太陽(yáng)活動(dòng)引起的一種短周期磁場(chǎng)擾動(dòng)變化，與磁暴、亞暴、灣擾、磁層內(nèi)帶電粒子變化及太陽(yáng)活動(dòng)等一系列現(xiàn)象密切相關(guān)。根據(jù)地磁脈動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)制和能量傳輸過(guò)程，可以利用地磁脈動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)地磁暴和亞暴及地球同步軌道相對(duì)論電子通量。地磁脈動(dòng)主要分為2大類(lèi)共9種脈動(dòng)。第1類(lèi)稱(chēng)為連續(xù)脈動(dòng)，可細(xì)分為Pc1—Pc6；第2類(lèi)稱(chēng)為不規(guī)則脈動(dòng)，可細(xì)分為Pi1—Pi3。研究表明，以上9種脈動(dòng)中Pc5、Pi1、Pi2脈動(dòng)與亞暴、磁暴、高能電子暴關(guān)系密切（Meradith et al，2002；O’Brien et al，2002；李柳元等，2005；李柳元等，2006），在此重點(diǎn)研究此3種脈動(dòng)。

2.1 提取方法對(duì)比

目前主要濾波方法有希爾伯特—黃變換、小波分析、快速傅里葉變換。希爾伯特—黃變換是一種較新的濾波方法，缺少?lài)?yán)格的數(shù)學(xué)論證，具有較大缺陷（張敏，2012）；小波分析可以分析信號(hào)局部特征，可任意放大平移并對(duì)其特征進(jìn)行提取；快速傅里葉變換是一種對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析的傳統(tǒng)方法，具有較高的確定性與穩(wěn)定性。因此，選取2013年10月2日地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)作為短期樣本，分別采取快速傅里葉變換與小波分析進(jìn)行濾波處理，對(duì)比兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)，確定選用何種方法進(jìn)行地磁脈動(dòng)提取。

2.1.1 快速傅里葉變換。受日冕物質(zhì)拋射到達(dá)地球的影響，2013年10月2日地磁有12個(gè)小時(shí)達(dá)到磁暴水平，最大Kp=6。針對(duì)此次事件，采用快速傅里葉變換分別對(duì)廊坊與富克地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 2013年10月2日地磁脈動(dòng)變化(a)廊坊臺(tái)站； (b)富克臺(tái)站Fig.4 The geomagnetic pulsations on Oct.2 in 2013

從圖4可以看出：10月2日磁暴發(fā)生時(shí)，廊坊、富克地磁臺(tái)站明顯觀測(cè)到Pc5、Pi1、Pi2地磁脈動(dòng)，3種脈動(dòng)持續(xù)時(shí)間均長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)；Pc5脈動(dòng)最大振幅廊坊臺(tái)約30 nT，富克臺(tái)約20 nT，Pi1脈動(dòng)最大振幅廊坊臺(tái)約2 nT，富克臺(tái)約1 nT，Pi2脈動(dòng)最大振幅廊坊臺(tái)約10 nT，富克臺(tái)約8 nT。

2.1.2 小波分析。針對(duì)地磁數(shù)據(jù)的一維分布特性，采用Meyer小波進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Meyer小波表達(dá)式為

其中

對(duì)2013年10月2日廊坊、富克地磁臺(tái)Pi1、Pi2、Pc5脈動(dòng)進(jìn)行小波濾波分析，頻率范圍分別在0.025—1 mHz、0.006 7—0.025 mHz、0.001 67—0.067 mHz，對(duì)應(yīng)Meyer小波尺度分別為1—28、28—103、103—400，分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 2013年10月2日廊坊、富克臺(tái)站Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動(dòng)小波分析Fig.5 The wavelet analysis of Pi1, Pi2 and Pc5 geomagnetic pulsation based on the data of Langfang, Fuke stations on Oct.2 in 2013

由圖5濾波結(jié)果可知，磁暴期間廊坊、富克地磁臺(tái)均觀測(cè)到明顯的Pi2、Pc5變化，且尺度越大（頻率越?。?，變化越明顯，未觀測(cè)到明顯的Pi1脈動(dòng)。然而，由于Meyer小波分析最大尺度為264，而Pc5脈動(dòng)只能在103—264尺度范圍進(jìn)行濾波，有一定局限性，濾波結(jié)果并未完全體現(xiàn)磁暴期間Pc5脈動(dòng)特性，可見(jiàn)小波濾波方法具有一定局限性。

2.2 地磁脈動(dòng)提取

由以上對(duì)比結(jié)果可知，小波分析方法具有局限性，因此選用快速傅里葉變換進(jìn)行地磁脈動(dòng)提取。研究發(fā)現(xiàn)，Pc5、Pi1地磁脈動(dòng)對(duì)高能電子增強(qiáng)事件響應(yīng)較好，在此主要針對(duì)兩種脈動(dòng)進(jìn)行提取。每天計(jì)算1次Pc5與Pi1脈動(dòng)的持續(xù)時(shí)間及Pc5平均強(qiáng)度（何甜等，2009），且對(duì)地磁脈動(dòng)給定一個(gè)起始閾值和結(jié)束閾值，當(dāng)?shù)卮琶}動(dòng)振幅大于起始閾值時(shí)即認(rèn)為此脈動(dòng)開(kāi)始發(fā)生，當(dāng)振幅小于結(jié)束閾值時(shí)即認(rèn)為此脈動(dòng)結(jié)束。表3為給定的廊坊、富克地磁臺(tái)2種地磁脈動(dòng)閾值范圍。在此選取2014年6—7月廊坊、富克地磁臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)作為長(zhǎng)期樣本，采用快速傅里葉變換進(jìn)行地磁脈動(dòng)提取，見(jiàn)圖6。

圖6 2014年6—7月廊坊、富克地磁臺(tái)Pc5、Pi1脈動(dòng)提取(a)廊坊； (b)富克Fig.6 The extraction of Pc5 and Pi1 pulsation at Langfang and Fuke stations from June to July, 2014

表3 不同種類(lèi)脈動(dòng)的起始和結(jié)束閾值Table 3 The beginning and ending threshold of all geomagnetic pulsations

從圖6可以看出，在磁暴期間，廊坊、富克地磁臺(tái)的 Pc5持續(xù)時(shí)間增強(qiáng)到幾小時(shí)，比平靜期增加幾倍；其平均強(qiáng)度增強(qiáng)到十幾nT，比平靜期增加幾十倍； Pi1持續(xù)時(shí)間比平靜期間增強(qiáng)幾倍。

3 結(jié)論

綜上所述，廊坊、富克地磁臺(tái)站的地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)變化一致，相關(guān)性高，對(duì)地磁暴有明顯響應(yīng)，且在磁暴期間，H分量的擾動(dòng)幅度與標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站相近，噪聲小，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。以?xún)蓚€(gè)臺(tái)站地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比分析快速傅里葉變換與Meyer小波濾波方法，最終選取快速傅里葉變換進(jìn)行濾波。研究發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)臺(tái)站在地磁暴期間均能觀測(cè)到明顯的Pi1、Pi2、Pc5地磁脈動(dòng)，且Pc5持續(xù)時(shí)間、平均強(qiáng)度、變化幅度與Pi1的持續(xù)時(shí)間、變化幅度及Pi2的變化幅度均有明顯增加，比平靜期間增強(qiáng)幾倍至幾十倍。今后將對(duì)地磁脈動(dòng)與地磁暴、亞暴、高能電子暴等空間天氣事件的關(guān)系做進(jìn)一步研究。

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Data analysis and application of the geomagnetic data at Langfang and Fuke geomagntic stations

Wang Jing，Cheng Yonghong and Shi Liqin
(National Space Science Center,CAS,Beijing100190,China)

There is high relativity and the similar variation during geomagnetic storm and quiet periods between the data of Langfang, Fuke geomagnetic stations and Shisanling, Sanya, MMB geomagnetic stations.Based on the data of the two stations, the work of extracting the geomagnetic pulsations was carried out using the Fourier transform.The research results show that the duration, average strength, variation of Pc5 pulsation and the duration, average strength, variations of Pi1 pulsation and the duration of Pi2 pulsation had the signifcant change during geomagnetic storm periods which form the basis for the study of relationship between pulsation and the relativistic electron fux enhancement event.

geomagnetic data，geomagnetic pulsations，geomagnetic storm，F(xiàn)ourier transform

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.009

王晶（1978—），女，遼寧人，博士，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心助理研究員，主要研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境預(yù)報(bào)與研究。E-mail： jwang@nssc.ac.cn

自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：11503063）

本文收到日期：2016-03-02