余年 張學(xué)健 孔文新 韋昌

摘要：地磁感應(yīng)電流（geomagnetically induced currents， GIC）是指地球變化磁場(chǎng)在地球表面導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，可對(duì)電網(wǎng)、油氣管道、高鐵等人造基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重破壞，包括電力系統(tǒng)失效、通信干擾和電子設(shè)備損壞等，影響其穩(wěn)定運(yùn)行和功能。研究GIC的意義在于深入理解其產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，為制定相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)對(duì)策略提供科學(xué)依據(jù)。論文在深入總結(jié)GIC研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了GIC的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，包括宇宙空間、地球環(huán)境和電力系統(tǒng)對(duì)GIC的影響；概述了GIC的研究現(xiàn)狀，分別從空間物理、地球物理和電氣工程領(lǐng)域?qū)IC進(jìn)行了綜合評(píng)述；進(jìn)而詳細(xì)介紹了GIC估算的步驟，包括地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與建模、地電場(chǎng)和導(dǎo)體中GIC的計(jì)算；并重點(diǎn)分析了不同地球物理參數(shù)對(duì)GIC估算結(jié)果的影響以及互相之間的差異；最后，對(duì)GIC研究面臨的挑戰(zhàn)、地球物理在相關(guān)問題解決中的潛在貢獻(xiàn)以及研究未來進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：地磁感應(yīng)電流；地球磁場(chǎng)；大地電磁；地磁災(zāi)害

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230289 中圖分類號(hào)：X43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2023-10-27

作者簡(jiǎn)介：余年（1984—），男，教授，博士，主要從事地球電磁方法理論與應(yīng)用研究，E-mail： yunian@126.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42222404，42074081，42204078）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42222404， 42074081， 42204078）

Multidisciplinary Advancements in Geomagnetically Induced Currents Research Yu Nian¹， Zhang Xuejian¹， Kong Wenxin²， Wei Chang¹

1. School of Electrical Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China

2. School of Resources and Safety Engineering， Chongqing University， Chongqing 400044， China

Abstract： Geomagnetically induced currents （GIC） are currents induced in conductive materials on the Earths surface due to Earths magnetic field variations. GICs have the potential to cause severe damage to manufactured infrastructure， including power grids， oil and gas pipelines， and high-speed railways， resulting in adverse consequences such as power system failures， communication disruptions， and damage to electronic equipment， ultimately affecting the stability and functionality of these systems. The significance of studying GIC lies in understanding their generation mechanisms and influencing factors， thereby providing a scientific foundation for developing effective prevention and mitigation strategies. Based on an in-depth review of the progress in GIC research， this paper elaborates on the mechanisms of GIC generation and the influencing factors， encompassing the impacts of space weather， Earths environmental conditions， and the power system on GIC. It provides an overview of the current state of GIC research， offering integrated assessments from space physics， geophysics， and electrical engineering. Furthermore， the paper provides a detailed description of the steps involved in estimating GIC， including using geomagnetic field data and modeling， along with calculating electric fields and GIC within conductors. It emphasizes analyzing how various geophysical parameters affect GIC estimates and their interrelationships. In conclusion， the paper discusses the challenges in GIC research， highlights the potential contributions of geophysics in addressing related issues， and provides a perspective on the future of GIC research.

Key words： geomagnetically induced currents; earths magnetic field; magnetotellurics; geomagnetic disaster

0 引言

太陽活動(dòng)會(huì)向周圍環(huán)境釋放能量，包括輻射線、高能帶電粒子等。這些能量會(huì)對(duì)周圍的空間環(huán)境產(chǎn)生影響，其程度取決于太陽活動(dòng)發(fā)生的地點(diǎn)、類型和強(qiáng)度。當(dāng)太陽活動(dòng)引發(fā)太陽與地球之間空間環(huán)境的復(fù)雜耦合反應(yīng)時(shí)，會(huì)在地球表面導(dǎo)體系統(tǒng)中感應(yīng)出低頻準(zhǔn)直流電流（頻率在0.000 1～0.01 Hz之間），稱為地磁感應(yīng)電流（geomagnetically induced currents， GIC）^[1]。GIC流經(jīng)通信電纜或設(shè)備時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電壓升高，進(jìn)而引發(fā)通信中斷。GIC在油氣管道中傳播時(shí)，會(huì)腐蝕管道并損害相關(guān)設(shè)備。GIC對(duì)電力系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重，它通過電力系統(tǒng)的變壓器中性點(diǎn)進(jìn)入，沿電力傳輸線流動(dòng)，與大地形成一條電流回路；流經(jīng)變壓器時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致磁飽和，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，極端情況下可能導(dǎo)致電力中斷事故的發(fā)生。

1948年，Barlow等^[2]發(fā)現(xiàn)GIC對(duì)通信電報(bào)設(shè)備的影響。隨后，Boteler^[3]觀察到超強(qiáng)磁暴會(huì)導(dǎo)致電報(bào)線溫度升高，甚至可能引發(fā)材料燃燒。此外，Allison等^[4]的研究發(fā)現(xiàn)，GIC長(zhǎng)期作用于油氣管道會(huì)加速其電解和腐蝕過程。1989年3月，蘇聯(lián)Gorky鐵路的信號(hào)控制系統(tǒng)因受到GIC的影響而出現(xiàn)異常^[5]。

GIC對(duì)電力系統(tǒng)損害最為著名的案例出現(xiàn)在1989年3月加拿大魁北克省。當(dāng)時(shí)，GIC的影響導(dǎo)致變壓器直流偏置，使電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作，導(dǎo)致魁北克省及美國(guó)加拿大邊境附近大面積停電，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失^[6]。到21世紀(jì)初，越來越多與地磁暴有關(guān)的輸電系統(tǒng)故障被報(bào)道。例如：2001年11月6日的新西蘭輸電系統(tǒng)故障被證實(shí)與GIC相關(guān)^[7]；2003年9—10月，歐洲多個(gè)國(guó)家的變壓器檢測(cè)到高幅值GIC^[8]；2003年10月29—31日瑞典的馬爾默南部省遭受到地磁暴襲擊，導(dǎo)致一條130 kV的線路斷開保護(hù)，約5萬人在黑暗中度過1 h^[9]。

早期的GIC事件主要發(fā)生在高緯度地區(qū)^[10]，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善，一些中低緯度國(guó)家也受到GIC的影響^[11]，比如中國(guó)、日本、澳大利亞等^[12-14]。

此外，位于地面以上30 km或更高處的核爆炸也可能在電力線中誘發(fā)大型準(zhǔn)直流電流，被稱為高空核電磁脈沖^[15]。通過這種爆炸，γ粒子會(huì)以光速向各個(gè)方向發(fā)射，并與空氣的分子發(fā)生碰撞，導(dǎo)致大氣層電離，產(chǎn)生可能與電力網(wǎng)絡(luò)相互作用并導(dǎo)致GIC的電磁信號(hào)。

為全面分析GIC對(duì)電力系統(tǒng)的影響機(jī)制，我們對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了收集整理，分別從空間物理、地球物理和電氣工程3個(gè)領(lǐng)域，概述國(guó)內(nèi)外GIC的研究現(xiàn)狀；重點(diǎn)介紹基于觀測(cè)站或模型擬合的地磁場(chǎng)重現(xiàn)和地球表面地電場(chǎng)以及導(dǎo)體中GIC的理論計(jì)算；同時(shí)對(duì)不同地球物理參數(shù)對(duì)GIC估算結(jié)果的影響進(jìn)行詳細(xì)討論；并對(duì)GIC研究面臨的挑戰(zhàn)、地球物理在相關(guān)問題解決中的潛在貢獻(xiàn)以及研究未來進(jìn)行展望。

1 GIC產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

1.1 GIC產(chǎn)生的機(jī)理

地球表面導(dǎo)體系統(tǒng)中產(chǎn)生GIC的過程涉及空間物理、地球物理和電氣工程3個(gè)交叉學(xué)科的理論知識(shí)。如圖1所示，太陽活動(dòng)產(chǎn)生高能粒子和輻射，釋放能量并影響太陽與地球之間的空間環(huán)境，進(jìn)而影響地球的磁層和電離層，該影響可通過空間電流體系等效表示。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律^[16]，空間電流體系變化引起地磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，并感生出地電場(chǎng)，感應(yīng)地電場(chǎng)沿地表導(dǎo)體積分，可得導(dǎo)體兩端電勢(shì)差。結(jié)合電網(wǎng)輸電線路、變壓器等效阻抗模型，便可估算GIC。

1.2 GIC的影響因素

電網(wǎng)中GIC的產(chǎn)生過程經(jīng)歷了宇宙空間、地球環(huán)境和電力系統(tǒng)這3個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)的特征都能影響GIC。因此，從以下3個(gè)方面分析GIC的影響因素。

1.2.1 宇宙空間對(duì)GIC的影響

太陽活動(dòng)是一個(gè)持續(xù)進(jìn)行的過程，在一系列太陽活動(dòng)中，耀斑和日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejection，CME）是最劇烈的。CME是誘發(fā)地磁爆的主要源頭，主要以太陽風(fēng)的形式向行星際空間傳播。當(dāng)太陽風(fēng)傳播到地球附近時(shí)，與地球大氣和地磁場(chǎng)發(fā)生相互作用^[17]，導(dǎo)致磁暴，其強(qiáng)烈程度與行星際參數(shù)，如太陽風(fēng)的密度、速度、行星際磁場(chǎng)的南向分量等，以及這些參數(shù)影響的持續(xù)時(shí)間有關(guān)^[18]。總體來說，行星際參數(shù)的數(shù)值越大，對(duì)地磁場(chǎng)的影響程度越大，但磁暴的強(qiáng)度不是由單一參數(shù)決定，而是以上多個(gè)參數(shù)共同作用的結(jié)果。

1.2.2 地球環(huán)境對(duì)GIC的影響

從地球物理的角度來看，影響GIC的因素主要為地球的地表阻抗和地區(qū)的緯度。地表阻抗取決于大地電阻率，與土壤成分相關(guān)，電阻率參數(shù)主要通過地球物理電磁反演等方法獲取^[19-20]。根據(jù)不同精度需求，可對(duì)大地電阻率模型進(jìn)行不同的維性劃分，包括均勻大地模型、一維層狀大地模型、二維模型以及復(fù)雜的三維電阻率模型（電阻率在空間中呈現(xiàn)三維分布）^[21-22]。三維模型的精度一般高于二維和一維，且能更為真實(shí)地反映出地下介質(zhì)的局部差異，比如海岸效應(yīng)^[23]，當(dāng)兩種介質(zhì)有較大差異時(shí)，GIC的幅值將會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

另外，同一次磁暴事件對(duì)不同地區(qū)的影響不同，緯度越高，感應(yīng)地電場(chǎng)越大。一般高緯度地區(qū)GIC變化更明顯，這與該地區(qū)的地磁場(chǎng)更強(qiáng)有關(guān)^[24]。劉連光等^[25]指出就方向特征而言，中低緯度地區(qū)的地磁場(chǎng)與高緯度地區(qū)不同，中低緯度地區(qū)東西向的地磁場(chǎng)比南北向的地磁場(chǎng)更強(qiáng)。

1.2.3 電力系統(tǒng)對(duì)GIC的影響

從電力系統(tǒng)角度看，可采用單一直流模型或基于交流分析的方法來計(jì)算GIC。這些方法需要電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如變壓器（變壓器數(shù)量、電壓等級(jí)、繞組阻抗、中性點(diǎn)接地阻抗等）、輸電線路（線路電壓等級(jí)、線路長(zhǎng)度和線路阻抗等）、發(fā)電機(jī)（發(fā)電機(jī)數(shù)量、電壓等級(jí)、繞組阻抗等）以及變電站協(xié)調(diào)和并聯(lián)裝置的數(shù)據(jù)等^[26]。

電網(wǎng)的導(dǎo)線、變壓器、輸電線路以及地線系統(tǒng)的布局和連接方式將決定GIC的傳播路徑，影響GIC在電網(wǎng)中的分布情況。特別是，與地電場(chǎng)方向更接近的傳輸線能夠獲得更大的傳輸線電壓，進(jìn)而增大GIC的數(shù)值。電壓等級(jí)越高的電力系統(tǒng)，GIC的幅值也越大；位于拐點(diǎn)和邊緣變電站的GIC更高^[27]。在高電壓等級(jí)中考慮低電壓等級(jí)會(huì)提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性^[28]，考慮真實(shí)傳輸線形狀也可以提高精度^[29]。

電氣設(shè)備的特性對(duì)GIC的影響非常重要，其中：電阻會(huì)對(duì)GIC產(chǎn)生阻礙作用，限制GIC流過設(shè)備的能力，從而降低GIC的傳播和擴(kuò)散，較高的電阻將導(dǎo)致GIC在設(shè)備中產(chǎn)生更大的電壓降，影響其傳播和衰減;電抗也會(huì)對(duì)GIC的傳播產(chǎn)生影響，電抗可以是電感或電容，電感會(huì)對(duì)GIC產(chǎn)生阻抗，降低其傳播速度，電容則可能導(dǎo)致GIC無法流通而在設(shè)備中積累，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電壓升高，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和正常運(yùn)行。

2 GIC多領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

2.1 空間物理領(lǐng)域

為研究太陽活動(dòng)對(duì)地球的影響，各國(guó)陸續(xù)發(fā)射衛(wèi)星到地球上空，監(jiān)測(cè)與太陽活動(dòng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，關(guān)注太陽風(fēng)和行星際磁場(chǎng)的影響，為分析太陽活動(dòng)對(duì)地球的影響、建立模型和進(jìn)行數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。其中，基于太陽和日球?qū)犹煳呐_(tái)（solar and heliospheric observatory， SOHO）觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)的產(chǎn)生與冕洞密切相關(guān)^[30]。Burlaga等^[31]發(fā)現(xiàn)磁云的存在，磁云對(duì)地效應(yīng)在后續(xù)研究中也得到驗(yàn)證；隨后Wang等^[32]發(fā)現(xiàn)多重磁云的存在，極大地推動(dòng)了對(duì)星際物質(zhì)的深入研究。Zhang等^[33]分析了1996—2005年磁暴環(huán)電流指數(shù)較小的地磁暴事件，深入研究了其空間驅(qū)動(dòng)源，詳細(xì)列出了各磁暴事件對(duì)應(yīng)的CME參數(shù)以及行星際太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)。

太陽活動(dòng)通過太陽風(fēng)的形式傳播到地球后，激發(fā)地球磁層和電離層中的電流體系，這是引起地磁場(chǎng)擾動(dòng)的重要因素^[34]。隨著GIC潛在危害的不斷擴(kuò)大，人們希望降低導(dǎo)體系統(tǒng)中的GIC，特別是減少GIC對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的威脅。馮學(xué)尚等從多個(gè)方面對(duì)太陽風(fēng)暴和日冕行星際數(shù)值的模擬工作做了系統(tǒng)總結(jié)^[35]，并總結(jié)了三維數(shù)值預(yù)報(bào)模型算法及其意義^[36]。Lucas等^[37]介紹了如何利用34個(gè)磁場(chǎng)記錄站點(diǎn)的歷史磁暴事件來預(yù)測(cè)百年一遇的極端磁暴事件，然后使用球形基本電流系統(tǒng)（spherical elementary current systems， SECS）插值磁場(chǎng)，計(jì)算了美國(guó)的地電場(chǎng)和傳輸線電壓。Zhang等^[38]建立了2012年7月23日超級(jí)風(fēng)暴襲擊地球時(shí)中國(guó)廣東省的電網(wǎng)響應(yīng)模型，研究表明此時(shí)電網(wǎng)處于極度高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。吳偉麗等^[39]融合了復(fù)像法與SECS法的優(yōu)點(diǎn)，利用我國(guó)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)反演出磁層、電離層的等效電流體系。Zheng等^[40]從空間的電流體系考慮，分別分析了適合計(jì)算高、低緯度地區(qū)的地電場(chǎng)算法模型，結(jié)合快速漢克爾分解方法，提出不同緯度地區(qū)采用不同形式的電流體系可以提高地電場(chǎng)的計(jì)算精度。

2.2 地球物理領(lǐng)域

空間電流體系的變動(dòng)將會(huì)引發(fā)地磁暴并產(chǎn)生感應(yīng)地電場(chǎng)。除了地磁場(chǎng)的大小和頻率外，大地電阻率結(jié)構(gòu)也是影響感應(yīng)地電場(chǎng)大小的重要因素之一。計(jì)算地電場(chǎng)的傳統(tǒng)方法是平面波法^[41]，但該方法只適用于研究區(qū)域尺寸相對(duì)小或區(qū)域與等效源之間的距離足夠遠(yuǎn)的情況，否則容易產(chǎn)生較大的誤差。為解決該問題，學(xué)者們又陸續(xù)提出了復(fù)鏡像法^[42]、快速漢克爾函數(shù)變換法^[43]和級(jí)數(shù)展開法等算法^[44]。傳統(tǒng)的計(jì)算方法中大地電阻率模型通常取一維層狀電阻率結(jié)構(gòu)，對(duì)橫向電阻率變化簡(jiǎn)化忽略；這與實(shí)際復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)不符，例如涉及大范圍的地電場(chǎng)計(jì)算時(shí)，這種簡(jiǎn)化的一維層狀結(jié)構(gòu)會(huì)引起不可忽視的誤差。

為得到更加接近實(shí)際的大地電阻率模型，不少學(xué)者把適用于復(fù)雜介質(zhì)和復(fù)雜模型的數(shù)值分析方法（如有限元法、有限差分等）引入進(jìn)來^[43]。尚康良^[45]采用有限元法計(jì)算二維電性模型中地電流場(chǎng)的分布情況。然而，在建模和計(jì)算過程中，對(duì)大地結(jié)構(gòu)的設(shè)置和邊界條件進(jìn)行多項(xiàng)簡(jiǎn)化和近似處理，可能導(dǎo)致模型丟失實(shí)際電性模型中的一些參數(shù)。為使模型更加符合復(fù)雜變化的真實(shí)地質(zhì)環(huán)境，董博^[46]采用有限元法建立了磁暴情況下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維地電流場(chǎng)模型，并驗(yàn)證了該方法的可行性。林晨翔^[47]則建立了分塊電阻率模型和薄殼電阻率模型，研究電阻率在橫向突變的大地模型中E極化和H極化對(duì)模型的影響，并提出應(yīng)考慮海岸效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)中GIC計(jì)算的影響。

除了有限元法，還常使用有限差分法對(duì)電阻率模型進(jìn)行正演計(jì)算以得出地表波阻抗，然后利用傳遞函數(shù)估算地電場(chǎng)。Gannon等^[48]分別利用一維和三維電阻率模型估算太平洋西北地區(qū)的GIC，結(jié)果顯示一維電阻率模型雖能較為準(zhǔn)確地計(jì)算GIC，但無法反映電阻率突變的影響，而三維電阻率模型能完全解決該問題。此外，除使用數(shù)值分析手段計(jì)算地電場(chǎng)，還可以直接使用大地電磁實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)計(jì)算地電場(chǎng)。Lucas等^[49]利用大地電磁實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)和一維電阻率模型來計(jì)算GIC，認(rèn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能更好地反映地下結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。Marshall等^[14]分別使用均勻半空間電阻率模型、層狀電阻率模型、三維電阻率模型和大地電磁實(shí)測(cè)阻抗資料來計(jì)算GIC，并通過幾個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)估算4種模型的性能，結(jié)果表明，三維電阻率模型和大地電磁實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)的吻合度更高，模型準(zhǔn)確度的順序?yàn)槿S模型>復(fù)雜一維模型>層狀模型>均勻半空間電阻率模型。

2.3 電氣工程領(lǐng)域

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，研究GIC的解決方案需要具備深厚的電氣工程基礎(chǔ)知識(shí)。由于地磁暴引起的地電場(chǎng)變化頻率極低，可近似為直流分析。事實(shí)上，若采用交流分析來計(jì)算GIC，則問題將變得更加復(fù)雜。在直流分析和交流分析中，所采用的電網(wǎng)參數(shù)模型也存在差異，需要分別加以考慮。區(qū)分直流和交流，并相應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)碾娋W(wǎng)參數(shù)模型，是電力系統(tǒng)研究中的重要考量。

一方面，研究者們著力構(gòu)建完整的參數(shù)模型，以盡可能準(zhǔn)確地估算GIC。Pirjola^[50]將變電站視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)以簡(jiǎn)化分析，特別針對(duì)只有一個(gè)電壓等級(jí)的電網(wǎng)進(jìn)行估算。為了更精確地分析，美國(guó)電科院聯(lián)合多個(gè)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，并提出“GIC-benchmark”規(guī)范算例^[51]。鄭寬等^[52]基于“GIC-benchmark”模型不僅分析變壓器結(jié)線和編組組合，還考慮到GIC阻斷裝置和多電壓等級(jí)的影響，提出更加符合實(shí)際的“全節(jié)點(diǎn)模型”。劉連光等^[53]利用全節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算多電壓等級(jí)電網(wǎng)中的GIC，認(rèn)為不同電壓等級(jí)中的GIC會(huì)相互影響。這些研究為深入理解電網(wǎng)與GIC的關(guān)系提供了重要的理論分析。

另一方面，研究者們不僅致力于深入探討電磁暫態(tài)與電力系統(tǒng)的相互作用，還積極尋求降低GIC危害的有效途徑。除分析GIC對(duì)電力系統(tǒng)的影響外，也積極探索降低GIC危害的多種方法。Kappenman等^[54]提出采用串聯(lián)電容器隔斷GIC的方法，取得顯著的效果。Pirjola^[55]進(jìn)一步研究通過可調(diào)式電流源消除GIC產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，有效抑制了變壓器半波飽和的現(xiàn)象。Pirjola^[56]也建議在變壓器中性點(diǎn)安裝串聯(lián)電阻以抑制GIC流通，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該方法切實(shí)可行。這些創(chuàng)新性的方法為降低GIC對(duì)電力系統(tǒng)造成的潛在危害提供了有益的參考與啟示。

3 GIC估算步驟

如圖2所示，GIC的計(jì)算主要分為兩個(gè)部分。首先是地球物理部分，該部分考慮地球表面的地電場(chǎng)對(duì)給定地磁擾動(dòng)數(shù)據(jù)和地球電阻率結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。這些擾動(dòng)來自電離層和磁層電流，可以通過地磁觀測(cè)站和太空中的衛(wèi)星記錄得到；地電場(chǎng)可以通過計(jì)算獲得。地球物理部分完全獨(dú)立于人造基礎(chǔ)設(shè)施。其次是電氣工程部分，地電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電力系統(tǒng)中的GIC，可以通過使用不同的軟件和基于網(wǎng)絡(luò)理論的直流網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計(jì)算。

3.1 地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取

要獲取圖2中的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，可以采取兩種方法。一是利用地球上的地磁觀測(cè)站直接獲取特定地點(diǎn)的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。二是利用太陽風(fēng)參數(shù)，結(jié)合全球三維磁流體力學(xué)（magneto hydrodynamics， MHD）模擬地球磁層及電離層上的等效電流體系，預(yù)測(cè)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.1.1 地表直接觀測(cè)與插值加密

由于地磁觀測(cè)站分布較為離散且多位于高緯度地區(qū)，無法完全還原整個(gè)空間的磁場(chǎng)分布情況，因此，人們提出通過數(shù)據(jù)插值方法來恢復(fù)地球上的磁場(chǎng)分布。

經(jīng)典的插值方法之一是SECS^[57]，它通過利用地球的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演出空間的等效電流體系，進(jìn)而確定地磁場(chǎng)。

地磁場(chǎng)強(qiáng)度可用3個(gè)獨(dú)立分量表示。通常情況下，地磁臺(tái)會(huì)記錄3個(gè)地磁分量，即磁感應(yīng)強(qiáng)度水平分量B_H、磁偏角D和磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直分量B_z?？梢越⒁粋€(gè)空間直角坐標(biāo)系，以觀測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)O，定義x為地理北向，y為地理東向，z為鉛直方向。在這個(gè)坐標(biāo)系中，Oxy平面代表水平面。總磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B可以分解為B_H和B_z（圖3）。

用SECS法推算空間電流源的表達(dá)式如下：

TI=B。??? （1）

式中：T為因子矩陣，與磁測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、元電流系統(tǒng)坐標(biāo)有關(guān)；I為待求電離層的等效電流體系。

根據(jù)Helmholtz定理，電離層電流體系J可以分解成無散分量J_cf和無旋分量J_df^[58]：

J（r）=J_cf（r）+J_df（r）。 ???（2）

式中，r為位置向量。無旋分量對(duì)感應(yīng)地電場(chǎng)無影響。由SECS的計(jì)算原理可以知道，計(jì)算的準(zhǔn)確性受到地面磁觀測(cè)站數(shù)量的影響。電流體系的無散分量在柱坐標(biāo)中表示為

式中：I為任意表面電流密度的振幅；e_φ為方向φ上的單位矢量。

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，推導(dǎo)出磁場(chǎng)表達(dá)式如下：

式中：h為圓柱坐標(biāo)中的高度；μ₀為地球磁導(dǎo)率；e_r、e_z分別為r、z方向上的單位矢量。

3.1.2 地磁場(chǎng)數(shù)值模擬

MHD是一種集合流體力學(xué)方程和麥克斯韋方程的方法，可以用于模擬空間電流體系。常見的MHD模型包括：Open Geospace General Circulation Model^[59]、Lyon-Fedder-Mobarry模型^[60]、Block Adaptive Tree Solarwind Roe Upwind Scheme模型^[61]、Grand Unified Magnetosphere-Ionosphere Coupling Simulation模型^[62]。

3.2 地電場(chǎng)計(jì)算

獲得磁場(chǎng)數(shù)據(jù)后，可以進(jìn)一步計(jì)算感應(yīng)地電場(chǎng)。本節(jié)重點(diǎn)介紹平面波法。該方法假設(shè)磁層-電離層向地面?zhèn)鞑サ碾姶挪槠矫娌?，并?duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。依據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及麥克斯韋方程，地磁場(chǎng)與大地阻抗的時(shí)域卷積形式就是地電場(chǎng)的表達(dá)式^[37]。

3.2.1 一維電阻率模型

一維均勻半空間電阻率模型的阻抗函數(shù)^[14]如下所示：

式中：ω為電磁場(chǎng)角頻率；ρ為電阻率?？梢杂^察到，在一維均勻半空間電阻率模型中，阻抗與大地電阻率正相關(guān)，與地磁擾動(dòng)的角頻率正相關(guān)。

與一維均勻半空間電阻率模型相比，一維分層電阻率模型更符合地球的結(jié)構(gòu)特征。如圖4所示，它是對(duì)均勻半空間電阻率模型的改進(jìn)，可以分成n個(gè)不同電阻率（ρ₁，ρ₂，...，ρ_n）和厚度（h₁，h₂，...，h_n-1，h_n=∞）的層次。

在平面波的作用下，一維分層電阻率模型任意層的阻抗Z_m可以由遞歸關(guān)系算得出：

頂層為地面阻抗Z₀。以上一維分層模型對(duì)應(yīng)的阻抗張量可表示為

最后得到地面感應(yīng)電場(chǎng)的關(guān)系式為：

式中：E_x、E_y分別為x、y方向的電場(chǎng)強(qiáng)度；B_x、B_y分別為x、y方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3.2.2 二/三維電阻率模型

一維模型因其簡(jiǎn)易性和在特定條件下的準(zhǔn)確性而在感應(yīng)地電場(chǎng)計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用^[63]。然而，該模型忽略大地電阻率在橫向上的變化情況，而這種變化在地質(zhì)條件下非常常見。在研究電網(wǎng)覆蓋范圍廣大或存在陸地/海洋邊界的復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，采用簡(jiǎn)化的一維電阻率模型進(jìn)行分析可能會(huì)引起不可忽視的誤差。在這些情況下，考慮二維和三維大地電阻率模型會(huì)更加準(zhǔn)確。

二維大地電阻率模型的傳遞函數(shù)為

在二維傳遞函數(shù)中，阻抗張量的對(duì)角線元素為0，非對(duì)角線元素不相等。

三維電阻率模型的阻抗張量求解方法如下：

其中阻抗可以來自三維大地電阻率模型的正演計(jì)算，由于三維電阻率模型的復(fù)雜性，地下電阻率可以在3個(gè)空間方向上發(fā)生變化，因此每個(gè)方向上的電阻率可能不同。這種非均勻的電阻率分布導(dǎo)致阻抗矩陣的4個(gè)元素不相等。

3.2.3 大地電磁實(shí)測(cè)阻抗資料

除了使用電阻率模型正演計(jì)算地表阻抗數(shù)據(jù)并應(yīng)用傳遞函數(shù)計(jì)算地表電場(chǎng)，還可直接利用野外采集的大地電磁實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行地電場(chǎng)計(jì)算。這些實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)通過大地電磁（magnetotelluric， MT）儀采集得到。MT方法是一種成熟的地球物理勘探方法，主要用于研究大地構(gòu)造，尋找油氣、礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源等。

如圖5所示，以中國(guó)的SinoProbe-01項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目建立青藏高原、華北平原、東北和西北-華南等地區(qū)的大地電磁標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)，采集寬頻和長(zhǎng)周期MT數(shù)據(jù)，包括電場(chǎng)強(qiáng)度分量（E_x，E_y）和磁場(chǎng)強(qiáng)度分量（H_x，H_y，H_z）。為進(jìn)行地電場(chǎng)計(jì)算，首先將采集的電磁場(chǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，然后采用Robust估計(jì)^[65]和遠(yuǎn)參考^[66]等技術(shù)估算地表阻抗張量，并應(yīng)用式（13）計(jì)算地表電場(chǎng)。

在利用大地電磁測(cè)點(diǎn)計(jì)算地電場(chǎng)時(shí)，需注意排除受局部異質(zhì)性影響的異常測(cè)點(diǎn)^[67]。建議盡量使用密集型的大地電磁測(cè)點(diǎn)，以獲得更高的空間分辨率和減少插值不確定性。

3.2.4 利用實(shí)測(cè)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算GIC

除了利用傳遞函數(shù)計(jì)算地電場(chǎng)，我們還可以直接使用實(shí)測(cè)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)來計(jì)算GIC。如圖6所示為通過實(shí)測(cè)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算GIC的一般流程。

1）確定地磁暴事件及其起止時(shí)間。根據(jù)磁暴事件的特征和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確定地磁暴的發(fā)生時(shí)間范圍。

2）獲取地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在地磁暴事件的時(shí)間范圍內(nèi)，收集工區(qū)內(nèi)的地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；并對(duì)收集到的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去噪、濾波、校正等，以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3）計(jì)算變電站間的傳輸線電壓。基于處理后的地電場(chǎng)數(shù)據(jù)，計(jì)算變電站間的傳輸線電壓，這可以通過對(duì)電壓分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算或者模擬獲得。

4）計(jì)算各變電站的GIC?；趥鬏斁€電壓和電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)模型，計(jì)算各變電站的GIC。這涉及將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為GIC，考慮電網(wǎng)的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及變電站相關(guān)參數(shù)。

5）保存數(shù)據(jù)并繼續(xù)計(jì)算。保存計(jì)算得到的GIC數(shù)據(jù)，并判斷是否繼續(xù)計(jì)算下一時(shí)刻的GIC，直至覆蓋整個(gè)磁暴事件的時(shí)間范圍。

6）輸出計(jì)算結(jié)果。將計(jì)算得到的GIC結(jié)果進(jìn)行整理、分析和展示，以供后續(xù)分析和決策使用。

3.3 導(dǎo)體中GIC計(jì)算

根據(jù)上述流程，感應(yīng)地電場(chǎng)的數(shù)據(jù)可以用于計(jì)算地球?qū)w中的GIC。在建模GIC時(shí)，導(dǎo)體模型主要可以分為兩類：離散導(dǎo)體和連續(xù)導(dǎo)體。下面簡(jiǎn)要介紹這兩種導(dǎo)體模型的建模過程。

3.3.1 離散導(dǎo)體

GIC的研究中電網(wǎng)是一個(gè)重要的離散導(dǎo)體，因?yàn)樽儔浩髦行渣c(diǎn)與大地進(jìn)行離散連接。如圖7所示，將電網(wǎng)等效為直流回路模型。GIC會(huì)在輸電線路、變壓器（中性點(diǎn)接地）和大地之間形成回路。大地的影響已經(jīng)體現(xiàn)在電網(wǎng)中的等效電勢(shì)上，因此主要考慮輸電線路和變壓器（中性點(diǎn)接地）的建模。

假設(shè)輸電線路為對(duì)稱的三相線路。只需分析其中一條線路中的GIC，用一個(gè)直流電阻來等效表示輸電線路，其電阻取決于輸電線路的構(gòu)成材料、長(zhǎng)度和回路數(shù)等因素。

對(duì)于變壓器，考慮到不同電壓等級(jí)之間的相互影響，可以采用“全節(jié)點(diǎn)模型”來進(jìn)行建模。在該模型中，將變電站中各電壓等級(jí)的母線和中性點(diǎn)視為獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將輸電線路和變壓器的各級(jí)繞組設(shè)定為單獨(dú)的支路。通常，為簡(jiǎn)化計(jì)算，整個(gè)變電站會(huì)被視為一個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。

由圖7可得：

式中：E為沿傳輸線方向的電場(chǎng)；l為分段傳輸線。令接地阻抗矩陣為Z，并設(shè)導(dǎo)納矩陣Y，其元素為：

則可得各節(jié)點(diǎn)流入大地的GIC表達(dá)式如下：

I=（1+YZ）^-1J。??? （16）

式中：J為列向量，其大小等于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目，其元素為

3.3.2 連續(xù)導(dǎo)體

除了電網(wǎng)（離散系統(tǒng)）中的GIC，人們也關(guān)注油氣管道（連續(xù)系統(tǒng)）中的GIC。如圖8所示，與電網(wǎng)的接地方式不同，油氣管道埋入大地中且與大地之間隔著絕緣材料。Wang等^[69]提出一種利用分布源傳輸線理論來計(jì)算管道中GIC的方法，該方法將管道等效為多個(gè)小段，每段上的電場(chǎng)被視為均勻的。這種方法可以有效描述管道中GIC的傳播和影響，為研究油氣管道系統(tǒng)中的GIC提供了有用的建模途徑^[70]。

U_i與I_i的關(guān)系如下^[71]：

式中，γ²=Z_i·Y_i。

4 討論分析

地磁暴引起的GIC研究涵蓋空間物理學(xué)、地球物理學(xué)和電氣工程學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，每個(gè)學(xué)科對(duì)GIC估算的精度起著至關(guān)重要的作用。具體而言，空間物理學(xué)專注于地球磁場(chǎng)的準(zhǔn)確建模，地球物理學(xué)致力于準(zhǔn)確建立地下電性結(jié)構(gòu)模型，而電氣工程學(xué)側(cè)重于精確確定電網(wǎng)參數(shù)。

近期的研究表明，在建立地球磁場(chǎng)模型時(shí)，通常采用地磁臺(tái)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，避免復(fù)雜的建模過程及由此可能引入的誤差^[72]。因此，地球磁場(chǎng)能夠較為真實(shí)地反映環(huán)境情況。電網(wǎng)中變電站和傳輸線的參數(shù)是已知的，在GIC估算中可以視作確定因素。

然而，地下電性結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性是一個(gè)挑戰(zhàn)，其建立通常需要在研究區(qū)域布置大地電磁測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行反演。電性模型的建立也存在較大的不確定性，因此地下電性結(jié)構(gòu)是影響GIC估算穩(wěn)定性最主要的不確定因素。

接下來，深入分析不同地表波阻抗來源對(duì)GIC的影響。

4.1 不同維度電阻率模型對(duì)GIC的影響

均勻的一維電阻率模型假設(shè)地下介質(zhì)的電阻率保持恒定，從而簡(jiǎn)化計(jì)算過程并提供基本的定性信息。這種建模方式適用于地質(zhì)情況相對(duì)簡(jiǎn)單的局部區(qū)域，但是GIC的研究地區(qū)往往地質(zhì)情況復(fù)雜、范圍廣泛；為更精細(xì)地反映電性結(jié)構(gòu)，一維分層電阻率模型被更為廣泛采用。該模型考慮地下結(jié)構(gòu)在深度方向上的分層特性，更貼近實(shí)際情況，能夠提供更精確的電磁響應(yīng)^[48]。

然而，隨著全球電力需求的增加和電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，局部GIC估算已經(jīng)無法滿足需求。為適應(yīng)更復(fù)雜的地質(zhì)情況，學(xué)者們提出了一維分區(qū)分段電阻率模型，將地下結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)區(qū)域或段，并賦予不同的電阻率。這種模型能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的地質(zhì)情況，逐漸成為一維電阻率模型中的主流^[26]。

隨著大地電磁勘探技術(shù)的成熟，如今已經(jīng)可以應(yīng)用三維電阻率模型進(jìn)行GIC估算^[73]。三維電阻率模型考慮地下結(jié)構(gòu)的三維復(fù)雜性，能夠提供更真實(shí)的GIC分布。它能夠解釋非常復(fù)雜的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，提高感應(yīng)地電場(chǎng)的空間分辨率，同時(shí)也能反映出局部地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)GIC的影響，比如海岸效應(yīng)^[23]及鄰近效應(yīng)^[74]。這些對(duì)GIC估算精度產(chǎn)生影響的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是一維電阻率模型無法體現(xiàn)的^[75]。

4.2 不同類型阻抗資料對(duì)GIC的影響

目前的研究中，許多學(xué)者選擇直接使用大地電磁實(shí)測(cè)阻抗進(jìn)行GIC的估算^[49]。這些實(shí)測(cè)阻抗包含了地下復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)，避免了建立大地電磁三維反演模型可能帶來的各種誤差。然而，大地電磁測(cè)點(diǎn)的布設(shè)和采集并不容易，而且對(duì)測(cè)點(diǎn)間距也有一定的要求；受環(huán)境等多種因素的影響，這種方法需要投入極高的成本。

另外，基于電阻率模型的正演阻抗方法依賴于構(gòu)建電阻率模型，模擬地下結(jié)構(gòu)并計(jì)算電磁響應(yīng)^[76]。這種方法能夠靈活模擬不同地質(zhì)情景下的電磁行為，克服了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的局限性。電阻率模型可以覆蓋復(fù)雜的地下結(jié)構(gòu)，包括不同深度和區(qū)域的電阻率變化。然而，模型的準(zhǔn)確性高度依賴于所采用電阻率模型的精確性和適用性。電阻率模型的準(zhǔn)確性受到諸多因素的影響，如大地電磁測(cè)點(diǎn)的質(zhì)量和稀疏程度，正反演方法的準(zhǔn)確性等。

綜上所述，在大地電磁測(cè)點(diǎn)密集的區(qū)域，使用大地電磁實(shí)測(cè)阻抗數(shù)據(jù)能夠提供更高的估算準(zhǔn)確性；在測(cè)點(diǎn)稀疏的區(qū)域可以使用大地電磁正反演手段計(jì)算地表波阻抗數(shù)據(jù)后使用傳遞函數(shù)計(jì)算GIC^[67]。

4.3 地電場(chǎng)資料對(duì)GIC的影響

隨著國(guó)家對(duì)地磁災(zāi)害重視程度的不斷提高，多地已建立地電觀測(cè)站。這些地電觀測(cè)站能直接記錄區(qū)域產(chǎn)生的地電場(chǎng)，該數(shù)據(jù)是地磁擾動(dòng)與大地電性結(jié)構(gòu)的結(jié)合。無需對(duì)地球磁場(chǎng)和地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，實(shí)測(cè)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)包括了礦物和地下流體間的電化學(xué)相互作用、地下溫度梯度引起的熱電機(jī)制、海洋潮汐引起的運(yùn)動(dòng)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)變化等信息。相比利用數(shù)值計(jì)算方法估算GIC，直接使用地電場(chǎng)數(shù)據(jù)能夠顯著提高GIC估算的精度和運(yùn)算效率^[77]。

然而，地理位置和環(huán)境等因素的限制使得地電場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備無法廣泛而自由地建立，這導(dǎo)致許多地區(qū)無法獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在遠(yuǎn)離測(cè)量位置的地方，只能通過插值方式計(jì)算地電場(chǎng)，不可避免地會(huì)引入誤差。相比之下，數(shù)學(xué)算法更具靈活性，能夠廣泛應(yīng)用于大范圍的GIC估算中。因此，在局部估算中使用地電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠獲得更好的結(jié)果，但在研究工區(qū)范圍較大時(shí)建議使用數(shù)學(xué)算法進(jìn)行求解。

5 總結(jié)與展望

本文全面探討了GIC的生成機(jī)制、潛在危害以及交叉學(xué)科對(duì)其研究的影響，并詳細(xì)討論了各學(xué)科領(lǐng)域中GIC的研究進(jìn)展。GIC的形成涉及空間物理、地球物理和電氣工程三門交叉學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)。這3個(gè)領(lǐng)域分別派生出3個(gè)重要的研究方向，即GIC的預(yù)測(cè)（空間物理領(lǐng)域）、GIC的精確估算（地球物理領(lǐng)域）以及GIC的災(zāi)害防控（電氣工程領(lǐng)域）。就其對(duì)GIC的影響程度而言，地球物理學(xué)科的貢獻(xiàn)最為顯著。

目前，在空間物理領(lǐng)域，許多國(guó)家已建立了完善的地磁臺(tái)站網(wǎng)，用于長(zhǎng)期記錄地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并監(jiān)測(cè)其變化。與模擬地磁擾動(dòng)相比，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地反映地球磁場(chǎng)，降低對(duì)GIC估算精確度的影響。電氣工程學(xué)科主要關(guān)注電網(wǎng)參數(shù)。一旦電網(wǎng)建設(shè)完成，內(nèi)部參數(shù)通常保持不變。因此該領(lǐng)域?qū)IC的影響較為確定。

地球物理學(xué)科主要關(guān)注地下電性結(jié)構(gòu)及其地表阻抗響應(yīng)等因素。要獲得觀測(cè)阻抗數(shù)據(jù)，通常需要投入大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。研究人員通?；诠_發(fā)表的地下電性結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法計(jì)算地表阻抗理論數(shù)據(jù)；不過由于該地下電性結(jié)構(gòu)是對(duì)真實(shí)世界的近似，其模擬結(jié)果存在不確定性。大地電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，無論采用何種方法，都難以完全模擬真實(shí)情況，導(dǎo)致地球物理資料在很大程度上影響著GIC估算的精度。

因此，本文著重闡述了地球物理學(xué)科在GIC研究中的作用。該學(xué)科領(lǐng)域的參數(shù)主要是電阻率模型，不同維度的電阻率模型能夠提供不同精度的GIC估算值。發(fā)展過程從起初的一維電阻率模型到現(xiàn)今的三維電阻率模型，GIC的估算精度也在不斷提高。這得益于該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)革新，尤其是大地電磁測(cè)深法等方法技術(shù)，為推動(dòng)GIC研究做出了重要的貢獻(xiàn)。

未來，隨著電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，GIC研究將面臨新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。在應(yīng)對(duì)太陽活動(dòng)的不確定性方面，我們需要強(qiáng)化對(duì)極端磁暴的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，為災(zāi)害防治部門提供足夠的響應(yīng)時(shí)間。例如：采用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)分析大量地磁數(shù)據(jù)和太陽活動(dòng)數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)地磁暴的跡象并預(yù)測(cè)可能的影響；使用空間天氣預(yù)報(bào)模型來模擬太陽風(fēng)和地球磁場(chǎng)之間的相互作用，預(yù)測(cè)地磁暴的發(fā)生；利用太空衛(wèi)星監(jiān)測(cè)地球磁場(chǎng)的變化，進(jìn)而監(jiān)測(cè)地磁暴的跡象等。同時(shí)，建立更準(zhǔn)確的電磁場(chǎng)模型并科學(xué)地預(yù)測(cè)GIC的分布和強(qiáng)度有助于改進(jìn)電力系統(tǒng)的保護(hù)和響應(yīng)策略。此外，鑒于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的日益復(fù)雜，即使微小的擾動(dòng)也可能引發(fā)嚴(yán)重后果，我們必須考慮更為復(fù)雜的大地電性結(jié)構(gòu)，例如地下介質(zhì)的各向異性?？傊?，綜合考慮各交叉學(xué)科的影響與作用將有助于相關(guān)人員理解和解決GIC可能帶來的危害。

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