明陵地磁台日变日变化特征及谐波分量的分解

明陵地磁台日变日变化特征及谐波分量的分解

1sq分析方法地磁场由稳定磁体和变化磁体组成。稳定磁体主要来自地球内部，是一种非常缓慢变化的磁体，变化磁体主要来自地球外部，是一个重叠在稳定磁体上的短期磁体。变化磁场中,太阳静日变化Sq又占主要部分,Sq可从磁照图上直接看出来,具有重要的理论意义和实用价值。已有多篇文章探讨了Sq的分析方法,并对其特征进行了分析。文献用最小二乘法对Sq变化规律进行了探讨,并评定了其拟合精度;文献、讨论了Sq的时间变异性及逐日变化;文献探讨了Sq电流体系不对称的缘由;文献利用南极长城站冬季地磁数据分析发现,南极地区Sq是由8h以下的较短周期谐波构成;文献讨论了地磁数据分析中的一些方法,包括时间序列的多项式拟合、相关性分析、频谱分析等;文献、、建立了Sq电流体系的球谐模型,并分离出引起Sq的内场源和外场源。本文以国际地磁台网中心(INTERMAGNET)提供的北京明陵地磁台2010年全年观测数据分析Sq变化特征。2sq日变宽和相位变化特征2.1磁情指数k值的计算地磁台获得的数据包含所有构成地磁场的成分,而Sq只是其中一个极小部分,通常采用统计分析的方法从地磁数据中提取Sq成分。文献数学推导了统计分析法的原理:想方设法使需求的周期性变化为同相位叠加,以突出需求的周期段的变化;相反,使不需要的变化为移动一个相位后叠加,称为移位叠加,以削弱不需要的周期变化。反复叠加数次后,可消除不需要的周期变化,因此通常用全年磁静日的年均值来表示稳定磁场,磁静日的观测值减去稳定磁场即为太阳静日变化Sq。用国际地磁台网中心提供的kasm软件计算每天磁情指数K。磁情指数K是指:把一天按3h分成8个时段,以每个时段的磁扰程度将K指数划分为0～9共10个等级,每个等级之间成近似对数关系。把每日磁情指数的最大值Kmax≤3且平均值Kavg≤2.5的日子称为磁静日,据此计算的北京地区2010年有299天为磁静日。2.2sq的日变幅度Sq的时间变化特征主要表现在强度变化上,即日变幅度(极大值与极小值之差)。选取全年299天磁静日每天的北分量X、东分量Y和垂直分量Z的日变幅度按春秋季(3,4,9,10月)、夏季(5,6,7,8月)和冬季(1,2,11,12月)分段进行统计,计算出均值M和标准偏差S,见表1。从表中可以看出:Sq的日变幅度具有明显的季节变化。X、Z分量日变幅度的均值在春秋季略小于夏季,而Y方向均值在春秋季远小于夏季,各分量日变幅度的均值在冬季最小;X、Z方向分量日变幅度的标准偏差在3个季节差异不大,但Y方向的标准偏差差异明显。2.3月内x、z极小值的季节和季节统计结果Sq的空间分布特征主要表现在相位变化上,即Sq极值点出现的时间位置上。图1是X、Z分量极大值和极小值出现次数的全年统计结果。从中可以看出X、Z极小值的时间主要出现在凌晨2时～6时。出现极大值的时间主要集中在太阳升起的7时～10时和深夜22时～次日1时。进一步对X分量极大值出现的时间按季节统计,见图2。X在春秋季、冬季比较相似,主要集中在7时～9时,20时～次日1时,而在夏季极大值出现的时间波动性较大,白天各个时段都有。3sq的周期特性与谐波次数的确定太阳静日变化是典型的平静变化、规则变化。它的源是电离层中持续存在的、比较固定的电流体系。因地球自转,台站相对于Sq电流体系的位置呈周期性变化,故造成了Sq变化具有24h周期、昼强夜弱的特点。图3列出了冬季X、Y、Z变化曲线图,从中可以看出Sq两个显著特征:一是各分量呈现出以一个太阳日为周期的周期变化;二是Sq变化依赖于地方时,0时～10时变化强,其余时间变化缓慢。尽管Sq具有周期特性,但却不是一个简单的三角函数,可用调和分析方法分解成各次谐波的叠加。将其展开成傅里叶级数:f(x)=a0+∑n=1∞(ancosnx+bnsinnx)(1)式中,a0为f(x)在一个周期内的平均值,根据文献的证明,平均值a0=0。对周期为24h的Sq,做变换x=2π24t,则转换成周期为2π的函数,将其带入式(1)得:f(t)=∑n=1∞Ancos(2π24nt−φn)(2)式中,An=a2n+b2n−−−−−−√为各次谐波的振幅;φn=arctan(bn/an)为各次谐波的相位。由此可将Sq转化成周期为24/n小时(n为谐波次数)的一系列谐波分量之和,A2n为各谐波的能量。表2给出图3中冬季X分量的周期(谐波次数)—能量表,从中看出2次谐波的能量最大,对于Sq来说能量主要集中在1～3次谐波上,9次以上谐波能量接近于0,即Sq的形态主要由周期为24h、12h、8h的谐波决定。图4是用1～3次谐波按式(2)重构的冬季X分量曲线图。4太阳日变化的一般特征通过对日变幅度、相位变化的分析以及调和分析可以得出以下结论:(1)北京地区太阳静日变化特征同其他地区一样,依赖太阳日呈现周期性的连续变化,且随太阳