廊坊、富克地磁台观测数据分析

王 晶 程永宏 师立勤

（中国北京100190中国科学院国家空间科学中心）

廊坊、富克地磁台观测数据分析

王 晶 程永宏 师立勤

（中国北京100190中国科学院国家空间科学中心）

通过将廊坊、富克地磁台站数据与国内地磁台站十三陵、三亚台以及国际标准地磁台站MMB台的观测数据对比分析，发现各地磁台站数据变化幅度相近、相关性高，对地磁暴有明显响应，且磁暴期间各时段扰动幅度相近。同时，以高质量地磁数据为基础，采用快速傅里叶变换，对廊坊与富克地磁台站的地磁观测数据开展地磁脉动提取，研究发现，两个台站在地磁暴期间均能观测到明显的Pi1、Pi2、Pc5地磁脉动，且Pc5的持续时间、平均强度、变化幅度和Pi1的持续时间、变化幅度及Pi2的变化幅度均有明显增加，为今后开展地磁脉动与高能电子增强事件相关性研究奠定了基础。

地磁数据；地磁脉动；地磁暴；傅里叶变换

0 引言

为了实时获取地磁扰动状态，构建自主地磁扰动指数，中国科学院空间环境预报中心建设廊坊地磁台与富克地磁台，分别于2011年11月与2012年2月选址勘探，并于2013年7月正式运行，实时监测地磁场变化。

廊坊地磁台与富克地磁台选取合理背景噪声、24小时无噪声干扰源、背景磁场梯度小于1 nT/m的场地进行建设。建设过程中严格遵守《地磁台站建设规范》，材料选用无磁材料，全程进行材料磁性监测。两个台站均建有绝对观测亭、相对记录室、方位标、电器室，并配备国产GM4磁通门磁力仪、乌克兰LEMI25磁通门磁力仪、Overhauser磁力仪、核旋仪与磁通门经纬仪。为实现地磁监测台站数据管理的业务化运行，台站配置3个软件：①运行监控软件，主要实现仪器管理、实时曲线展示、用户管理功能；②数据采集软件，主要实现采集数据，数据预处理功能；③数据传输软件，实现传输数据等功能。

本文主要分析两个地磁台站的地磁观测数据，并与国内、国际台站进行对比分析，为空间环境预报提供高质量地磁数据奠定基础，同时进行磁暴前后地磁脉动特性分析，为研究地磁脉动与高能电子暴关系奠定基础。

1 地磁数据质量分析

地磁观测数据质量的好坏直接影响数据应用，在此对廊坊、富克地磁台站观测数据进行质量分析。

1.1 相关性对比分析

廊坊与富克地磁台主要提供地磁H、D、Z三分量与地磁总场F的秒数据。目前2个台站均能提供2013年7月至今的地磁观测数据。为了综合分析数据在地磁平静期的变化与地磁暴期间的响应，选取发生过2次磁暴事件的2013年10月地磁观测数据作为分析样本。廊坊与富克地磁台的原始数据为秒数据，处理为分钟值数据后，分别与纬度相近的十三陵、三亚地磁台分钟值数据进行对比分析，结果见图1。

图1 2013年10月4个台站地磁数据对比Fig.1 The comparison of four stations’ geomagnetic data in Oct., 2013

从图1可以看出，廊坊与十三陵地磁台、富克与三亚地磁台的H、D、Z、F在地磁平静期间变化幅度相近，且H分量对磁暴有明显响应，下降幅度相近。为了进一步分析观测数据质量，对数据样本进行相关性分析，发现廊坊与十三陵地磁台的H、D、Z、F相关系数达0.9以上，富克与三亚地磁台的H、D、F相关系数也达0.9以上，Z分量相关系数约0.8。

为了细化分析地磁台站观测数据质量，将廊坊、富克台秒数据与国际标准地磁台站——日本的Memambetsu台秒数据进行对比分析。由于秒数据量比较大，为了能细致对比数据变化幅度，只选择2013年8月15日—17日数据作为分析样本，对比曲线见图2。

图2 2013年8月15日—17日廊坊、富克与日本MMB台站数据对比Fig.2 The comparison between geomagnetic data of Langfang, Fuke and MMB stations’ from Oct.15 to 17 in 2013

从图2可以看出，廊坊、三亚地磁台与MMB台的H、D、Z、F变化幅度相近，且在8月16日地磁暴发生时，3个台站的H分量下降幅度相近。相对三亚地磁台，廊坊与MMB台纬度位置更接近，所以地磁变化更相近。

综上所述，廊坊、富克地磁台与以上3个地磁台站观测数据相关性高，变化幅度相近，且对磁暴均有明显响应，表明2个台站与标准台站的地磁观测数据基本一致。

1.2 磁暴事件分析

磁暴发生时，地磁H分量变化幅度最大，所以一般从H分量变化中提取地磁脉动，因此H分量数据好坏直接影响地磁脉动的提取工作。采用克利时序叠加法，得到地磁平静期的Sq、L变化，3小时磁扰幅度由H分量变化减去Sq和L变化后的纯磁扰曲线最高值和最低值来确定（徐文耀，2009）。针对2013年10月2日磁暴事件对廊坊、富克地磁台H分量进行纯扰动变化分析，并与十三陵、三亚地磁台数据进行对比，纯扰动幅度曲线见图3，具体数值见表1。

从图3和表1可知，廊坊与富克地磁台H分量对10月2日地磁暴均有明显响应，且在磁暴期间，4个台站变化趋势基本一致，且廊坊与十三陵地磁台、富克与三亚地磁台在各时段扰动幅度基本相近。

图3 2013年10月2日4个台站H分量纯扰动幅度Fig.3 TheH-component disturbance of four stations on Oct.2 in 2013

表1 2013年10月2日4个台站各时段H分量纯扰动幅度Table 1 The disturbance ofH-component at all periods of four stations on Oct.2 in 2013

1.3 噪声分析

地磁脉动振幅为百分之几到几百nT，如果H分量数据本身噪声过大，那么地磁脉动将淹没在噪声中而无法提取，所以噪声分析是检测地磁数据质量的重要环节。

在2013年8月29日（最大Kp= 1）00:00—04:00时间段中随机选取10段连续10 s的地磁观测数据，分别计算峰峰值和均方根（RMS），然后计算10次峰峰值和RMS值的平均值，作为此时测试点的峰峰值和RMS背景噪声（王晓美等，2008）。廊坊、富克地磁台与国际标准台站——日本MMB台噪声做对比分析，具体数值见表2。

表2 廊坊、富克、MMB台站噪声分析Table 2 The noise analysis of Langfang, Fuke and MMB stations

从表2可知，廊坊与富克地磁台地磁场变化记录基本达到峰峰值0.2 nT、均方根0.07的精度，相对MMB台站而言噪声较大，但观测环境基本满足地磁变化观测台站要求。因此，可以利用廊坊与富克地磁台地磁观测数据提取地磁脉动。

综上所述，廊坊、富克地磁台与标准台站的观测数据变化幅度相近，相关性较高；对地磁暴有明显响应，磁暴期间H分量的扰动幅度与标准台站相近，且噪声达到基本要求。由此表明，廊坊与富克地磁台观测数据质量较好，可以为空间环境预报服务提供良好的地磁数据。

2 地磁脉动提取

地磁脉动是太阳活动引起的一种短周期磁场扰动变化，与磁暴、亚暴、湾扰、磁层内带电粒子变化及太阳活动等一系列现象密切相关。根据地磁脉动的产生机制和能量传输过程，可以利用地磁脉动来监测、预报地磁暴和亚暴及地球同步轨道相对论电子通量。地磁脉动主要分为2大类共9种脉动。第1类称为连续脉动，可细分为Pc1—Pc6；第2类称为不规则脉动，可细分为Pi1—Pi3。研究表明，以上9种脉动中Pc5、Pi1、Pi2脉动与亚暴、磁暴、高能电子暴关系密切（Meradith et al，2002；O’Brien et al，2002；李柳元等，2005；李柳元等，2006），在此重点研究此3种脉动。

2.1 提取方法对比

目前主要滤波方法有希尔伯特—黄变换、小波分析、快速傅里叶变换。希尔伯特—黄变换是一种较新的滤波方法，缺少严格的数学论证，具有较大缺陷（张敏，2012）；小波分析可以分析信号局部特征，可任意放大平移并对其特征进行提取；快速傅里叶变换是一种对信号进行频谱分析的传统方法，具有较高的确定性与稳定性。因此，选取2013年10月2日地磁观测数据作为短期样本，分别采取快速傅里叶变换与小波分析进行滤波处理，对比两种方法优缺点，确定选用何种方法进行地磁脉动提取。

2.1.1 快速傅里叶变换。受日冕物质抛射到达地球的影响，2013年10月2日地磁有12个小时达到磁暴水平，最大Kp=6。针对此次事件，采用快速傅里叶变换分别对廊坊与富克地磁台观测数据进行滤波分析，结果见图4。

图4 2013年10月2日地磁脉动变化(a)廊坊台站； (b)富克台站Fig.4 The geomagnetic pulsations on Oct.2 in 2013

从图4可以看出：10月2日磁暴发生时，廊坊、富克地磁台站明显观测到Pc5、Pi1、Pi2地磁脉动，3种脉动持续时间均长达几小时；Pc5脉动最大振幅廊坊台约30 nT，富克台约20 nT，Pi1脉动最大振幅廊坊台约2 nT，富克台约1 nT，Pi2脉动最大振幅廊坊台约10 nT，富克台约8 nT。

2.1.2 小波分析。针对地磁数据的一维分布特性，采用Meyer小波进行数据分析。Meyer小波表达式为

其中

对2013年10月2日廊坊、富克地磁台Pi1、Pi2、Pc5脉动进行小波滤波分析，频率范围分别在0.025—1 mHz、0.006 7—0.025 mHz、0.001 67—0.067 mHz，对应Meyer小波尺度分别为1—28、28—103、103—400，分析结果见图5。

图5 2013年10月2日廊坊、富克台站Pi1、Pi2、Pc5地磁脉动小波分析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

由图5滤波结果可知，磁暴期间廊坊、富克地磁台均观测到明显的Pi2、Pc5变化，且尺度越大（频率越小），变化越明显，未观测到明显的Pi1脉动。然而，由于Meyer小波分析最大尺度为264，而Pc5脉动只能在103—264尺度范围进行滤波，有一定局限性，滤波结果并未完全体现磁暴期间Pc5脉动特性，可见小波滤波方法具有一定局限性。

2.2 地磁脉动提取

由以上对比结果可知，小波分析方法具有局限性，因此选用快速傅里叶变换进行地磁脉动提取。研究发现，Pc5、Pi1地磁脉动对高能电子增强事件响应较好，在此主要针对两种脉动进行提取。每天计算1次Pc5与Pi1脉动的持续时间及Pc5平均强度（何甜等，2009），且对地磁脉动给定一个起始阈值和结束阈值，当地磁脉动振幅大于起始阈值时即认为此脉动开始发生，当振幅小于结束阈值时即认为此脉动结束。表3为给定的廊坊、富克地磁台2种地磁脉动阈值范围。在此选取2014年6—7月廊坊、富克地磁台观测数据作为长期样本，采用快速傅里叶变换进行地磁脉动提取，见图6。

图6 2014年6—7月廊坊、富克地磁台Pc5、Pi1脉动提取(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 不同种类脉动的起始和结束阈值Table 3 The beginning and ending threshold of all geomagnetic pulsations

从图6可以看出，在磁暴期间，廊坊、富克地磁台的 Pc5持续时间增强到几小时，比平静期增加几倍；其平均强度增强到十几nT，比平静期增加几十倍； Pi1持续时间比平静期间增强几倍。

3 结论

综上所述，廊坊、富克地磁台站的地磁观测数据与标准地磁台站数据变化一致，相关性高，对地磁暴有明显响应，且在磁暴期间，H分量的扰动幅度与标准台站相近，噪声小，观测数据质量较高。以两个台站地磁观测数据为基础，对比分析快速傅里叶变换与Meyer小波滤波方法，最终选取快速傅里叶变换进行滤波。研究发现，两个台站在地磁暴期间均能观测到明显的Pi1、Pi2、Pc5地磁脉动，且Pc5持续时间、平均强度、变化幅度与Pi1的持续时间、变化幅度及Pi2的变化幅度均有明显增加，比平静期间增强几倍至几十倍。今后将对地磁脉动与地磁暴、亚暴、高能电子暴等空间天气事件的关系做进一步研究。

参考文献

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Meradith N P, Horne R B, Iles R H A, et al.Quter zone relativistic electron acceleration associated with substorm enhanced whistler mode chorus[J].J Geophys Res（Space Physics）, 2002, 107（A7）: SMP 29-1, CiteID 1144, doi:10.1029/2011JA900146.

O’Brien T P, Lorentzen K R, Mann I R, et al.Energization of relativistic electron in the presence of ULF power and MeV microbursts: evidence for dual ULF and VLF acceleration[J].J Geophys Res, 2002, 108（A8）: SMP 11-1, CiteID 1 329, doi: 10.1029/2002- JA009784.

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，Fourier transform

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.009

王晶（1978—），女，辽宁人，博士，中国科学院国家空间科学中心助理研究员，主要研究方向为空间环境预报与研究。E-mail： jwang@nssc.ac.cn

自然科学基金项目（项目编号：11503063）

本文收到日期：2016-03-02