明陵地磁臺日變日變化特征及諧波分量的分解

1sq分析方法地磁場由穩定磁體和變化磁體組成。穩定磁體主要來自地球內部，是一種非常緩慢變化的磁體，變化磁體主要來自地球外部，是一個重疊在穩定磁體上的短期磁體。變化磁場中,太陽靜日變化Sq又占主要部分,Sq可從磁照圖上直接看出來,具有重要的理論意義和實用價值。已有多篇文章探討了Sq的分析方法,并對其特征進行了分析。文獻用最小二乘法對Sq變化規律進行了探討,并評定了其擬合精度;文獻、討論了Sq的時間變異性及逐日變化;文獻探討了Sq電流體系不對稱的緣由;文獻利用南極長城站冬季地磁數據分析發現,南極地區Sq是由8h以下的較短周期諧波構成;文獻討論了地磁數據分析中的一些方法,包括時間序列的多項式擬合、相關性分析、頻譜分析等;文獻、、建立了Sq電流體系的球諧模型,并分離出引起Sq的內場源和外場源。本文以國際地磁臺網中心(INTERMAGNET)提供的北京明陵地磁臺2010年全年觀測數據分析Sq變化特征。2sq日變寬和相位變化特征2.1磁情指數k值的計算地磁臺獲得的數據包含所有構成地磁場的成分,而Sq只是其中一個極小部分,通常采用統計分析的方法從地磁數據中提取Sq成分。文獻數學推導了統計分析法的原理:想方設法使需求的周期性變化為同相位疊加,以突出需求的周期段的變化;相反,使不需要的變化為移動一個相位后疊加,稱為移位疊加,以削弱不需要的周期變化。反復疊加數次后,可消除不需要的周期變化,因此通常用全年磁靜日的年均值來表示穩定磁場,磁靜日的觀測值減去穩定磁場即為太陽靜日變化Sq。用國際地磁臺網中心提供的kasm軟件計算每天磁情指數K。磁情指數K是指:把一天按3h分成8個時段,以每個時段的磁擾程度將K指數劃分為0～9共10個等級,每個等級之間成近似對數關系。把每日磁情指數的最大值Kmax≤3且平均值Kavg≤2.5的日子稱為磁靜日,據此計算的北京地區2010年有299天為磁靜日。2.2sq的日變幅度Sq的時間變化特征主要表現在強度變化上,即日變幅度(極大值與極小值之差)。選取全年299天磁靜日每天的北分量X、東分量Y和垂直分量Z的日變幅度按春秋季(3,4,9,10月)、夏季(5,6,7,8月)和冬季(1,2,11,12月)分段進行統計,計算出均值M和標準偏差S,見表1。從表中可以看出:Sq的日變幅度具有明顯的季節變化。X、Z分量日變幅度的均值在春秋季略小于夏季,而Y方向均值在春秋季遠小于夏季,各分量日變幅度的均值在冬季最小;X、Z方向分量日變幅度的標準偏差在3個季節差異不大,但Y方向的標準偏差差異明顯。2.3月內x、z極小值的季節和季節統計結果Sq的空間分布特征主要表現在相位變化上,即Sq極值點出現的時間位置上。圖1是X、Z分量極大值和極小值出現次數的全年統計結果。從中可以看出X、Z極小值的時間主要出現在凌晨2時～6時。出現極大值的時間主要集中在太陽升起的7時～10時和深夜22時～次日1時。進一步對X分量極大值出現的時間按季節統計,見圖2。X在春秋季、冬季比較相似,主要集中在7時～9時,20時～次日1時,而在夏季極大值出現的時間波動性較大,白天各個時段都有。3sq的周期特性與諧波次數的確定太陽靜日變化是典型的平靜變化、規則變化。它的源是電離層中持續存在的、比較固定的電流體系。因地球自轉,臺站相對于Sq電流體系的位置呈周期性變化,故造成了Sq變化具有24h周期、晝強夜弱的特點。圖3列出了冬季X、Y、Z變化曲線圖,從中可以看出Sq兩個顯著特征:一是各分量呈現出以一個太陽日為周期的周期變化;二是Sq變化依賴于地方時,0時～10時變化強,其余時間變化緩慢。盡管Sq具有周期特性,但卻不是一個簡單的三角函數,可用調和分析方法分解成各次諧波的疊加。將其展開成傅里葉級數:f(x)=a0+∑n=1∞(ancosnx+bnsinnx)(1)式中,a0為f(x)在一個周期內的平均值,根據文獻的證明,平均值a0=0。對周期為24h的Sq,做變換x=2π24t,則轉換成周期為2π的函數,將其帶入式(1)得:f(t)=∑n=1∞Ancos(2π24nt?φn)(2)式中,An=a2n+b2n??????√為各次諧波的振幅;φn=arctan(bn/an)為各次諧波的相位。由此可將Sq轉化成周期為24/n小時(n為諧波次數)的一系列諧波分量之和,A2n為各諧波的能量。表2給出圖3中冬季X分量的周期(諧波次數)—能量表,從中看出2次諧波的能量最大,對于Sq來說能量主要集中在1～3次諧波上,9次以上諧波能量接近于0,即Sq的形態主要由周期為24h、12h、8h的諧波決定。圖4是用1～3次諧波按式(2)重構的冬季X分量曲線圖。4太陽日變化的一般特征通過對日變幅度、相位變化的分析以及調和分析可以得出以下結論:(1)北京地區太陽靜日變化特征同其他地區一樣,依賴太陽日呈現周期性的連續變化,且隨太陽