基于中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)的太陽(yáng)靜日期間地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度分析

趙旭東， 何宇飛*， 李琪， 劉曉燦

1 中國(guó)地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心， 北京 100081

0 引言

地磁場(chǎng)的日變化特別是在太陽(yáng)靜日期間主要由Sq電流所引起(Stening et al., 2005a, b).Sq電流存在于電離層中，并且具有一個(gè)較為規(guī)則的24 h變化周期(Orlando et al., 1993).它主要是由電離層中的潮汐風(fēng)發(fā)電機(jī)作用產(chǎn)生(Richmond et al., 1976; Takeda, 1984).在地球的中、低緯度地區(qū)，Sq電流體系主要由向日面位于赤道南北兩側(cè)的兩個(gè)電流渦組成.北半球的電流渦逆時(shí)針流動(dòng)，而南半球的電流渦順時(shí)針流動(dòng)(Hibberd, 1981).Sq電流渦的中心通常出現(xiàn)在地方時(shí)的11∶30左右，并分別位于南北緯30°附近(徐文耀, 2003).

由于Sq電流體系的分布特征，地面臺(tái)站記錄到的地磁場(chǎng)各個(gè)分量的日變化表現(xiàn)有所不同.其導(dǎo)致水平分量H最直接的表現(xiàn)為在地方時(shí)中午附近低緯地區(qū)的H分量會(huì)顯著增加，而中緯地區(qū)的H分量會(huì)顯著減小(Hibberd, 1981). Sq電流體系焦點(diǎn)的位置可以用H分量的變化來進(jìn)行追蹤，H分量變化幅度為零的緯度位置即為Sq電流體系焦點(diǎn)所處緯度(Butcher and Brown, 1981).應(yīng)用地磁場(chǎng)H分量，許多學(xué)者研究了Sq電流體系焦點(diǎn)位置的逐日變化(Hasegawa, 1960; Brown and Williams, 1969; Hibberd and Davidson,1988). Sq電流體系引起的地磁場(chǎng)Y分量變化在中緯地區(qū)也是非常明顯的，而且相較于其他地磁場(chǎng)分量，Y分量對(duì)于地磁場(chǎng)中一些擾動(dòng)變化的影響并不是特別敏感(Takeda, 2013a).基于Y分量的這一特點(diǎn)，Takeda(2002)分析了Sq變化幅度與電離層電導(dǎo)率的相關(guān)性，并認(rèn)為對(duì)于某一固定月份，Sq變化幅度對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)的依賴幾乎可以完全歸因于該區(qū)域電離層電導(dǎo)率的影響.Takeda (2013a)進(jìn)一步將地磁場(chǎng)Y分量與國(guó)際參考電離層模型(IRI)進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)Sq電流體系引起的地磁場(chǎng)變化可以全部來自于電離層電導(dǎo)率的影響.而且，地磁場(chǎng)Y分量還受Sq發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的南北半球間場(chǎng)向電流的影響，由此可以解釋Sq變化磁場(chǎng)中Y分量與其他地磁場(chǎng)分量相異的季節(jié)變化(Fukushima, 1979; Yamashita and Iyemori, 2002; Park et al., 2011; Takeda, 2013b).

地磁場(chǎng)Z分量可以直接近似代表Sq電流體系的位型、強(qiáng)度及空間分布，相比于Y分量，Z分量對(duì)局部區(qū)域的磁場(chǎng)變化表現(xiàn)的更加敏感(Takeda, 2013a).Z分量的這一特點(diǎn)使其適用于研究Sq變化磁場(chǎng)的區(qū)域特征.地下電導(dǎo)率的不規(guī)則分布會(huì)在Sq變化磁場(chǎng)中產(chǎn)生局部異常，而該異常似乎對(duì)Z分量的影響大于X和Y分量(Hasegawa, 1960; 袁桂平等, 2018).基于Z分量的這一特點(diǎn)，地磁場(chǎng)日變化中的Z分量在地震研究中得到了廣泛應(yīng)用.通常認(rèn)為，地磁場(chǎng)垂直分量Z與地下的介質(zhì)密切相關(guān)，而在地震發(fā)生前Z分量日變化幅度會(huì)產(chǎn)生異常(馮志生等, 2005).應(yīng)用空間相關(guān)分析方法，地磁場(chǎng)Z分量的日變化異常可以被提取出來(林美和沈斌, 1982).其他方法如加卸載響應(yīng)比，也證實(shí)了在提取地震前異常信號(hào)時(shí)地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的重要性(曾小蘋等, 1996; 馮志生等, 2000).

雖然許多地震研究是基于地磁場(chǎng)Z分量日變化異常進(jìn)行的分析，但與H或Y等其他分量相比，地磁場(chǎng)Z分量對(duì)于Sq變化磁場(chǎng)的研究相對(duì)較少，尤其是在中國(guó)地區(qū).Z分量更適合反映Sq變化磁場(chǎng)的局部特征.本文將不再分析地磁場(chǎng)Z分量與地震的關(guān)系，我們將主要深入研究中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)Z分量在太陽(yáng)平靜時(shí)期的變化特征.這一工作可以為使用地磁場(chǎng)Z分量進(jìn)行異常分析的研究人員提供相關(guān)的背景參考信息.本文將首先對(duì)中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)Z分量在太陽(yáng)活動(dòng)高低年不同月份的日變化幅度進(jìn)行分析.其次，應(yīng)用2008年以來的中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)靜日期間地磁場(chǎng)Z分量12年的季節(jié)變化進(jìn)行研究.最后，將云南地區(qū)地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度與東南部地區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析，并討論電離層電導(dǎo)率、中性風(fēng)和地下電導(dǎo)率對(duì)分析結(jié)果可能的影響原因.

1 數(shù)據(jù)及分析方法

地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度是中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)(Geomagnetic Network of China, 簡(jiǎn)稱GNC)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)產(chǎn)品.在“中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)”項(xiàng)目的支持下，中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)于2007年完成了數(shù)字化改造(Zhang et al., 2016).經(jīng)過嚴(yán)格的地磁數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，GNC可以在48 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)從地磁臺(tái)站觀測(cè)到數(shù)據(jù)產(chǎn)品的發(fā)布(Xin and Zhang, 2011; Zhang and Yang, 2011).本文所使用的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度數(shù)據(jù)全部來自于GNC，包括覆蓋全國(guó)的大約130個(gè)具有連續(xù)和高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)的地磁臺(tái)站，時(shí)間尺度為從2008年至2019年共12年.圖1為本文使用數(shù)據(jù)所涉及地磁臺(tái)站的分布圖，圖中的五角星表示臺(tái)站所處位置，并標(biāo)注了臺(tái)站代碼.

圖1 地磁臺(tái)站分布圖Fig.1 The distribution of geomagnetic stations

地磁場(chǎng)日變化幅度是通過計(jì)算每個(gè)地磁分量每天在0600LT到1800LT之間最大值和最小值之間的差值得到.圖2為以河北紅山地磁臺(tái)(LYH，37.4°N，114.7°E)為例，展示的是2017年3月18日三軸磁通門磁力儀GM-4記錄的Z分量分鐘值數(shù)據(jù)的日變化情況.由于電離層電導(dǎo)率在夜間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白天，因此在研究地磁場(chǎng)日變化時(shí)通常選取夜間觀測(cè)值作為基值(Takeda, 1984).如圖2所示，Z分量分鐘值數(shù)據(jù)已經(jīng)消除了由子夜均值(0000—0300LT)計(jì)算得到的基值.由于所處日期為太陽(yáng)靜日，位于北半球的地磁臺(tái)站觀測(cè)到的地磁場(chǎng)Z分量會(huì)在接近正午出現(xiàn)一個(gè)最小值.

圖2 太陽(yáng)靜日地磁場(chǎng)Z分量日變化Fig.2 The daily variation of Z component on solar quiet day

如公式(1)所示，地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度(ΔZ)為Z分量日變化曲線中的最大值(Zmax)與最小值(Zmin)之差.

ΔZ=Zmax-Zmin.

(1)

根據(jù)國(guó)際地磁太陽(yáng)靜日列表，對(duì)于每一個(gè)臺(tái)站，每月最平靜5天靜日的ΔZ做平均來代表該月的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度，用ΔZm來表示.ΔZm可以由公式(2)來計(jì)算得到，式中的ΔZi表示一個(gè)月中每一靜日的ΔZ.國(guó)際地磁太陽(yáng)靜日列表來自日本京都大學(xué)的世界地磁數(shù)據(jù)中心(World Data Center for Geomagnetism).

(2)

為了對(duì)地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度進(jìn)行季節(jié)變化分析，我們引入了勞埃德季節(jié)(Lloyd′s season).在地磁學(xué)中，通常使用勞埃德季節(jié)來替代傳統(tǒng)的四季劃分法，即一年分為3個(gè)季節(jié)：3月、4月、9月和10月是分點(diǎn)月份(春分和秋分)，用E表示；5月、6月、7月和8月是夏至點(diǎn)月份，用J表示；11月、12月、1月和2月是冬至點(diǎn)月份，用D表示(徐文耀, 2003).對(duì)于每一個(gè)臺(tái)站，地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的季節(jié)變化可以由公式(3)計(jì)算得到，并用ΔZs來表示.式中的ΔZmi為每個(gè)勞埃德季節(jié)中每個(gè)月的ΔZm，而ΔZs即為每個(gè)勞埃德季節(jié)中每四個(gè)月ΔZm的平均值，可以用來分析第24太陽(yáng)周中從2008年至2019年12年期間地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的季節(jié)變化.

(3)

應(yīng)用以上方法，我們將對(duì)中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的月變化、季節(jié)變化以及年變化情況進(jìn)行研究，并對(duì)位于不同地區(qū)的Z分量日變化幅度差異進(jìn)行對(duì)比分析.

2 結(jié)果分析

2.1 Z分量日變化幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高低年的對(duì)比

在地磁太陽(yáng)靜日期間，地磁場(chǎng)的日變化主要由Sq電流體系引起.Sq電流體系的產(chǎn)生與太陽(yáng)密切相關(guān)，因此太陽(yáng)活動(dòng)將直接對(duì)Sq電流體系產(chǎn)生影響(Rastogi and Iyer, 1976; Takeda, 2002; 趙旭東等, 2014).根據(jù)太陽(yáng)表面太陽(yáng)黑子出現(xiàn)的頻率和平均數(shù)量，太陽(yáng)活動(dòng)的周期大約為11年(Usoskin et al., 2009).圖3顯示的是從2008年至2019年太陽(yáng)黑子的變化情況.圖中的曲線是經(jīng)過月平滑的太陽(yáng)黑子數(shù)分布.它是由以相應(yīng)月份為中心取前后共13個(gè)月的每月太陽(yáng)黑子數(shù)，通過計(jì)算滑動(dòng)平均值而得到，目前已成為用來常規(guī)定義太陽(yáng)周期中活動(dòng)最小和最大時(shí)間點(diǎn)的基本標(biāo)準(zhǔn)(http:∥sidc.be/silso/infosnmstot).太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)來自位于比利時(shí)布魯塞爾的太陽(yáng)黑子指數(shù)和太陽(yáng)長(zhǎng)期觀測(cè)天文臺(tái)(Sunspot Index and Long-term Solar Observations, SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels).如圖3所示，2010年至2016年是太陽(yáng)活動(dòng)的高年，峰值出現(xiàn)在2014年.太陽(yáng)活動(dòng)的極小值出現(xiàn)在2019年12月，因此來自美國(guó)宇航局(NASA)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的專家們宣布此時(shí)間點(diǎn)為第24太陽(yáng)周的結(jié)束，并標(biāo)志著一個(gè)新太陽(yáng)周期的開始(https:∥www.nasa.gov/press-release/solar-cycle-25-is-here-nasa-noaa-scientists-explain-what-that-means/).作為對(duì)比，本文首先分別挑選2014年(太陽(yáng)活動(dòng)高年)和2019年(太陽(yáng)活動(dòng)低年)為例，對(duì)每一個(gè)月的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度ΔZm進(jìn)行分析.

圖3 2008年至2019年月平滑太陽(yáng)黑子數(shù)(SSN)分布情況Fig.3 The monthly smoothed sunspot number (SSN) variation from 2008 to 2019

應(yīng)用GNC分布于全國(guó)的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)，通過樣條函數(shù)，我們得到了太陽(yáng)活動(dòng)高年2014年每月的ΔZm等值線分布情況.如圖4所示，ΔZm在中高緯(30°N以上)地區(qū)比中低緯地區(qū)(30°N以下)要小得多.在不同的月份，這兩個(gè)地區(qū)之間的差值可以從10 nT變化到30 nT不等. ΔZm的最大值出現(xiàn)在8月份，約為55.1 nT；最小值出現(xiàn)在1月份，約為5.7 nT.從圖中也可以直觀地看出ΔZm在不同季節(jié)上的差異，如3月、6月、9月和12月分別代表春季、夏季、秋季和冬季，表明ΔZm在夏季最大，冬季最小.

圖4 2014年中國(guó)地區(qū)ΔZm等值線每月變化情況Fig.4 The contour of monthly variation ΔZm in China in 2014

圖5展示的是太陽(yáng)活動(dòng)低年2019年每月的ΔZm等值線分布情況.與2014年相似的是，中高緯地區(qū)的ΔZm小于中低緯地區(qū)的ΔZm.其月變化和季節(jié)變化特征也與2014年(太陽(yáng)活動(dòng)高年)基本相同，但其幅度遠(yuǎn)小于2014年.

圖5 2019年中國(guó)地區(qū)ΔZm等值線每月變化情況Fig.5 The contour of monthly variation ΔZm in China in 2019

正如本文第1節(jié)提到的，勞埃德季節(jié)適用于分析地磁場(chǎng)的季節(jié)變化.我們應(yīng)用勞埃德季節(jié)對(duì)2014年和2019年兩年的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度進(jìn)行季節(jié)變化分析.如圖6所示，黑色線和藍(lán)色線分別表示2014年和2019年Z分量日變化幅度的季節(jié)變化.圖中的每一個(gè)點(diǎn)為GNC所有臺(tái)站在該季節(jié)特定四個(gè)月的地磁平靜日期間Z分量日變化幅度的平均值，用來表示中國(guó)地區(qū)每個(gè)季節(jié)Z分量的日變化幅度.結(jié)果表明，無論是在太陽(yáng)活動(dòng)高年還是太陽(yáng)活動(dòng)低年，ΔZs總是夏至月最大，分點(diǎn)月次之，冬至月最小.所有季節(jié)都表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，即同一季節(jié)的ΔZs在太陽(yáng)活動(dòng)高年大于太陽(yáng)活動(dòng)低年.這一結(jié)果與先前的研究結(jié)果一致(Rastogi and Iyer, 1976; Takeda, 2002; 趙旭東等, 2014).對(duì)于同一季節(jié)，這兩年的平均差值也表現(xiàn)為夏至月差值最大(約8.0 nT)，分點(diǎn)月和冬至月的差值相似(都約為5.0 nT).

圖6 應(yīng)用GNC計(jì)算得到的2014年和2019年ΔZs平均季節(jié)變化情況圖中的黑色和藍(lán)色線分別代表了2014年和2019年分點(diǎn)月(E)、夏至月(J)和冬至月(D)的變化情況.Fig.6 The averaged seasonal variations of ΔZs for GNC in 2014 and 2019The black and blue lines represent the variations in 2014 and 2019 respectively at the equinox months (E), summer solstice months (J) and winter solstice months (D).

2.2 Z分量日變化幅度在12年中的季節(jié)變化

在挑選太陽(yáng)活動(dòng)最高年(2014)和最低年(2019)對(duì)Z分量日變化幅度的月變化情況進(jìn)行分析后，依據(jù)勞埃德季節(jié)我們對(duì)2008—2019年12年間Z分量日變化幅度的季節(jié)變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析.圖7顯示的是每一年分點(diǎn)月ΔZs的變化情況.在分點(diǎn)月中，ΔZs在中國(guó)北部地區(qū)比南部地區(qū)要小得多，它們之間的差值大約在20 nT以上.在某些太陽(yáng)活動(dòng)高年中，ΔZs等值線的最大值可以在40 nT以上，如2010年至2015年.分點(diǎn)月的ΔZs在2011年和2014年出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，分別為47.2 nT和46.7 nT.在太陽(yáng)活動(dòng)低年，分點(diǎn)月ΔZs等值線的最大值約為30 nT，比太陽(yáng)高活動(dòng)年小得多.從圖7中還可以看出，無論在太陽(yáng)活動(dòng)高年還是太陽(yáng)活動(dòng)低年，分點(diǎn)月ΔZs等值線的最大值幾乎都出現(xiàn)在中國(guó)西南部的云南地區(qū).

圖7 中國(guó)地區(qū)分點(diǎn)月ΔZs在12年中的變化情況Fig.7 The contour of seasonal variation ΔZs in China for equinox months in twelve years

與圖7相似，圖8展示的是每年夏至月ΔZs的變化情況.與同年的分點(diǎn)月相比，夏至月ΔZs在大多數(shù)年份都要大得多.但值得注意的是，在一些太陽(yáng)活動(dòng)高年，如2011年和2012年，ΔZs在夏至月和分點(diǎn)月的數(shù)值非常接近.而且，夏至月ΔZs在中國(guó)南北地區(qū)之間的差值也與分點(diǎn)月相似，差值都約為20 nT.在太陽(yáng)活動(dòng)高年，夏至月ΔZs等值線的最大值甚至可以達(dá)到50 nT以上，例如2014年和2015年.即使在太陽(yáng)活動(dòng)低年，夏至月ΔZs等值線最大值也能夠接近40 nT.與分點(diǎn)月同樣相似的是，夏至月ΔZs等值線最大值在太陽(yáng)活動(dòng)高低年也都出現(xiàn)在云南地區(qū).

圖8 中國(guó)地區(qū)夏至月ΔZs在12年中的變化情況Fig.8 The contour of seasonal variation ΔZs in China for summer solstice months in twelve years

圖9為中國(guó)地區(qū)冬至月ΔZs的變化情況.從圖中可以看出，冬至月的ΔZs比分點(diǎn)月和夏至月要小得多.在大多數(shù)年份中，冬至月ΔZs在中國(guó)南方和北方之間的差值小于20 nT.冬至月ΔZs等值線最大值約為35.5 nT，出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)最活躍的2014年.而其他年份的ΔZs等值線均小于30 nT.此外，每一年的冬至月ΔZs等值線最大值也出現(xiàn)在云南地區(qū).這一特征與夏至月和分點(diǎn)月非常相似，我們將在第3節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)討論.

圖9 中國(guó)地區(qū)冬至月ΔZs在12年中的變化情況Fig.9 The contour of seasonal variation ΔZs in China for winter solstice months in twelve years

為了研究ΔZs在中國(guó)地區(qū)的總體變化特征，我們應(yīng)用GNC所有地磁臺(tái)站對(duì)每年每個(gè)勞埃德季節(jié)的Z分量日變化幅度計(jì)算平均值，考察其在12年期間的變化情況.圖10a—c分別為12年間中國(guó)地區(qū)分點(diǎn)月、夏至月和冬至月ΔZs的年均值.如圖所示，ΔZs表現(xiàn)出很明顯的隨太陽(yáng)活動(dòng)而變化的趨勢(shì).在太陽(yáng)活動(dòng)高年，這3個(gè)季節(jié)的ΔZs值都較大.夏至月的ΔZs在大部分時(shí)間里比其他兩個(gè)季節(jié)要大.類似于圖7和圖8所示，圖10中的中國(guó)地區(qū)ΔZs平均值在2011年和2012年的分點(diǎn)月和夏至月非常接近，數(shù)值為28.2 nT(2011E)與29.4 nT(2011J)和28.2 nT(2012E)與27.4 nT(2012J).特別是2012年，ΔZs平均值在分點(diǎn)月比夏至月大.這種現(xiàn)象可能是由控制Sq電流體系的因素，如電離層中的電導(dǎo)率和中性風(fēng)所引起，我們也將在第3節(jié)中進(jìn)行討論.分點(diǎn)月和夏至月ΔZs平均值的最小值和最大值都分別出現(xiàn)在2009年和2015年.而冬至月ΔZs平均值的最小值和最大值出現(xiàn)在2018年和2014年.這再次證明了對(duì)于每一個(gè)季節(jié)，ΔZs平均值的最大值和最小值分別出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)的高年和低年.此外，冬至月ΔZs平均值的最大值基本等于分點(diǎn)月的最小值，大約為20 nT.

圖10 2008年至2019年中國(guó)地區(qū)ΔZs平均值變化情況(a)—(c)分別為分點(diǎn)月、夏至月和冬至月.Fig.10 The averaged seasonal variations ΔZsin China from 2008 to 2019(a)—(c) represent the equinox, summer solstice and winter solstice months.

2.3 Z分量日變化幅度在云南地區(qū)與中國(guó)東南部地區(qū)的對(duì)比

如之前的分析所示，ΔZm和ΔZs在中國(guó)地區(qū)的等值線最大值無論是在太陽(yáng)活動(dòng)高年還是低年大多出現(xiàn)在云南地區(qū)，尤其是分點(diǎn)月和夏至月更為明顯.本部分將進(jìn)一步研究云南地區(qū)3個(gè)地磁臺(tái)站的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度.作為對(duì)比，位于中國(guó)東南部地區(qū)3個(gè)緯度相近的地磁臺(tái)站也將進(jìn)行分析.圖11為6個(gè)地磁臺(tái)站的分布圖.其中，永盛(YSH)、楚雄(CHX)和通海(THJ)是云南地區(qū)的地磁臺(tái)站；邵武(SHW)、泉州(QZH)和新豐江(XFJ)是中國(guó)東南部地區(qū)的地磁臺(tái)站.這些地磁臺(tái)站的具體位置信息如表1所示.

表1 作為對(duì)比地磁臺(tái)站的位置信息Table 1 The compared stations location

圖11 作為對(duì)比臺(tái)站的分布圖圖中紅色點(diǎn)代表位于云南地區(qū)的地磁臺(tái)站，藍(lán)色點(diǎn)代表位于中國(guó)東南部地區(qū)的地磁臺(tái)站.Fig.11 The compared stations distributionThe red dots represent the stations in Yunnan Province and the blue dots represent the stations in southeast China.

與前面的分析方法一樣，所有6個(gè)地磁臺(tái)站的Z分量日變化幅度季節(jié)變化ΔZs被劃分為勞埃德3個(gè)季節(jié).而對(duì)于每一個(gè)勞埃德季節(jié)，位于相似緯度的3對(duì)地磁臺(tái)站將進(jìn)行比較，用來分析從2008年至2019年12年間ΔZs的變化情況.分組情況為YSH和SHW(第1對(duì))、CHX和QZH(第2對(duì))以及THJ和XFJ(第3對(duì)).此外，過去的12年也被分為太陽(yáng)活動(dòng)高年(2010年至2016年)和太陽(yáng)活動(dòng)低年(2008年至2009年和2017年至2019年).

ΔZs在地磁臺(tái)站間的對(duì)比情況如圖12所示.很明顯，無論什么季節(jié)，6個(gè)地磁臺(tái)站的ΔZs值在太陽(yáng)活動(dòng)高年均大于在太陽(yáng)活動(dòng)低年.圖12a—c表示的是分點(diǎn)月.第1對(duì)的對(duì)比臺(tái)站中， YSH的ΔZs要大于SHW，在太陽(yáng)活動(dòng)高年的平均差值為5.5 nT，在太陽(yáng)活動(dòng)低年的平均差值為3.6 nT.第2對(duì)中，CHX和QZH的ΔZs在太陽(yáng)活動(dòng)高年和太陽(yáng)活動(dòng)低年的平均差值分別為1.7 nT和1.9 nT.它們的差值表明在太陽(yáng)活動(dòng)高、低年之間沒有明顯的區(qū)別，即這兩個(gè)地磁臺(tái)站的分點(diǎn)月ΔZs在12年間顯示出非常相似的變化.第3對(duì)中的THJ和XFJ位于較低緯度.它們的ΔZs平均差值比其他兩對(duì)要大得多，在太陽(yáng)活動(dòng)高年和太陽(yáng)活動(dòng)低年分別為9.2 nT和8.7 nT.表2顯示了3對(duì)地磁臺(tái)站的ΔZs平均差值.根據(jù)圖12和表2，在云南地區(qū)的3個(gè)地磁臺(tái)站中，YSH和THJ具有較大的ΔZs，其值明顯大于中國(guó)東南部地區(qū)緯度相近的地磁臺(tái)站SHW和XFJ；CHX與位于東南部地區(qū)的QZH具有相近的ΔZs值.在12年的分點(diǎn)月中，THJ的平均ΔZs約為38.3 nT；YSH為35.2 nT，位居第二；CHX以30.0 nT排名第三.這一結(jié)果使分點(diǎn)月的ΔZs等值線在云南地區(qū)大多數(shù)年份具有兩個(gè)極值.而且，分點(diǎn)月的ΔZs等值線最大值也通常出現(xiàn)在云南地區(qū)，如圖7所示.

圖12 3對(duì)地磁臺(tái)站不同季節(jié)的ΔZs對(duì)比不同顏色的線表示不同的地磁臺(tái)站.(a)—(c)為分點(diǎn)月，(d)—(f)為夏至月，(g)—(f)為冬至月.Fig.12 The comparison of ΔZs for three pairs of stations in different seasons The different color lines represent different stations. (a)—(c) For the equinox months; (d)—(f) For the summer solstice months; (g)—(f) For the winter solstice months.

表2 3對(duì)地磁臺(tái)站ΔZs的平均差值(單位：nT)Table 2 The average difference of ΔZsin three pairs of stations (Unit: nT)

夏至月6個(gè)臺(tái)站的ΔZs如圖12d—f所示.3對(duì)地磁站的ΔZs表現(xiàn)出與分點(diǎn)月相似的變化情況.無論是在太陽(yáng)活動(dòng)高年還是太陽(yáng)活動(dòng)低年，所有3對(duì)地磁臺(tái)站間的夏至月ΔZs平均差值都或多或少高于分點(diǎn)月(見表2).在第1對(duì)中，YSH和SHW之間的平均差值在太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年的差別不太明顯，約為6 nT.同樣，第2對(duì)中夏至點(diǎn)的ΔZs差值也沒有明顯的區(qū)別，CHX和QZH之間的平均差值小于3 nT.但是，最特別的一對(duì)是第3對(duì)，THJ和XFJ之間的平均差值非常大，在太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年分別為12.2 nT和8.4 nT.這意味著位于相似緯度的THJ和XFJ在夏至月特別是在太陽(yáng)活動(dòng)高年期間表現(xiàn)出明顯不同的地磁場(chǎng)日變化.而且，在12年間的夏至月中，THJ的ΔZs平均值約為41.2 nT；YSH為36.9 nT；CHX為31.0 nT.THJ的夏至月ΔZs最大值為53.2 nT，出現(xiàn)在2015年，是近12年來太陽(yáng)靜日期間GNC所有地磁臺(tái)站中的最大值.同樣值得關(guān)注的是，每個(gè)地磁臺(tái)站的ΔZs在某些太陽(yáng)活動(dòng)高年期間，其分點(diǎn)月和夏至月的值較為近似.例如， YSH的ΔZs在2011—2014年間(太陽(yáng)活動(dòng)高年)，分點(diǎn)月與夏至月之間的差值小于1 nT.類似的結(jié)果也可以從其他5個(gè)臺(tái)站中看到.

與分點(diǎn)月和夏至月不同，冬至月3對(duì)地磁臺(tái)站ΔZs的差異不太顯著.每一對(duì)地磁臺(tái)站的ΔZs變化情況保持了高度一致.從表2可以看出，在大多數(shù)情況下3對(duì)地磁臺(tái)站冬至月ΔZs的平均差值約為2 nT.這些結(jié)果表明，6個(gè)地磁臺(tái)站由于位于相似的緯度，它們?cè)诙猎碌摩s變化情況也基本相同.

根據(jù)上述分析，云南地區(qū)3個(gè)地磁臺(tái)站的ΔZs在分點(diǎn)月和夏至月表現(xiàn)出明顯不同的變化情況.但在冬至月，這3個(gè)地磁臺(tái)站的ΔZs變化幾乎相同.云南地區(qū)地磁臺(tái)站與東南部地區(qū)地磁臺(tái)站之間的對(duì)比分析也證實(shí)了YSH、CHX和THJ的ΔZs變化差異.太陽(yáng)活動(dòng)是影響電離層狀態(tài)的重要因素，而電離層中的電導(dǎo)率和中性風(fēng)可以影響Sq電流體系的變化(趙旭東等, 2014).因此，地磁臺(tái)站的ΔZs在不同季節(jié)或在太陽(yáng)活動(dòng)高、低年表現(xiàn)出的不同變化行為首先是由太陽(yáng)活動(dòng)引起的.然而，云南地區(qū)地磁臺(tái)站間ΔZs的變化差異不僅與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)，還可能與當(dāng)?shù)鼐植繀^(qū)域地下復(fù)雜的電性結(jié)構(gòu)有關(guān).太陽(yáng)和地下電性結(jié)構(gòu)的綜合作用可能使云南地區(qū)地磁臺(tái)站的分點(diǎn)月和夏至月的ΔZs在太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年表現(xiàn)出較大的不同.

3 總結(jié)與討論

本文應(yīng)用了GNC地磁臺(tái)站的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度數(shù)據(jù)，分析了太陽(yáng)靜日期間地磁場(chǎng)日變化在太陽(yáng)活動(dòng)高年、低年，不同季節(jié)以及同緯度不同臺(tái)站之間的變化情況.

根據(jù)太陽(yáng)黑子在近12年的變化情況，同一月份的地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高年明顯大于其在太陽(yáng)活動(dòng)低年.太陽(yáng)靜日期間的地磁場(chǎng)日變化主要由電離層中的Sq電流體系引起.電離層中的電導(dǎo)率和中性風(fēng)的變化與太陽(yáng)密切相關(guān)，它們主要控制了Sq電流體系的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分布(Pedatella et al., 2011).此外，電離層電導(dǎo)率隨著太陽(yáng)活動(dòng)而發(fā)生顯著變化，并在太陽(yáng)活動(dòng)高年顯著增加(紀(jì)巧等, 2006).電離層電導(dǎo)率與太陽(yáng)活動(dòng)具有非常高的相關(guān)性(Takeda, 2002).電離層電導(dǎo)率由太陽(yáng)的電磁輻射產(chǎn)生，它取決于電離層中性粒子、離子的密度和溫度(徐文耀, 2003, 2009).因此，電離層電導(dǎo)率是造成同一月份地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高低年差異的直接原因.

根據(jù)勞埃德季節(jié)，同一季節(jié)的Z分量日變化幅度在太陽(yáng)活動(dòng)高年(2010—2016)也表現(xiàn)出較高強(qiáng)度.這一變化與太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)，表明電離層電導(dǎo)率影響了同一季節(jié)的Z分量日變化幅度在不同年的變化情況.不同季節(jié)的Z分量日變化幅度相互比較表明，夏至月的幅度在大多數(shù)時(shí)間比分點(diǎn)月要大.無論是在太陽(yáng)活動(dòng)高年還是低年，冬至月的Z分量日變化幅度幾乎總是3個(gè)季節(jié)中最小的.但值得注意的是，在一些太陽(yáng)活動(dòng)的高年，分點(diǎn)月的幅度基本等于甚至大于夏至月.一些學(xué)者通過研究太陽(yáng)周期中Sq電流體系的變化情況表明，電流強(qiáng)度可以在太陽(yáng)活動(dòng)高年的分點(diǎn)季節(jié)達(dá)到最大值(Campbell and Matsushita, 1982; 趙旭東等, 2014).在北半球，Sq電流體系使地磁場(chǎng)Z分量在中午附近減小，因此Z分量的日變化幅度在一定程度上也可以反映Sq電流體系的強(qiáng)度.另外一些學(xué)者認(rèn)為，Sq電流體系在分點(diǎn)月達(dá)到最大值可能是由電離層中性風(fēng)引起的(Amayenc, 1974; Matsushita and Xu, 1982).中性風(fēng)主要由太陽(yáng)的引力潮汐和熱潮汐產(chǎn)生的大氣潮汐作用所引起(Richmond, 1989, 1995).在太陽(yáng)活動(dòng)高年，分點(diǎn)月的中性風(fēng)強(qiáng)度可能會(huì)高于夏至月和冬至月(Campbell and Matsushita, 1982; Yamazaki et al., 2009).電離層中的電導(dǎo)率和中性風(fēng)是影響Sq電流體系的兩個(gè)主要因素.正是電離層中的電導(dǎo)率使得同一季節(jié)(月)的Sq電流體系在太陽(yáng)活動(dòng)高年具有較大的強(qiáng)度.但太陽(yáng)活動(dòng)高年分點(diǎn)月的Z分量日變化幅度出現(xiàn)較大值表明，除了電離層中的電導(dǎo)率外，中性風(fēng)同樣可以對(duì)Sq電流有很大的貢獻(xiàn).根據(jù)以上討論，我們可以推斷，電離層的電導(dǎo)率在大部分時(shí)間內(nèi)對(duì)Sq電流的季節(jié)變化起主要作用；而當(dāng)電離層的中性風(fēng)變得更強(qiáng)，并產(chǎn)生與電離層電導(dǎo)率相等或更大的影響時(shí)，分點(diǎn)月的Sq電流體系強(qiáng)度就可能會(huì)比其他季節(jié)的強(qiáng)度更高.

地磁臺(tái)站在太陽(yáng)靜日期間記錄到的地磁場(chǎng)日變化包括Sq電流體系直接產(chǎn)生的外源場(chǎng)和由Sq電流體系引起的地下感應(yīng)電流產(chǎn)生的內(nèi)源場(chǎng)(Titheridge, 1995).Sq電流體系引起的日變化通常表現(xiàn)為隨緯度和地方時(shí)變化，焦點(diǎn)分別位于南北半球緯度30°附近，且內(nèi)源場(chǎng)強(qiáng)度通常約為外源場(chǎng)強(qiáng)度的一半(徐文耀, 2003, 2009).由于Sq電流體系的結(jié)構(gòu)以及GNC地磁臺(tái)站的分布位置，Z分量的日變化幅度在中國(guó)地區(qū)表現(xiàn)為南方大于北方.但值得注意的是，地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的最大值幾乎總是出現(xiàn)在云南地區(qū).通過將云南地區(qū)和東南部地區(qū)的地磁臺(tái)站進(jìn)行對(duì)比表明，除了CHX臺(tái)外，YSH和THJ臺(tái)的Z分量日變化幅度在分點(diǎn)月和夏至月總是明顯大于位于同緯度的東南部地區(qū)臺(tái)站的幅度.這些結(jié)果顯示了，除了上面討論的電離層電導(dǎo)率和中性風(fēng)影響外，云南地區(qū)復(fù)雜的地下電性結(jié)構(gòu)也可能會(huì)改變地下感應(yīng)電流繼而對(duì)內(nèi)源磁場(chǎng)產(chǎn)生重大影響.在中國(guó)環(huán)渤海灣、甘肅省東部、唐山周圍地區(qū)和云南地區(qū)都發(fā)現(xiàn)了地下電導(dǎo)率存在異常(陳伯舫, 1974; 徐文耀等, 1978).地下電導(dǎo)率異常不僅與巖石成分和溫度有關(guān)，還與地震波低速區(qū)和地?zé)崃鳟惓^(qū)等地球物理現(xiàn)象有關(guān)(Rikitake, 1966).云南省位于特殊的地理位置，其區(qū)域內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈(袁伊人等, 2015).侯作中和史鐵生(1984)應(yīng)用地磁場(chǎng)Z分量通過分析磁暴急始(SSC)和灣擾期間Wiese矢量的分布，推斷在云南省的地下存在著具有高電導(dǎo)率的局部地區(qū).地磁場(chǎng)的異常變化在Z分量中表現(xiàn)尤為明顯(徐文耀等, 1978; 李琪等, 2006).如果地磁場(chǎng)Z分量的變化在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)距離較近的觀測(cè)點(diǎn)之間存在顯著差異，則該區(qū)域的地下電導(dǎo)率存在著橫向不均勻性(Rikitake, 1966; 湯吉等, 1999).

大地電磁測(cè)深(MT)是研究地殼和上地幔結(jié)構(gòu)的重要方法，可以根據(jù)地下電阻率的變化來分析深部物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組分以及賦存狀態(tài)(程遠(yuǎn)志等, 2017).李冉等(2014)應(yīng)用云南南部地區(qū)布設(shè)的孟連—羅平的北東向大地電磁測(cè)深剖面，開展了該地區(qū)的深部電性結(jié)構(gòu)探測(cè)和孕震環(huán)境探查，表明在通海強(qiáng)震區(qū)位置的地殼中存在大規(guī)模的低阻(高電導(dǎo)率)異常體.程遠(yuǎn)志等(2015)利用南北地震帶南段蘭坪—貴陽(yáng)大地電磁測(cè)深剖面，對(duì)該區(qū)域的深部電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，表明永勝地區(qū)上地殼存在規(guī)模較小的低阻(高電導(dǎo)率)體.本文中YSH臺(tái)和THJ臺(tái)的Z分量日變化幅度與CHX臺(tái)差異明顯，表明這兩個(gè)臺(tái)站所處位置的地下電導(dǎo)率可能較高，而且THJ臺(tái)的地下電導(dǎo)率要高于YSH臺(tái)，分析結(jié)果與上述學(xué)者的MT研究結(jié)果一致.如果將位于東南部地區(qū)緯度相近的地磁臺(tái)站作為參考背景臺(tái)站，則云南地區(qū)地磁臺(tái)站與參考臺(tái)站之間的Z分量日變化幅度差異可被視為由較高的地下電導(dǎo)率引起的增強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)(內(nèi)源場(chǎng)).通過對(duì)比，增強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)可以將YSH臺(tái)的Z分量日變化幅度從12.8%提高到18.6%.對(duì)于THJ臺(tái)，地下高電導(dǎo)率產(chǎn)生的增強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)可以使太陽(yáng)活動(dòng)高年的分點(diǎn)月Z分量日變化幅度提高約30%，而在夏至月甚至可以提高到40%以上.表3顯示的是增強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)在Z分量日變化幅度中的百分比.由此可見，局部區(qū)域的地下高電導(dǎo)率可以使內(nèi)源磁場(chǎng)強(qiáng)度大于通常認(rèn)為的外源磁場(chǎng)強(qiáng)度的一半.

表3 增強(qiáng)的感應(yīng)磁場(chǎng)在Z分量日變化幅度中的百分比Table 3 The percentage of enhanced induced field in the Z daily variations amplitude

通過以上討論，可以推斷地下高電導(dǎo)率的作用類似于在電離層電導(dǎo)率和中性風(fēng)基礎(chǔ)之上的一個(gè)放大器，影響著太陽(yáng)靜日期間的地磁場(chǎng)日變化.當(dāng)外源磁場(chǎng)增加時(shí)，其放大器的效應(yīng)更為明顯.然而在冬至月，由于電離層電導(dǎo)率和中性風(fēng)的作用比其他季節(jié)要弱，地下高電導(dǎo)率對(duì)地磁場(chǎng)日變化的貢獻(xiàn)也較小，其放大器作用不明顯.這可以從冬至月云南地區(qū)地磁臺(tái)站與東南部地區(qū)緯度相近臺(tái)站極為相似的Z分量日變化幅度看出(圖12g—f).

4 結(jié)論

(1)對(duì)于同一月份或季節(jié)，Z分量日變化幅度在12年期間表現(xiàn)出與太陽(yáng)活動(dòng)的高度一致性.這一現(xiàn)象可能主要是由電離層電導(dǎo)率的變化引起.

(2)在一些太陽(yáng)活動(dòng)的高年中，Z分量日變化幅度在分點(diǎn)月表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度.這可能是電離層中性風(fēng)的季節(jié)變化起著重要的作用.

(3)在分點(diǎn)月和夏至月，云南地區(qū)地磁臺(tái)站的Z分量日變化幅度與同緯度東南部地區(qū)的地磁臺(tái)站表現(xiàn)出明顯的不同.這一差別可能與地下高導(dǎo)電率的放大器效應(yīng)有關(guān).

本文分析了近12年來中國(guó)地區(qū)地磁場(chǎng)Z分量日變化幅度的總體特征，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了討論并給出了可能的解釋，可以為地磁場(chǎng)日變化的異常分析工作提供一定的背景參考信息.然而就目前來說，電離層電導(dǎo)率、電離層中性風(fēng)和地下電導(dǎo)率是如何綜合作用影響地磁場(chǎng)的日變化仍然是一個(gè)開放且有待解決的問題.未來的工作將在應(yīng)用更多地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開展更為深入的研究，特別是中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)未來十年發(fā)展規(guī)劃將對(duì)中國(guó)西部地區(qū)的地磁臺(tái)站建設(shè)及觀測(cè)提供支持.另外，開展與地下電導(dǎo)率模型相結(jié)合的研究，也將完善我們的相關(guān)解釋.

致謝本文的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)來自國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心，國(guó)際地磁太陽(yáng)靜日列表來自日本京都世界地磁數(shù)據(jù)中心，太陽(yáng)黑子數(shù)來自比利時(shí)布魯塞爾太陽(yáng)黑子指數(shù)和太陽(yáng)長(zhǎng)期觀測(cè)天文臺(tái).在此表示誠(chéng)摯的謝意.