陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國地震局地球物理研究所，北京100081)

第11代國際地磁參考場*

陳斌 顧左文 狄傳芝 袁潔浩 高金田

(中國地震局地球物理研究所，北京100081)

2009年12月，國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(IAGA)發(fā)布了第11代國際地磁參考場(IGRF-11)。第11代IGRF包括1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預(yù)測模型，其中1900.0—1995.0年代模型的階次為N=M=10，相應(yīng)球諧系數(shù)的精度為1 nT;2000.0—2010.0年代模型的階次為N=M=13，其球諧系數(shù)的精度為0.1 nT;而2010.0—2015.0年代地磁長期變化預(yù)測模型的階次為N=M=8，其球諧系數(shù)的精度為0.1 nT。本文概述了第11代國際地磁參考場及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預(yù)測模型。

地磁場;地磁長期變化;國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(IAGA);國際地磁參考場(IGRF);地磁模型

引言

地磁場是重要的地球物理場。通過地磁觀測，可以監(jiān)測人類賴以生存的地球電磁環(huán)境。由地磁觀測所產(chǎn)出的地磁基本數(shù)據(jù)、地磁圖及地磁場數(shù)學(xué)模型，與環(huán)境、采礦、能源等科學(xué)領(lǐng)域和國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)與社會公益事業(yè)有著十分密切的相關(guān)性，并且在環(huán)境保護(hù)、資源探測、通信導(dǎo)航、航空航天、地質(zhì)構(gòu)造、地震預(yù)測、地球深部研究、空間天氣與空間電磁環(huán)境研究等諸多領(lǐng)域都具有廣泛而重要的應(yīng)用。

地磁場是隨時間和空間而變化的矢量場。地磁場可分為內(nèi)源場、外源場和感應(yīng)場。內(nèi)源場占地磁場的主要能量成分，時間變化緩慢;外源場能量較弱，時間變化劇烈[1-3]。

地磁圖和地磁模型是描述地磁場的。1965年，Cain等[4]研究了全球地磁資料的高斯分析，得出了全球地磁場模型。后來，國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(IAGA)有一個地磁場模型研究組(Working Group V-MOD)，該研究組從事以5年為間隔的國際地磁參考場(IGRF)研究，發(fā)布IGRF，至今已有第1—11代國際地磁參考場，可供科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用[5]。

本文描述了IGRF的概況、第11代國際地磁參考場及其2010.0年代地磁模型與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預(yù)測模型，簡要討論了IGRF與區(qū)域地磁圖及區(qū)域地磁模型的相關(guān)問題。

1 國際地磁參考場

IGRF是描述全球地磁場及其長期變化的，而且是國際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型。它是根據(jù)全球地磁臺站與野外磁測的資料、衛(wèi)星磁測的資料綜合分析而研制的。IGRF是IAGA的重大成果，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用[1-3]。

在IGRF模型中，地磁場的標(biāo)量位用球諧級數(shù)表示:

在1968年IAGA發(fā)布IGRF模型之后，IAGA給出了每5年的IGRF，迄今已經(jīng)陸續(xù)提出了11代IGRF模型[5]。最新的第11代IGRF模型(IGRF-11)是IAGA于2009年12月發(fā)布的。為了保證IGRF模型的精度，IAGA決定從2000年度開始，將IGRF模型的截止階數(shù)由10階(球諧系數(shù)精度為1 nT)擴(kuò)展到13階(球諧系數(shù)精度為0.1 nT)。所以，第10代IGRF模型中包括了1900—2005年(間隔為5年)共23個磁場模型，其中1900—1995年模型的階次為N=M=10，2000—2005年模型的階次為N=M=13，以及2005—2010年地磁長期變化的預(yù)測模型(階次為N=M=8，球諧系數(shù)精度為0.1 nT)[6]。

IGRF是一個數(shù)值模型，用于計(jì)算1900年至今的時間內(nèi)在地面或上空的任一地點(diǎn)大尺度內(nèi)源的地磁場。內(nèi)源部分的地磁場幾乎全部來源于地核，且具有幾年至幾十年時間尺度的緩慢而明顯的變化。IGRF每5年一版，并盡可能準(zhǔn)確。為保證準(zhǔn)確，從第10代IGRF模型開始，IAGA詳細(xì)地評估了IGRF的磁場模型與地磁長期變化預(yù)測模型的候選模型。根據(jù)評估結(jié)果，得到了第10代IGRF與第11代IGRF[7-8]。表1為各代IGRF的概況。每一代IGRF由5年間隔的地磁模型系列組成，而該模型分為確定型的或非確定型的。根據(jù)新的地磁資料修正IGRF，得到確定型的IGRF，稱為DGRF。DGRF一旦確定，則在隨后的各代IGRF中將不再修改。而非確定型的模型為IGRF模型。從表1可見，DGRF只從1945.0開始編制至今。

表1 第1—11代國際地磁參考場(IGRF-1—IGRF-11)

2 第11代國際地磁參考場(IGRF-11)

2.1 概況

2009年5月，IAGA發(fā)布了征集第11代國際地磁參考場(IGRF-11)候選模型的通告，要求提供2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0期間長期變化的預(yù)測模型(SV)的候選模型。2009年10月，IAGA收到了上述的候選模型，包括2005.0年代DGRF與2010.0年代IGRF各7個候選模型，分別是由A組(丹麥DTU，法國IPGP，美國GSFC-NASA)、B組(美國NGDC/NOAA，德國GFZ)、C組(英國BGS)、D組(俄羅斯IZMIRAN)、E組(法國EOST，LPGN，IPGP，LATMOS)、F組(法國IPGP，LPGN，EOST，LATMOS，美國NGDC/NOAA)、G組(德國GFZ)提交的。此外，美國GSFC-NASA，UMBC與英國Liverpool大學(xué)還提交了他們合作的SV模型，因此，一共有8個SV候選模型。

上述候選模型，2005.0年代DGRF與2010.0年代IGRF模型的階數(shù)N=13，而2010.0—2015.0年代SV模型的階數(shù)N=8。IAGA詳細(xì)地評估了這些候選模型。根據(jù)評估結(jié)果，得到了各候選模型的權(quán)重系數(shù)，最后按照各候選模型的加權(quán)平均得到了IGRF-11的2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF以及2010.0—2015.0年代預(yù)測SV模型[7]。

在IGRF-11中，1900.0—1995.0年代，地磁模型的階數(shù)N=10，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度為1 nT;而2000.0、2005.0與2010.0年代地磁模型的階數(shù)N=13，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度為0.1 nT。這是由于Oersted衛(wèi)星與CHAMP衛(wèi)星提供了相當(dāng)精確的衛(wèi)星磁測資料。

IGRF-11是國際地磁參考場的模型系列，包含24個地磁模型:1900.0—1940.0年代(間隔為5年)的9個IGRF模型，年代(間隔為5年)的13個DGRF模型，以及2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代地磁長期變化的預(yù)測模型。

2.2 2010.0年代IGRF與2010.0—2015.0年代長期變化的預(yù)測模型

表2給出了IGRF-11的2010.0年代IGRF(IGRF2010，MF)與2010.0—2015.0年代預(yù)測長期變化(SV)模型的球諧系數(shù)。從表2可見，2010.0年代IGRF的階數(shù)N=13，而2010.0—2015.0年代預(yù)測長期變化模型的階數(shù)N=8，相應(yīng)的球諧系數(shù)精度都為0.1 nT。

圖1表示2010.0年代偏角D、傾角I與總場F在地球表面的分布。這3個分量完全確定了矢量地磁場。從圖1a可見，偏角D有3條零等值線:一條是南北走向，通過美洲;一條位于東亞，穿過印度尼西亞、澳大利亞西部;另一條穿過歐洲中部，南至肯尼亞、經(jīng)過印度向北。而且，從東北非洲至菲律賓的中低緯度地區(qū)，D很小。圖1b顯示，傾角I明顯偏離傾角赤道，在南美處偏南，而且從地理南極至澳大利亞為I的極大。此外，南非西部呈現(xiàn)舌狀的I的高值區(qū)。圖1c為2010.0年代總場F的分布，其最大值出現(xiàn)在北半球的西伯利亞與南半球南太平洋與澳大利亞南邊的南極洲。而最為明顯的特征是以巴西南部與巴拉圭為中心的F低強(qiáng)度的磁異常，通常稱之為南大西洋磁異常，而且它是近地電磁環(huán)境受空間天氣影響的重要因素。

上述這些地磁分布特征已在以前的地磁模型中熟知，而且已存在至少幾百年，至今的圖像只是緩慢的變化。圖2表示在2010—2015年間D、I與F的平均年變率(SV)的預(yù)測。在太平洋半球中，D的預(yù)測變化是小的，且與大西洋半球地磁場緩慢的西向漂移是一致的。I的變化預(yù)計(jì)在低緯最大，最大的負(fù)變化出現(xiàn)在巴西的東北部附近;而最大

的正變化預(yù)計(jì)在印度南部附近。F的預(yù)測變化，其最大下降預(yù)計(jì)在北美的東南部與南美的西南部。后者包含南大西洋磁異常持續(xù)西向運(yùn)動。F的最大上升預(yù)計(jì)發(fā)生在大西洋的赤道地帶、印度洋南部(非洲東南部)以及包括伊朗、哈薩克、阿富汗、巴基斯坦與印度在內(nèi)的地區(qū)。

表2 (MF)與長期變化模型(SV)的球諧函數(shù)(g，h)

續(xù)表2

2.3 相關(guān)網(wǎng)址

為便于查詢，列出了如下的相關(guān)網(wǎng)址:有關(guān)IGRF的信息:http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html;

IGRF-11的系數(shù):http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf11coeffs.txt;

由IGRF-11模型計(jì)算的地磁分量:http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/IGRFWMM.jsp;

世界資料中心(WDC)(Boulder，USA):http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomag/wdc/index.html;

WDC(Copenhagen，Denmark):http:∥www.space.dtu.dk/English/Research/Scientific_data_and_models;

WDC(Edinburgh，UK):http:∥www.wdc.bgs.ac.uk/catalog/master.html;

WDC(Kyoto，Japan):http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp;

WDC(Mumbai，India):http:∥iigm.res.in。

3 結(jié)論與討論

國際地磁參考場(IGRF)是描述全球地磁場及其長期變化的，而且是國際上通用的全球地磁標(biāo)準(zhǔn)模型。國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(IAGA)給出了每5年的IGRF，迄今已經(jīng)發(fā)布了11代IGRF模型。最新的第11代國際地磁參考場(IGRF-11)包含1900.0—2010.0年代(間隔為5年)共23個磁場模型與2010.0—2015.0年代的長期變化預(yù)測(SV)模型(階次為N=M=8，球諧系數(shù)的精度為0.1 nT)，其中有1900.0—1940.0年代(間隔為5年)的9個IGRF模型，1945.0—2005.0年代(間隔為5年)的13個DGRF模型，以及2010.0年代的IGRF模型。1900.0—1995.0年代模型的階次為N=M=10(球諧系數(shù)的精度為1.0 nT)，2000.0—2010.0年代模型的階次為N=M=13(球諧系數(shù)的精度為0.1 nT)。

IGRF是描述全球地磁場的。然而，地磁場具有區(qū)域特征，因此，IGRF模型不能準(zhǔn)確反映地磁場的區(qū)域特征，而需要區(qū)域地磁模型。為此，各國都開展了地磁觀測，應(yīng)用不同的分析方法，得到了準(zhǔn)確表述各國區(qū)域的地磁圖與地磁模型[18-21]。我國學(xué)者分析與研究了中國地區(qū)的地磁場及其長期變化，獲得了中國地區(qū)的地磁圖與地磁模型[22-29]。分析研究表明，中國地區(qū)地磁模型優(yōu)于IGRF模型，能夠更好地描述中國地區(qū)地磁場。在我國，2000年以前是由中國科學(xué)院地球物理研究所承擔(dān)中國地磁圖及其地磁測量，從1960年至2000年，每10年編制了中國地磁圖[24-25]。從2001年起，在中國科技部與中國地震局的資助下，中國地震局地球物理研究所承擔(dān)了中國地磁圖及其地磁測量[26]，進(jìn)行了地磁三分量(F，D，I)測量，獲得了準(zhǔn)確可靠的地磁測量資料，于2005年與2010年分別編制了2005.0年代與2010.0年代的中國地磁圖[28-29]。因此，從2000年起，每5年編制了中國地磁圖，與IGRF與各國區(qū)域的地磁圖每5年編制相一致。

(作者電子信箱，陳斌:champion_chb@126.com)

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International Geomagnetic Reference Field:the eleventh generation

Chen Bin，Gu Zuowen，Di Chuanzhi，Yuan Jiehao，Gao Jintian
(Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China)

The eleventh generation of the International Geomagnetic Reference Field(IGRF-11)was issued in December 2009 by the International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA).IGRF-11 consists of 23 geomagneticmodels for 1900.0—2010.0(at 5 year intervals)and the predictivemodel of geomagnetic secular variation for2010.0—2015.0.For the degree N and orderm of the geomagneticmodels for 1900.0—1995.0，we have N=M=10，the accuracy of the corresponding spherical harmonic coefficients is1 nT;For the models of2000.0—2010.0，N=M=13，and the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.For the degree N and orderm of the predictivemodel of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0，we have N=M=13，the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.This paper presents a brief description of IGRF-11 and its geomagnetic model for 2010.0 and its predictive model of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0.

geomagnetic field;geomagnetic secular variation;International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA);International Geomagnetic Reference Field(IGRF);geomagnetic model

P318.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.006

2011-03-07。

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)《中國地區(qū)地磁基本場長期變化非線性結(jié)構(gòu)特征研究》與公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目《中國大陸巖石圈地磁背景場觀測與研究》聯(lián)合資助。