地磁數據時鐘精度檢驗方法研究

陳俊 蔡寅 滕云田 王秀英

1）中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區中央民族大學南路5號 100081

2）安徽省蒙城地震臺，安徽亳州 233527

3）安徽蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站，安徽亳州 233527

4）山東省地震局，濟南 250021

5）中國地震局地殼應力研究所，北京 10008

0 引言

地磁場是地球固有的基本屬性，伴隨著地球形成演化的全過程，成為地球生物圈（包括人類）生存的重要環境條件（徐文耀，2009）。而在地震孕育的過程中存在磁效應變化，故地磁觀測數據已用于地震預測研究（黃雪香等，1999；林云芳，1990），地磁觀測是地震前兆觀測的重要手段之一。

經過“九五”數字化建設、“十五”數字化改造和“十一五”背景場建設，國家地磁觀測臺網先后完成各區域地磁臺網相對記錄儀的數字化升級改造，同時完成3個地磁臺陣建設，目前在線運行239套分采樣或秒采樣數字化相對記錄儀。至今已運行十幾年，產出了大量數據，但在運行過程中，由于校時不及時或校時設備故障等原因，造成儀器記錄數據對應時間與實際時間不一致，給數據的應用造成了一定困擾。

地磁場是一個大范圍甚至全球相關性很強的物理量，在觀測中對數據時間精度的要求很高，對地磁脈動的研究需要將地磁場在全球的傳播時間對比；在地磁暴和地磁亞暴分析特別是急始型磁暴分析中，對時間的一致性要求很高；在地震預測研究中關于地磁變化及地磁同震現象（T.Iyemori et al，1996）等研究中，地磁變化出現時間直接影響研究過程和結果；此外，數據預處理的自動化是未來發展必然趨勢，時間同步性的破壞也將影響對干擾的判斷，特別是影響范圍大的干擾如高壓直流輸電干擾（陳俊等，2014）。地磁觀測數據中因時間的精度不夠高，在一定程度上會影響數據的分析利用，干擾其與全球觀測結果的相關分析，甚至可能對地震活動的預測分析造成誤導，因此觀測數據的時間精度是影響數據質量的一個重要因素。

在海洋磁力測量（即在海上進行地球磁場測定）中，常采用經度差法、相關系數法和同步比對法計算觀測數據時間與實際時間差，進行時差改正，這些方法各有優缺點。經度法是目前最常用的方法，優點是原理簡單，計算方便，只需知道校正點與標準時間測點的地理經度差即可，且在海洋磁力測量中時差校正主要應用于改進日變幅度的測量，時差改進對該應用影響較小，姚俊杰等（2005）驗證了經度差法的不完善性，其誤差達11min，認為其精度有待提高。相關系數法有助于提高精度，該法的優點是對短距離臺站間的改進效果好，利用秒采樣數據的誤差能縮小到10s，同時指出相關系數法受限于臺間距離的影響；同步比較法是利用日變極值點比對的方法對時差進行校正，王磊等（2011）研究認為同步對比法和相關分析法能反映站間真實時差，利用秒數據所得結果的精度在80s內，優于經度法，但仍然受地方時即經度影響。上述方法可以借鑒到我國地磁觀測臺網固定臺站的時鐘差檢測與校正中來，但固定臺網所覆蓋范圍廣，在方圓數千千米范圍內非均勻分布，受地方時影響的限制，需要作進一步改進。

本文根據地磁擾動數據全球同步變化的特性，通過地磁擾動區間內把出現數據極大值和極小值的時間分別進行比對的方法，檢查數據時鐘的精度，獲得數據時鐘的校正值，本文將該方法稱為擾動區間極值比對法，該方法不受地方時（即經緯度）的影響。

1 地磁觀測數據的變化特征

地磁場包括基本磁場和變化磁場兩部分。基本磁場是主要的，起源于地球內部，比較穩定，屬于靜磁場。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，起源于地球外部，相對較弱，受太陽的活動影響比較大（徐文耀等，2005；岳慶祥等，2004）。地球變化磁場可分為平靜和擾動兩大變化類型，其平靜變化保持正常日變形態的日子稱為磁靜日（圖1，本文數據時間為世界時即UT），其變化曲線表現呈規則的日變形態，其擾動變化則打破了正常日變形態，這時稱為磁擾日（圖2）。

為對比考察磁靜日、磁擾日大范圍內的變化特征，我們選取了一條經度鏈（由北至南為滿洲里MZL、紅山LYH、蒙城MCH、南昌NCH、泉州QZH，最大經度差3.8°）和一條緯度鏈（從東向西為紅山LYH、榆林YUL、嘉峪關JYG、且末QIM、喀什KSH，最大緯度差2.4°），各取5個臺站，分別繪制靜日曲線（圖3）和擾日曲線（圖4），其中D為磁偏角，H為地磁場強度的水平分量，Z為地磁場強度的垂直分量。從圖中可見，磁靜日中緯度鏈上與經度鏈上的臺站數據曲線均呈現規則的日變形態。緯度鏈臺站（圖3（a））D、H、Z變化自東向西存在明顯的地方時變化，日變幅相當；經度鏈臺站（圖3（b））D分量變化無相位差異，自南向北日變幅逐漸增大，H、Z分量隨著緯度由低向高逐漸相位滯后，日變幅相差不大，且各臺站Z分量形態差異較大，說明其還受其他因素的較大影響。可見D分量隨經度變化存在相位差異，隨緯度存在日變幅不同；H、Z分量相位同時受到經度（地方時）和緯度差異的影響，除此之外，Z分量受其他因素影響較大。而在磁擾日即磁場存在較大擾動情況下，磁擾時間段（2015年3月25日9：00～21：00）各分量都存在同時性的擾動變化，即該段時間記錄的數據曲線形態受擾動與地方時的影響較小，不存在相位上的差異，其中H分量表現尤其明顯。

圖1 磁場平靜變化形態

圖2 磁場擾動變化形態

2 時鐘差來源分析

全國地磁觀測臺網在線運行的記錄儀包含多種型號，如質子旋進矢量磁力儀FHD系列、磁通門磁力儀GM系列、Overhauser磁力儀GSM系列等，儀器類型較多，各種儀器采用的授時方式和途徑存在差別，主要有2種對時方式，GM系列采用GPS授時，FHD系列和GSM系列儀器時鐘精度較高，理論授時誤差為1s／月，采用人工授時。

為了了解時鐘差的來源，筆者針對不同授時方式儀器分別挑選2015年3月25日存在較大時鐘差的兩套儀器——大武臺GM4-XL（快5min）和固原臺FHD-1（慢7min）進行分析。通過人工統計，向前追蹤其時鐘差變化規律。從統計結果（圖5）可以看出，大武臺（DAW）從3月2日開始每隔5～6天儀器時鐘差變大1min，由此可推測該鐘差變化應為儀器GPS校時失敗或校時設備故障，而儀器自身時鐘誤差較大造成；固原臺（GYH）從2月25日～3月26日時鐘差保持在7min，穩定性較好，3月27日9∶00后時鐘差變為0min，因為經過了人工校時操作，筆者繼續對該儀器時鐘變化向前追溯，在2014年12月26日時差變為6min，由此可知FHD系列時鐘差是因為數月時間不校時或人工授時不準造成的。

圖3 磁靜日多臺觀測曲線形態（2015-04-25）

圖4 磁擾日多臺觀測曲線形態（2015-3-25）

3 時鐘精度檢查方法

磁情指數K是用來描述每3h段（一天分為8個時段）的地磁擾動強度指數，表征磁場擾動強度的定量分級指數K值越大，表示磁場擾動越劇烈，一般當K＞3時，說明存在較強的磁場擾動。磁場擾動是在大區域甚至全球范圍內同步發生的，利用該特性，通過比對大區域內多套儀器或所有儀器的擾動開始、結束時間或極值時間，人眼可以很容易發現記錄數據不一致（圖6）。由圖4可看出，H分量的擾動是最明顯的。從9∶00～18∶00磁擾數據的極值點中，能很清楚的看出DAW（大武臺）的數據時鐘超前，另3套儀器（紅山、滿洲里和蒙城）的數據完全同步。由此可以推測，只需比對全臺網所有儀器磁擾區間極值點時間重合度即可以提取出數據時鐘存在錯誤的儀器，并計算出數據時鐘與實際時鐘差值，即擾動區間極值比對法（圖7）。

圖5 2015年2月25日～3月31日時鐘差變化趨勢

如圖7，假設MCH和DAW兩臺站儀器記錄數據時間分別為TMCH（t）和TDAW（t），其中MCH與標準時間重合，那么臺站DAW記錄時間與實際時間的差δt可以由擾動區間的極大值δtmax和極小值δtmin出現的時刻差異的平均值得到，即

那么，臺站DAW記錄數據時間與標準時間差可表示為

由于一套儀器所測各分量共用同1個時鐘，故任一分量數據時鐘錯誤即表明所有分量的數據時鐘是錯的。據此可得到時間準確性檢查方法的實現流程（圖8）。

從圖8可知，在該方法中，首先利用K指數確定擾動區間，確定極值計算區間；然后調用確定區間的全臺網地磁數據計算極大值和極小值時間點；再由極值點時間重合最多的儀器時間確定標準時間——因臺網現有儀器絕大多數采用GPS校時，而人工校時儀器時鐘數月穩定，故假設多數重合時間點為標準時間點；最后使用各套儀器記錄數據的極值點與標準時間進行比對，從而得到各儀器記錄時間與實際時間的差。其中極值點的確定和標準時間的計算是該法的兩個關鍵節點，具體步驟如下：

圖6 擾動期間多臺站曲線的對比

圖7 兩臺站觀測到的同步擾動曲線

（1）數據獲取 掃描選擇月K指數表中所有儀器的K指數，提取K＞3的3h時間段，獲得擾動起始時間列表，并拆分為0.5h時間區間（［ts，te］）列表tList0，記錄區間開始時間ts和結束時間te，然后讀取所有儀器H分量對應時間區間的預處理分數據。

（2）數據處理 去除單點尖峰，排除單點干擾后，計算tList0中各時間區間中所有儀器的極大時tmax、極小時tmin，選擇tmax和tmin為非區間邊界值的時間區間作為統計時間區間，獲得極大時極小時列表tList，然后統計極大、極小時點重復率，重復率最大的極大、極小時即為標準時間值t。

（3）時間比對與校正 由步驟（2）得到了極時列表tList（所有儀器的極大、極小時）和標準時間值t，由公式（1）和（2）進行所有儀器時間與標準時間值t的比對，獲得鐘差δt。

得到δt后，可對各臺儀器數據進行時間校正，即把數據前后平移，δt＞0時，數據向前平移；δt＜0時，數據向后平移，即可得到時間準確的數據。

圖8 時鐘準確性檢查方法流程

4 實驗結果

利用國家地磁觀測臺網2015年2月25日～3月31月間的預處理分數據對該方法進行檢驗，程序自動篩選了3月25日的數據——考慮到全臺網秒采樣儀器與分鐘采樣儀器（約120套）并存的現狀，且均能產出分數據，故本文研究方法針對分鐘數據進行時鐘校正研究，以增強方法的通用性。以1min時間精度進行檢查計算（表1、圖9），全臺網總共239套儀器，只有8套儀器判斷錯誤，時間判斷準確率達96.65%，且未檢出儀器均只存在1min時差，即對時差大于1min的異常檢出率100%；程序自動檢測出36套儀器存在時鐘異常，經人工核實，均為異常儀器；在檢出異常儀器中，除了2套時間差較大之外，檢出時間差與實際時間差最多相差1min，即針對檢出時間異常儀器能提供精度達到2min校正時間的準確率為94.44%。

表1 時間異常自動檢出情況統計

5 結論與討論

在地磁場觀測中，為了實現數據時鐘精度自動檢查而采用的擾動區間極值比對法，充分利用地磁擾動變化的大區域同步特性，該方法有效避免了地方時即經緯度的影響。經實驗，得到了很好的檢查效果，該方法檢查全國地磁觀測臺網239套儀器產出數據的時鐘精度，對這些儀器中分數據時鐘精度誤差大于1min的儀器檢出率達100%，且對94.44%的檢出儀器能提供較準確的校正時間，校正誤差不大于2min。證明該方法是實現地磁臺網大量儀器時鐘精度的自動監控檢查的可靠技術手段，可在此基礎上進一步實現軟件自動提醒臺站員工及時檢查儀器校時與設備狀態；可為數據使用者了解數據時鐘總體狀況提供參考依據，為擾動日期數據時差的校正提供了較大的便利，能有效減輕臺網管理者和科研工作者數據校核和數據清理的工作量；特別是在磁暴研究中，該方法可提供很好的鐘差校正數據。

圖9 時間異常儀器自動檢查與人工檢查結果對比

擾動區間極值比對法主要針對我國地磁觀測臺網儀器時鐘檢查自動化而設計，采用本臺網日常產出的3小時磁情指數K作為擾動區間判斷依據，主要為便于檢查系統的實現。若采用每小時磁暴環電流指數（Dst）判斷擾動區間，將使擾動區間定位更加精確，提高檢查效率，但目前我國暫無Dst指數產出；如果采用更長的計算窗長，解決大幅度異常時間的改進精度問題，本方法的準確度將進一步提升；該方法有效避開了地方時影響，但限于擾日數據的檢查和校正，靜日數據的自動檢查和校正有待進一步研究。

致謝本文利用數據由國家地磁臺網中心提供，在此表示感謝；特別感謝匿名審者對完善本文提供的寶貴意見。