基于Swarm衛星磁測分析全球地磁場垂直梯度

安柏林

摘? 要：本文基于Swarm衛星磁測數據，使用沿軌差分數據近似垂直向梯度的方法，計算并分析北向分量（X）、東向分量（Y）、垂直分量（Z）在全球的實測垂直梯度：△X⊥存在負異常中心，△Y⊥大致呈現南北展布，△Z⊥為東西走向。將強度值和空間分布與CHAOS-6模型得到的模型垂直梯度進行對比分析。結果表明，實測垂直梯度與模型垂直梯度的空間分布基本一致，具有相似的異常區和等值線走勢，但是兩者異常中心的位置和數值都存在差別。

關鍵詞：Swarm衛星? 地磁場梯度? CHAOS-6模型? 沿軌差分

中圖分類號：P315 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0023-03

Analysis of the Global Geomagnetic Field Vertical Gradient Based on Swarm Satellites

AN? Bailin

（Shaanxi Earthquake Agency， Xi'an， Shaanxi Province， 710068 China）

Abstract： Based on the Swarm satellite magnetic survey data， this paper uses the method of approximating the vertical gradient along the orbital differential data to calculate and analyze the measured vertical gradients of the north component （X）， east component （Y）， and vertical component （Z） in the world： △X⊥ has a negative anomaly center， △Y⊥ roughly shows a north-south spread， and △Z⊥ is east-west. The intensity value and spatial distribution are compared and analyzed with the model vertical gradient obtained by CHAOS-6 model. The results show that the spatial distribution of the measured vertical gradient and the model vertical gradient are basically the same， and they have similar anomalous areas and contour trends， but there are differences in the positions and values of the anomaly centers between the two kinds of vertical gradients.

Key Words： Swarm satellites; Geomagnetic field gradient; CHAOS-6 model; Differential along track

地磁場垂直梯度圖可以清晰地反映出地磁場在空間上的分布特征。對地磁場垂直梯度的研究一直備受各國學者的重視，以往國內學者的研究主要基于衛星數據建立的地磁場模型，采用微分的方式求得地磁場垂直向梯度，如安振昌等給出了使用球諧模型計算地磁場梯度的基本方法，根據國際地磁參考場IGRF1985模型分析了中國地區地磁場梯度的分布特點[1-2];康國發等研究了衛星磁測異常場的垂直梯度在中國及其鄰區的分布特征[3-5]。國外學者在CHAOS系列模型的建立過程中，提出采用雙衛星磁測差分數據近似地磁場梯度的方式，采用東西向梯度和南北向梯度獲取巖石圈的高分辨率模型[6-7]。

上述研究為我們計算和分析全球Swarm衛星磁測垂直向梯度提供了信息和思路，本文重點通過Swarm雙星磁測數據來計算全球的地磁場垂直向梯度，并將磁測垂直梯度與模型垂直梯度進行對比分析，為全球空間背景場提供更精確地數據。

1? 資料和方法

1.1 Swarm衛星數據處理和梯度計算方法

歐洲空間局于2013年11月22日發射了三顆衛星星座任務Swarm。Swarm衛星星座采用3星組網的空間聯測模式，預期工作5年。其中兩顆（Swarm Alpha，Swarm Charlie）在低海拔455km的極地軌道（傾角87.4°）上并排飛行。第三顆衛星Swarm Bravo在約520km的高度飛行，軌道傾角為88°，這3顆衛星組成不同地方時的三維聯測系統[10]。

本文使用2017年1月—2017年6月Swarm A與Swarm B兩顆衛星數據來計算地磁場垂直向梯度。

依次采用以下方法對數據進行初步處理和提取：首先選擇地方時21：00～5：00觀測時段的數據，其次對衛星磁測數據初步篩選的過程中，采用|Dst|≦30nT，Kp≦2nT的標準，選擇地磁平靜時期的觀測數據[11-13]。

本文選擇北向分量（X）、東向分量（Y）、垂直分量（Z）、總強度（F）四個地磁要素進行計算分析。計算垂直向梯度采用下列計算公式：

（1）

ti，ri，θi，φi，i=1，2是指Swarm A與Swarm B兩顆衛星的觀測時間，半徑，地理緯度和經度。

1.2 利用CHAOS-6模型計算南北梯度的方法

在使用模型計算南北梯度時，采用對地磁位函數求兩次導數的方法，得到地磁場X、Y、Z、F垂直梯度的表達式如下：

2? 結果

2.1 衛星磁測的地磁場垂直梯度分布特征

本文研究區域選擇180°W-180°E，87°S-87°N范圍，通過（1）式計算得到該區域內X、Y、Z、F的Swarm衛星磁測垂直梯度，繪制等值線圖1。

圖1中，△F⊥、△X⊥和△Z⊥的梯度分布特征鮮明，具有明顯的異常中心。△X⊥的零值線位于50°N～60°N之間，以北為正值，以南為負值，2個主要的異常區均位于南半球，其中正異常區位于南大西洋。△Y⊥的等值線走勢表現異常。△Z⊥存在4個主要的異常區，其中負異常區有3個。正異常區位于赤道附近。△F⊥均為負值，有4個異常區，其中正異常區位于南大西洋。

2.2 CHAOS-6模型計算的垂直梯度分布

圖2為CHAOS-6模型得到的全球垂直梯度等值線分布圖。

從圖2得到，△X⊥的異常區主要分布在中低緯度地區，印度洋區域出現強負異常中心，南非地區有弱正異常中心。△Y⊥有6個異常中心，正異常最強的地區位于南極洲東部。負異常最強的地區位于南極洲的西部。△Z⊥在北半球大部分地區為負值，零值線橫穿10°，以北為負值，以南為正值。2個負異常區分別位于北美洲和中亞地區。△F⊥在全球范圍內均為負值，存在4個異常區，在南大西洋地區出現強正異常區。另外3個負異常區分別位于北美、中亞、和印度洋與太平洋交界處。

3? 結論

本文使用Swarm衛星的磁測數據和CHAOS-6模型數據，計算并繪制了全球地磁場垂直梯度及其等值線分布圖，對全球地磁場的磁測梯度和模型梯度的空間分布特征進行分析，比較了兩種地磁場梯度值之間的差異，得到以下結果：

（1）△F⊥、△X⊥和△Z⊥的梯度分布特征鮮明，均呈現出明顯的異常中心。

（2）磁測垂直梯度與模型垂直梯度的X、Z、F三個要素的空間分布特征基本相同，其中△F⊥與△F⊥M的異常中心位置差距最小，△Z⊥與△Z⊥M異常中心的位置偏移最大。

（3）由于Swarm A與Swarm B星的原始磁測數據中的Y分量的值與理論Y值相差較大，使得△Y⊥的分布圖存在較明顯的偏差，如何對Swarm衛星磁測數據進行更精確的處理是以后的工作中需要思考的問題。

參考文獻

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[3] 李偉.青藏高原及鄰區密度的重力反演與孕震環境的研究[D].武漢：武漢大學，2018.

[4] 王粲，袁潔浩，王振東.基于2008年CHAMP衛星地磁總強度數據分析中國及鄰區地磁異常特征[J].地震研究，2017，40（3）：399-403.

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