1985—1990年地磁基準(zhǔn)臺(tái)站時(shí)均值數(shù)據(jù)集

張素琴 陳傳華 王建軍 趙旭東 何宇飛 李 琪 楊冬梅 胡秀娟

1）中國(guó)北京 100081 中國(guó)地震局地球物理研究所

2）中國(guó)山東 271000 山東省地震局泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)

3）中國(guó)蘭州 730000 甘肅省地震局

4）中國(guó)河北 054000 河北省地震局紅山基準(zhǔn)地震臺(tái)

0 引言

地磁場(chǎng)是一種全球性的地球物理場(chǎng)，由起源于地表以下的磁性物質(zhì)和電流形成的內(nèi)源場(chǎng)，以及起源于地表以上空間電流體系的外源場(chǎng)組成。因此，地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括著非常豐富的日地空間信息，決定了它在地球科學(xué)和空間科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。時(shí)間分辨力為1 s—1 h 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通常用于脈動(dòng)、鉤擾、灣擾、磁暴等各種短周期變化磁場(chǎng)的研究，用于日地空間電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的研究，同時(shí)在地下電性結(jié)構(gòu)探測(cè)、震磁觀測(cè)研究等方面發(fā)揮著重要作用（楊冬梅，2001）。秒采樣數(shù)據(jù)在評(píng)估感應(yīng)電流（GIC）對(duì)地下金屬管網(wǎng)（劉連光等，2016）、輸電網(wǎng)絡(luò)（Kappenman，1996；Bolduc et al，1998，2002；Boteler et al，1998；張燕秉等，2004；劉連光等，2008；Wik et al，2008；Liu et al，2009；Guo et al，2015）、通信電纜、高鐵線路（劉連光等，2016）等重大工程項(xiàng)目影響方面也具有重要的應(yīng)用，發(fā)揮了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。時(shí)間分辨力為1 h 至幾百年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，通常用于地磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化的研究，如地磁急變、磁極移動(dòng)、極性倒轉(zhuǎn)、偶極磁矩變化、西向漂移、非偶極場(chǎng)強(qiáng)度變化等，對(duì)于認(rèn)識(shí)地核內(nèi)部及核幔邊界的物質(zhì)流動(dòng)，探索地磁場(chǎng)的起源問題具有重要意義（徐文耀，2014）。地磁數(shù)據(jù)在探礦、導(dǎo)航等領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。

地磁學(xué)的發(fā)展應(yīng)用有賴于長(zhǎng)期的資料積累，因此在可能的條件下應(yīng)盡量取得連續(xù)的完整的觀測(cè)資料（徐文耀，1997）。利用最新的科學(xué)技術(shù)手段，對(duì)盡可能長(zhǎng)的地磁連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，從而獲取地磁物理場(chǎng)變化信息，一直是國(guó)內(nèi)外科研工作者常采用的方法。世界各國(guó)的科學(xué)家都非常重視觀測(cè)數(shù)據(jù)的積累和歷史數(shù)據(jù)的拯救工作。例如，最近俄羅斯日地物理學(xué)數(shù)據(jù)中心收集整理了前蘇聯(lián)1957 年7 月到20 世紀(jì)90 年代初的41 個(gè)地磁觀測(cè)站的K指數(shù)測(cè)定結(jié)果，涵蓋20 世紀(jì)后半葉，提供給國(guó)際科學(xué)界，用于對(duì)過去的地磁事件回顧性分析以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證或預(yù)測(cè)的研究（Natalia Sergeyeva et al，2020）。葡萄牙科英布拉大學(xué)的學(xué)者也收集整理了1866 年建立的葡萄牙科英布拉地磁觀測(cè)站（COI）150 多年的歷史資料，包括磁偏角、水平分量、垂直分量的絕對(duì)月均值系列，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了人工校正和通化，將數(shù)據(jù)通化至2015 年的水平（Morozova et al，2020）。INTERMAGNET 發(fā)行了最后的物理介質(zhì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在USB 上，包含1991—2015 年期間全球地磁臺(tái)站傳輸?shù)絅TERMAGNET 的分采樣數(shù)據(jù)（Thomson，2020）。我國(guó)自20 世紀(jì)70 年代開始，相繼在各地開展了地磁場(chǎng)的模擬觀測(cè)。由于當(dāng)時(shí)條件的限制，1990 年以前的數(shù)據(jù)大部分是手工記錄在紙介質(zhì)上的，紙介質(zhì)資料無法通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞，勢(shì)必對(duì)數(shù)據(jù)的共享和應(yīng)用造成影響。而且隨著時(shí)間的推移，這些寶貴的歷史資料面臨流失而無法整理的危險(xiǎn)。因此如何有效收集、整理這些資料，并用于科學(xué)研究，一直是我國(guó)科研工作者努力的方向（彭豐林等，2006；董星宏等，2009；趙秀寬等，2017）。然而由于實(shí)際條件限制，這些研究工作主要集中在某個(gè)地磁臺(tái)站，覆蓋范圍不夠廣。基于上述原因，也得益于“地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享項(xiàng)目”的實(shí)施，項(xiàng)目組對(duì)我國(guó)最早開始觀測(cè)的8 個(gè)地磁臺(tái)站，即北京白家疃、佘山、長(zhǎng)春、拉薩、廣州、武漢、蘭州、烏魯木齊地磁臺(tái)，俗稱為“老八臺(tái)”開展歷史資料的清理工作。“老八臺(tái)”的分布基本呈十字狀（程安龍，1995），承擔(dān)著監(jiān)測(cè)我國(guó)境內(nèi)地磁場(chǎng)時(shí)空變化規(guī)律的重要任務(wù)。因此將這些珍貴的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)整編、搶救出來，為科學(xué)研究和后人提供連續(xù)完整、準(zhǔn)確可靠的地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于研究各種地磁學(xué)現(xiàn)象，保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本次工作重點(diǎn)收集清理了“老八臺(tái)”1985—1990 年期間的歷史資料，然后采用數(shù)碼拍照和人工錄入方式，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)資料數(shù)字化，同時(shí)研制數(shù)據(jù)入庫(kù)軟件，將梳理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入“十五”數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行質(zhì)量審核，實(shí)現(xiàn)珍貴歷史資源的電子化、數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

1 數(shù)據(jù)采集和處理

1.1 觀測(cè)資料的收集整合

1990 年以前的地磁數(shù)據(jù)大部分為手工記錄的紙介質(zhì)資料，隨著時(shí)間的遷移許多一線觀測(cè)臺(tái)站的資料散落遺失，地磁學(xué)科管理組因?yàn)樨?fù)責(zé)全國(guó)資料評(píng)比的原因，大部分臺(tái)站報(bào)送的觀測(cè)報(bào)告得以妥善保存，但仍有部分資料缺失。項(xiàng)目組首先根據(jù)地磁臺(tái)站建臺(tái)產(chǎn)出報(bào)告年代，清理臺(tái)站應(yīng)有資料的年份，然后從學(xué)科管理組資料庫(kù)、所在單位資料室查找相關(guān)資料，并發(fā)動(dòng)臺(tái)站，從單位自身查找缺失資料，將查找結(jié)果反饋至學(xué)科管理組。管理組對(duì)查找結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)梳理，盡可能將分散在各處的資料收集整合起來，保證觀測(cè)資料盡可能完整齊全。經(jīng)過近一年的梳理整合，本次工作完成了白家疃、佘山、長(zhǎng)春、拉薩、廣州、武漢、蘭州、烏魯木齊8 個(gè)地磁臺(tái)1985—1990 年期間歷史數(shù)據(jù)的清理，數(shù)據(jù)內(nèi)容由磁偏角（D）、水平強(qiáng)度（H）和垂直強(qiáng)度（Z）3 個(gè)要素的絕對(duì)時(shí)均值組成。

本數(shù)據(jù)庫(kù)（集）元數(shù)據(jù)簡(jiǎn)表見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)（集）元數(shù)據(jù)簡(jiǎn)表Table 1 Metadata table of the geomagnetic datasets

1.2 紙質(zhì)資料數(shù)字化

采用500 萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)，借助燈光拍攝紙質(zhì)資料的照片（圖1），利用文字識(shí)別軟件對(duì)照片進(jìn)行識(shí)別，并與紙介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性核對(duì)，發(fā)現(xiàn)軟件的文字識(shí)別效果不理想。因此，采用人工錄入方式實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)資料的數(shù)字化。

圖1 紙質(zhì)資料照片F(xiàn)ig.1 Photos of observation reports

設(shè)計(jì)一套excel 模板，統(tǒng)一數(shù)據(jù)錄入格式。模板錄入?yún)?shù)包括D分量絕對(duì)時(shí)均值、H分量絕對(duì)時(shí)均值、Z分量絕對(duì)時(shí)均值、標(biāo)度值、標(biāo)準(zhǔn)變遷、基線值、日變幅7 個(gè)工作簿。每個(gè)絕對(duì)時(shí)均值錄入工作簿由14 個(gè)工作表組成，分別為錄入說明表、每年1—12 月的數(shù)據(jù)表和自動(dòng)匯總表。每月數(shù)據(jù)工作表又包含臺(tái)站代碼、測(cè)點(diǎn)ID、日期、大數(shù)、24 個(gè)時(shí)均值和一個(gè)日均值（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)錄入excel 模板Fig.2 Template for data input

1.3 數(shù)據(jù)入庫(kù)

研發(fā)“十五”數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件（具有參數(shù)配置、數(shù)據(jù)錄入、質(zhì)量監(jiān)測(cè)和查詢輸出的功能），實(shí)現(xiàn)數(shù)字化數(shù)據(jù)的入庫(kù)操作（圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件Fig.3 Software for data import

2 數(shù)據(jù)內(nèi)容（樣本）描述

2.1 IAGA2002 格式

入庫(kù)后的數(shù)據(jù)可以按用戶需求格式導(dǎo)出保存。本數(shù)據(jù)集采用國(guó)際地磁與高空物理協(xié)會(huì)推薦的IAGA2002 國(guó)際通用磁數(shù)據(jù)交換格式（International Association of Geomagnetism and Aeronom，2003）。IAGA2002 的格式描述如下。

（1）12 個(gè)強(qiáng)制性和1 個(gè)可選文件頭記錄。第1 列以空格字符開頭，并在第70 列以豎線“|”結(jié)束，內(nèi)容標(biāo)簽從第2 列開始，描述從第25 列開始。

（2）可選的注釋記錄，用來記錄未包含在已定義字段中數(shù)據(jù)的重要信息。該注釋記錄在第1 列以空格字符開頭，第2 列以＃開頭，每個(gè)記錄末尾用豎線“|”表示。

（3）1 個(gè)強(qiáng)制性數(shù)據(jù)頭記錄。該記錄內(nèi)容包括DATE（日期）、TIME（時(shí)間）和DOY（一年中的第幾天）。磁場(chǎng)要素標(biāo)頭包含4 個(gè)字母：3 個(gè)字母為IAGA 編碼，1 個(gè)字母為所報(bào)告的磁場(chǎng)要素。有效值為H、D（或E）、I（或V）、X、Y、Z、F（或G）。列標(biāo)題以空格分隔。每個(gè)記錄末尾用豎線“|”表示。

（4）一系列數(shù)據(jù)記錄。每條數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)70 個(gè)字符，包含報(bào)告的日期、時(shí)間和磁場(chǎng)要素以及回車符/換行符。數(shù)據(jù)記錄嚴(yán)格地報(bào)告4 個(gè)磁場(chǎng)要素（DHIF、DHZF 或 XYZF）。若少于4 個(gè)要素，則以相應(yīng)精度的99999（如99999.0 或99999.00）表示缺失數(shù)據(jù)，未觀測(cè)數(shù)據(jù)則在該字段中用88888（至相應(yīng)的準(zhǔn)確度）表示。

（5）推薦的文件命名規(guī)則。文件名由2 部分組成，即基本名稱和3 個(gè)字符的擴(kuò)展名，使用句點(diǎn)將基本名稱與擴(kuò)展名分開。基本名稱最長(zhǎng)為27 個(gè)字符，擴(kuò)展名為3 個(gè)字符。文件名由小寫字母a—z、0—9、下劃線“_”和破折號(hào)“-”組成。文件名必須以IAGA 代碼（由3 個(gè)字母iag 組成）、日期和數(shù)據(jù)類型開頭，通用格式為iagyyyymmddtint.int，其中：iag 是各個(gè)地磁臺(tái)站根據(jù)IAGA 要求編寫的臺(tái)站代碼（3 個(gè)字母）；yyyy=4 位年份；mm=2 位數(shù)月份；dd=2 位數(shù)天（01—31）；t=類型數(shù)據(jù)（p：臨時(shí)，d：確定，q：準(zhǔn)，v：變化）；int=數(shù)據(jù)間隔（mon：每月，day：每天，hor：每小時(shí)，min：每分鐘，sec：每秒）。

2.2 數(shù)據(jù)集內(nèi)容

本數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)記錄來源于所選8 個(gè)國(guó)際地磁資料交換臺(tái)站1985—1990 年的資料（表2），數(shù)據(jù)內(nèi)容由磁偏角（D）、水平強(qiáng)度（H）和垂直強(qiáng)度（Z）3 個(gè)要素的絕對(duì)時(shí)均值組成。每月一個(gè)數(shù)據(jù)文件，文件由文件頭和數(shù)據(jù)組成。以北京白家疃地磁臺(tái)站1985 年數(shù)據(jù)為例，給出文件頭和數(shù)據(jù)樣例，見圖4、圖5，其中D分量單位為分（即角度′），H、Z、F分量單位為nT。

圖4 文件頭樣例Fig.4 An example of file header

圖5 數(shù)據(jù)樣例Fig.5 An example of data

表2 數(shù)據(jù)集中8 個(gè)地磁臺(tái)站信息Table 2 Information of 8 geomagnetic stations in the datasets

在數(shù)據(jù)集中選取1989 年1 月佘山、武漢（九峰）、廣州（肇慶）3 個(gè)臺(tái)站的磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z時(shí)均值數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線，結(jié)果見圖6—圖8，可見各分量有明顯的靜日和擾日變化形態(tài)。

圖6 佘山、九峰、肇慶地磁D 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.6 Daily variation data for D component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

圖7 佘山、九峰、肇慶地磁H 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.7 Daily variation data for H component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

圖8 佘山、九峰、肇慶地磁Z 分量日變化曲線（1989 年1 月）Fig.8 Daily variation data for Z component at observatories SSH,WHN and GZH（Jan.,1989）

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

將觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，采取計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理和人機(jī)交互檢驗(yàn)的方法，評(píng)估觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性、日變形態(tài)的準(zhǔn)確度、長(zhǎng)趨勢(shì)變化的穩(wěn)定性，并從觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等方面，分析數(shù)據(jù)質(zhì)量影響因素，以便有效監(jiān)控觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.1 數(shù)據(jù)完整率

完整率=（應(yīng)有觀測(cè)樣本數(shù)－原始缺記觀測(cè)樣本數(shù)－預(yù)處理刪除樣本數(shù)）/應(yīng)有觀測(cè)樣本數(shù)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響本數(shù)據(jù)集完整率的主要因素是儀器故障停測(cè)，如拉薩地磁臺(tái)1989年因儀器故障暫時(shí)停止觀測(cè)，并于1990 年恢復(fù)觀測(cè)（表2 備注）。表3 給出的是1985—1990 年8 個(gè)地磁臺(tái)站的數(shù)據(jù)完整率。

表3 1985—1990 年8 個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)完整率Table 3 The data integrity of 8 geomagnetic stations from 1985 to 1990

3.2 日變化形態(tài)準(zhǔn)確度評(píng)估

鄰近臺(tái)站或同一經(jīng)度鏈磁場(chǎng)日變化形態(tài)具有較好的空間相關(guān)性，基于該原理，對(duì)本數(shù)據(jù)集中臺(tái)站絕對(duì)時(shí)均值數(shù)據(jù)日變化一致性進(jìn)行分析。選取分布在120°E 附近的北京、長(zhǎng)春、武漢（九峰）、廣州（肇慶）地磁臺(tái)站1985 年1 月記錄的D、H、Z三分量時(shí)均值數(shù)據(jù)，繪制時(shí)序曲線，見圖9，可見同一經(jīng)度鏈的臺(tái)站地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)日變形態(tài)一致性較好。

圖9 120°E 鏈附近北京、長(zhǎng)春、九峰、肇慶臺(tái)站三分量時(shí)均值日變化曲線（1989 年1 月）Fig.9 Hourly mean values curves for D,H and Z components at observatories BJI,CNH,WHN and GZH near 120° E（Jan.,1989）

3.3 長(zhǎng)趨勢(shì)變化穩(wěn)定性分析

地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化主要受地球主磁場(chǎng)的控制，因此相鄰地磁臺(tái)記錄的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)具有一定相關(guān)性。但由于地殼分布的不均勻性，當(dāng)臺(tái)站間的距離增大時(shí)，其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)又有差異，因此可繪制各臺(tái)站地磁日均值圖，通過對(duì)比鄰近臺(tái)或相關(guān)臺(tái)之間地磁日均值的分布形態(tài)和差值曲線，判斷臺(tái)站絕對(duì)日均值數(shù)據(jù)長(zhǎng)趨勢(shì)變化穩(wěn)定性，達(dá)到對(duì)資料質(zhì)量的檢驗(yàn)。選取分布在120°E 附近的北京、長(zhǎng)春、佘山、廣州（肇慶）4 個(gè)臺(tái)站1985—1990 年D、H、Z三分量日均值數(shù)據(jù)，繪制時(shí)序曲線，結(jié)果見圖10，可見同一經(jīng)度鏈的地磁臺(tái)站記錄長(zhǎng)趨勢(shì)變化穩(wěn)定，一致性較好。

圖10 120°E 附近北京、長(zhǎng)春、九峰、肇慶臺(tái)站三分量日均值曲線Fig.10 Daily mean values curves for D,H and Z components at observatories BJI,CNH,SSH and GZH near 120°E

4 數(shù)據(jù)應(yīng)用前景

本數(shù)據(jù)集可用于開展地磁場(chǎng)建模、地磁圖編繪、主磁場(chǎng)及其長(zhǎng)期變化、地磁異常場(chǎng)分析等研究工作，直接或間接服務(wù)于導(dǎo)航、能源和礦產(chǎn)資源的探查；可用于開展磁暴特征和過程的研究工作，建立磁暴預(yù)報(bào)模型，為通訊、電網(wǎng)、高鐵、油氣管道、航空和空間天氣預(yù)警服務(wù)；還可用于震磁異常信息監(jiān)測(cè)與提取，為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)服務(wù)。

5 結(jié)論

文中介紹了1985—1990 年8 個(gè)地磁基準(zhǔn)臺(tái)站地磁時(shí)均值數(shù)據(jù)集的獲取建立過程、質(zhì)量評(píng)價(jià)及應(yīng)用前景，數(shù)據(jù)集涉及的地理區(qū)域跨度大，對(duì)于地磁場(chǎng)，尤其是主磁場(chǎng)及主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化的研究具有重要價(jià)值。紙質(zhì)資料的搶救是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力的工作，數(shù)據(jù)的收集、清理及數(shù)字化需要耗費(fèi)大量人力物力資源。在此次地磁歷史數(shù)據(jù)集的獲取過程中發(fā)現(xiàn)了較多問題，如：①因時(shí)間久遠(yuǎn)，紙質(zhì)報(bào)表破損較多，有些報(bào)表中字體顏色不同程度地變淺，給正確識(shí)別帶來一定困難，只能采取人工鑒別方式錄入；②個(gè)別臺(tái)站信息不完整，為確定某個(gè)臺(tái)站信息，往往需要耗費(fèi)大量精力查詢資料；③受歷史、自然條件及其他原因制約，一些臺(tái)站資料已經(jīng)缺失，造成無法彌補(bǔ)的損失；④分析入庫(kù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，一些臺(tái)站數(shù)據(jù)資料存在質(zhì)量問題，若不加以處理或標(biāo)注，將影響后續(xù)科研工作的開展。

針對(duì)數(shù)據(jù)集獲取過程中出現(xiàn)的問題和不足，計(jì)劃在下階段工作中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行綜合修改和完善，補(bǔ)充新的歷史觀測(cè)資料，并加強(qiáng)數(shù)據(jù)質(zhì)量審核工作。

地磁基準(zhǔn)臺(tái)站時(shí)均值1985—1990 年數(shù)據(jù)集是一項(xiàng)集成性成果，研究工作的順利開展與項(xiàng)目組全體成員的辛勤勞動(dòng)和共同努力是分不開的，在此對(duì)長(zhǎng)春地磁臺(tái)、烏魯木齊地磁臺(tái)、北京白家疃地磁臺(tái)、蘭州地磁臺(tái)、佘山地磁臺(tái)、武漢地磁臺(tái)、拉薩地磁臺(tái)、廣州地磁臺(tái)的工作人員表示衷心感謝。