基于地震數據專家的子午鏈臺站地磁自動化產品系統設計與實現

陳洪凱 陳傳華 張 明 趙 帝 灑榮利

（中國山東 271000 山東省地震局泰安基準地震臺）

0 引言

地磁活動是一個復雜的時變過程，不僅有形態異、種類繁、頻譜寬、分量多的特點，還具有在空間上分布廣和形成原因復雜等特性（徐文耀，1994；張敏，2012）。地磁活動指數的發展由少到多、由簡單單組到復雜組合，多種形式逐步出現，從最早出現的C指數，到K指數、Dst指數以及極光電集流指數等，目前C-K-A系列指數仍是認識空間天氣預報和空間環境描述的主要指數（徐文耀，2009）。我國針對地表20—30 km 以上到幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層以及行星空間環境中的相關參數等進行連續監測，故而沿120°E 子午線附近、30°N 附近布設監測臺站，組成一個以鏈為主、鏈網結合的東半球空間環境地基綜合監測子午鏈（簡稱子午工程），作為我國“十一五”期間部署的國家重大科技基礎設施建設項目，于2008 年1 月開工建設，歷經4 年多，圓滿完成建設任務。

地球上存在的地磁場對帶電粒子、等離子體運動、電流體系、磁層、電離層結構等具有重要的調控作用，加之太陽電磁輻射的天頂角效應，導致空間環境的重要變化多沿地球子午線方向變化，因此子午圈位置具有特殊性。從全球角度來看，中低緯度地區以海洋為主，陸基地磁臺站數量較少，而我國地跨低中高緯度，對子午圈監測優勢明顯。子午工程的建立可以為各類用戶提供完整、連續、可靠的多學科、多層次空間環境地基綜合監測數據（劉瑞豐等，2007），而地磁指數報告自動化產出系統的數據來源是子午線附近的地磁觀測臺站，特別是磁暴期間，劇烈變化的磁場會對航空、航天、電網、通訊等地面技術產生影響，因此，對子午鏈地磁脈動和磁暴特征的研究，不僅在了解地球空間環境以及災害性空間天氣變化規律上有重要意義，同時也將在有效識別地震地磁異常信息中發揮重要作用。

1 系統設計與構建

子午鏈臺站地磁觀測系統原有軟件主要是為滿足臺站儀器監測、數據存儲等構建，在滿足多行業用戶需求、產品多樣化及移動互聯網適配方面存在短板。因此，為了進一步提高子午鏈臺站地磁觀測數據產品的服務能力，基于地震會商技術系統（張貝等，2020）的低代碼開發技術和地震數據專家（DatistEQ）可視化業務流程編輯軟件，結合地磁報告產品用戶需求，設計一套自動化業務流程，實現云端部署、自動化運行，并適用于手機等移動端瀏覽和訪問的子午鏈臺站地磁自動化產品系統。

根據應用需求，產品數據來源于國家地磁臺網中心前兆管理系統數據庫，選擇位于子午鏈附近的14 個臺站，分別為內蒙古滿洲里臺、浙江杭州地磁臺、山東馬陵山地震臺、湖北應城臺、湖南邵陽臺、廣東肇慶臺、海南瓊中地震臺、四川成都臺、西藏拉薩地磁臺、西藏察隅地震臺、河北紅山地震臺、內蒙古錫林浩特臺、重慶武隆仙女山臺和四川馬邊臺，通過對14 個臺站磁通門數據的讀取，獲取臺站磁通門D、H、Z三分量數據、K指數數據和最小值時間數據，并運用地震數據專家（DatistEQ）中Python 節點等進行自定義繪制或二次開發，最終形成5 個圖件，分別為子午鏈臺站D、H、Z三分量日最大變幅3 圖、子午鏈臺站極小值時間圖和子午鏈臺站K指數圖。子午鏈臺站指數報告技術路線示意圖見圖1。

圖1 子午鏈臺站指數報告技術路線示意圖Fig.1 Technical route diagram of the meridian station index report

2 系統功能與實現

在傳統工作模式下查看臺站各項指數時，需要在數據處理系統中手動輸入時間等參數，讀取地磁前兆數據庫數據，生成所需圖件，深加工成報告，操作步驟繁瑣，耗時長，效率較低。通過數據專家軟件，編寫報告流程，運行子午鏈臺站地磁指數報告自動產出系統，定時自動讀取地磁前兆數據庫中14 個臺站的數據，數據流經清洗、轉換、組合、制圖等流程，產生所需數據與圖形，最終保存為報告文件進行推送，提高了工作效率與準確率。利用子午鏈臺站地磁指數報告自動產出系統，結合地震數據專家（DatistEQ）功能，從K指數圖、D、H、Z分量最大日變幅圖、極小值時間圖3 個流程來實現數據處理與繪圖。

2.1 K 指數圖

讀取地磁前兆數據庫數據，獲取全部臺站K指數，按照選擇的14 個臺站進行過濾，通過列序、拆分、過濾、組合等一系列流程，生成數據文件，經由軟件中的Python 節點，繪制生成子午鏈臺站K指數圖（圖2）。

圖2 子午鏈臺站K 指數Fig.2 K index diagram of Meridional stations

圖3 子午鏈臺站D、H、Z 三分量最大日變幅分布Fig.3 Maximum amplitude distribution of D,H,Z components of Meridional stations

2.2 D、H、Z 分量最大日變幅圖

地磁擾動幅度在地磁儀D、H、Z三分量記錄上表現顯著，尤其在磁暴時段內，水平分量H表現更為明顯。因此，按照編輯流程，將子午鏈臺站D、H、Z分量日變幅值，以不同值域、不同顏色的方式標注在地圖上，直觀展示子午鏈臺站日變幅變化。

2.3 極小值時間圖

地磁前兆數據庫中選擇的臺站通過排列、篩選流程，按垂直分量Z低點時間進行順序排列，經時間換算、替換、過濾等流程節點，生成固定格式數據，使用JsChart 模塊對數據進行編程設計，將篩選排列完成的數據按時間比例繪制成餅狀圖，在中國地圖所示臺站位置上予以標注，由此更加直觀地顯示子午鏈上不同臺站垂直分量Z的低點位移情況（圖4）。

圖4 子午鏈臺站極小值時間Fig.4 The minimum time diagram of Meridional chain stations

3 結論與展望

地磁指數報告產出系統的構建，通過地震數據專家軟件，對前兆臺網備份中心數據源進行讀取、清洗、統計、繪圖、整合等操作，實現報告產出的一鍵自動化，并可經由微信端接口進行報告產品推送。該系統的優點在于，數據處理、參數計算等業務邏輯由用戶定義，自動生成XML 格式的流程代碼，不但可以提高工作效率及數據準確性，還可為地震行業數據業務自動化、流程化、智能化模式打下基礎。本研究結果和經驗，可為其他行業產品數據的自動化產出提供設計思路，為應用人員提供便捷數據來源和可視化數據圖形，便于快速研判以及精準決策，提高行業服務能力和辦事效率。

文中所述流程目前僅針對子午鏈臺站地磁相關指數的匯總與繪圖，后續仍需對臺站數據產品的產出深入挖掘，為地震事業及其他行業的深入研究提供便利服務。