基于中國地磁臺網數據的太陽靜日期間地磁場Z分量日變化幅度分析

趙旭東， 何宇飛*， 李琪， 劉曉燦

1 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 2 國家地磁臺網中心， 北京 100081

0 引言

地磁場的日變化特別是在太陽靜日期間主要由Sq電流所引起(Stening et al., 2005a, b).Sq電流存在于電離層中，并且具有一個較為規則的24 h變化周期(Orlando et al., 1993).它主要是由電離層中的潮汐風發電機作用產生(Richmond et al., 1976; Takeda, 1984).在地球的中、低緯度地區，Sq電流體系主要由向日面位于赤道南北兩側的兩個電流渦組成.北半球的電流渦逆時針流動，而南半球的電流渦順時針流動(Hibberd, 1981).Sq電流渦的中心通常出現在地方時的11∶30左右，并分別位于南北緯30°附近(徐文耀, 2003).

由于Sq電流體系的分布特征，地面臺站記錄到的地磁場各個分量的日變化表現有所不同.其導致水平分量H最直接的表現為在地方時中午附近低緯地區的H分量會顯著增加，而中緯地區的H分量會顯著減小(Hibberd, 1981). Sq電流體系焦點的位置可以用H分量的變化來進行追蹤，H分量變化幅度為零的緯度位置即為Sq電流體系焦點所處緯度(Butcher and Brown, 1981).應用地磁場H分量，許多學者研究了Sq電流體系焦點位置的逐日變化(Hasegawa, 1960; Brown and Williams, 1969; Hibberd and Davidson,1988). Sq電流體系引起的地磁場Y分量變化在中緯地區也是非常明顯的，而且相較于其他地磁場分量，Y分量對于地磁場中一些擾動變化的影響并不是特別敏感(Takeda, 2013a).基于Y分量的這一特點，Takeda(2002)分析了Sq變化幅度與電離層電導率的相關性，并認為對于某一固定月份，Sq變化幅度對于太陽活動的依賴幾乎可以完全歸因于該區域電離層電導率的影響.Takeda (2013a)進一步將地磁場Y分量與國際參考電離層模型(IRI)進行聯合分析，發現Sq電流體系引起的地磁場變化可以全部來自于電離層電導率的影響.而且，地磁場Y分量還受Sq發電機驅動的南北半球間場向電流的影響，由此可以解釋Sq變化磁場中Y分量與其他地磁場分量相異的季節變化(Fukushima, 1979; Yamashita and Iyemori, 2002; Park et al., 2011; Takeda, 2013b).

地磁場Z分量可以直接近似代表Sq電流體系的位型、強度及空間分布，相比于Y分量，Z分量對局部區域的磁場變化表現的更加敏感(Takeda, 2013a).Z分量的這一特點使其適用于研究Sq變化磁場的區域特征.地下電導率的不規則分布會在Sq變化磁場中產生局部異常，而該異常似乎對Z分量的影響大于X和Y分量(Hasegawa, 1960; 袁桂平等, 2018).基于Z分量的這一特點，地磁場日變化中的Z分量在地震研究中得到了廣泛應用.通常認為，地磁場垂直分量Z與地下的介質密切相關，而在地震發生前Z分量日變化幅度會產生異常(馮志生等, 2005).應用空間相關分析方法，地磁場Z分量的日變化異常可以被提取出來(林美和沈斌, 1982).其他方法如加卸載響應比，也證實了在提取地震前異常信號時地磁場Z分量日變化幅度的重要性(曾小蘋等, 1996; 馮志生等, 2000).

雖然許多地震研究是基于地磁場Z分量日變化異常進行的分析，但與H或Y等其他分量相比，地磁場Z分量對于Sq變化磁場的研究相對較少，尤其是在中國地區.Z分量更適合反映Sq變化磁場的局部特征.本文將不再分析地磁場Z分量與地震的關系，我們將主要深入研究中國地區地磁場Z分量在太陽平靜時期的變化特征.這一工作可以為使用地磁場Z分量進行異常分析的研究人員提供相關的背景參考信息.本文將首先對中國地區地磁場Z分量在太陽活動高低年不同月份的日變化幅度進行分析.其次，應用2008年以來的中國地磁臺網數據對太陽靜日期間地磁場Z分量12年的季節變化進行研究.最后，將云南地區地磁場Z分量日變化幅度與東南部地區進行對比分析，并討論電離層電導率、中性風和地下電導率對分析結果可能的影響原因.

1 數據及分析方法

地磁場Z分量日變化幅度是中國地磁臺網(Geomagnetic Network of China, 簡稱GNC)的一個重要數據產品.在“中國數字地震觀測網”項目的支持下，中國地磁臺網于2007年完成了數字化改造(Zhang et al., 2016).經過嚴格的地磁數據質量控制，GNC可以在48 h內實現從地磁臺站觀測到數據產品的發布(Xin and Zhang, 2011; Zhang and Yang, 2011).本文所使用的地磁場Z分量日變化幅度數據全部來自于GNC，包括覆蓋全國的大約130個具有連續和高質量觀測數據的地磁臺站，時間尺度為從2008年至2019年共12年.圖1為本文使用數據所涉及地磁臺站的分布圖，圖中的五角星表示臺站所處位置，并標注了臺站代碼.

圖1 地磁臺站分布圖Fig.1 The distribution of geomagnetic stations

地磁場日變化幅度是通過計算每個地磁分量每天在0600LT到1800LT之間最大值和最小值之間的差值得到.圖2為以河北紅山地磁臺(LYH，37.4°N，114.7°E)為例，展示的是2017年3月18日三軸磁通門磁力儀GM-4記錄的Z分量分鐘值數據的日變化情況.由于電離層電導率在夜間遠遠小于白天，因此在研究地磁場日變化時通常選取夜間觀測值作為基值(Takeda, 1984).如圖2所示，Z分量分鐘值數據已經消除了由子夜均值(0000—0300LT)計算得到的基值.由于所處日期為太陽靜日，位于北半球的地磁臺站觀測到的地磁場Z分量會在接近正午出現一個最小值.

圖2 太陽靜日地磁場Z分量日變化Fig.2 The daily variation of Z component on solar quiet day

如公式(1)所示，地磁場Z分量日變化幅度(ΔZ)為Z分量日變化曲線中的最大值(Zmax)與最小值(Zmin)之差.

ΔZ=Zmax-Zmin.

(1)

根據國際地磁太陽靜日列表，對于每一個臺站，每月最平靜5天靜日的ΔZ做平均來代表該月的地磁場Z分量日變化幅度，用ΔZm來表示.ΔZm可以由公式(2)來計算得到，式中的ΔZi表示一個月中每一靜日的ΔZ.國際地磁太陽靜日列表來自日本京都大學的世界地磁數據中心(World Data Center for Geomagnetism).

(2)

為了對地磁場Z分量日變化幅度進行季節變化分析，我們引入了勞埃德季節(Lloyd′s season).在地磁學中，通常使用勞埃德季節來替代傳統的四季劃分法，即一年分為3個季節：3月、4月、9月和10月是分點月份(春分和秋分)，用E表示；5月、6月、7月和8月是夏至點月份，用J表示；11月、12月、1月和2月是冬至點月份，用D表示(徐文耀, 2003).對于每一個臺站，地磁場Z分量日變化幅度的季節變化可以由公式(3)計算得到，并用ΔZs來表示.式中的ΔZmi為每個勞埃德季節中每個月的ΔZm，而ΔZs即為每個勞埃德季節中每四個月ΔZm的平均值，可以用來分析第24太陽周中從2008年至2019年12年期間地磁場Z分量日變化幅度的季節變化.

(3)

應用以上方法，我們將對中國地區地磁場Z分量日變化幅度的月變化、季節變化以及年變化情況進行研究，并對位于不同地區的Z分量日變化幅度差異進行對比分析.

2 結果分析

2.1 Z分量日變化幅度在太陽活動高低年的對比

在地磁太陽靜日期間，地磁場的日變化主要由Sq電流體系引起.Sq電流體系的產生與太陽密切相關，因此太陽活動將直接對Sq電流體系產生影響(Rastogi and Iyer, 1976; Takeda, 2002; 趙旭東等, 2014).根據太陽表面太陽黑子出現的頻率和平均數量，太陽活動的周期大約為11年(Usoskin et al., 2009).圖3顯示的是從2008年至2019年太陽黑子的變化情況.圖中的曲線是經過月平滑的太陽黑子數分布.它是由以相應月份為中心取前后共13個月的每月太陽黑子數，通過計算滑動平均值而得到，目前已成為用來常規定義太陽周期中活動最小和最大時間點的基本標準(http:∥sidc.be/silso/infosnmstot).太陽黑子數據來自位于比利時布魯塞爾的太陽黑子指數和太陽長期觀測天文臺(Sunspot Index and Long-term Solar Observations, SILSO data/image, Royal Observatory of Belgium, Brussels).如圖3所示，2010年至2016年是太陽活動的高年，峰值出現在2014年.太陽活動的極小值出現在2019年12月，因此來自美國宇航局(NASA)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的專家們宣布此時間點為第24太陽周的結束，并標志著一個新太陽周期的開始(https:∥www.nasa.gov/press-release/solar-cycle-25-is-here-nasa-noaa-scientists-explain-what-that-means/).作為對比，本文首先分別挑選2014年(太陽活動高年)和2019年(太陽活動低年)為例，對每一個月的地磁場Z分量日變化幅度ΔZm進行分析.

圖3 2008年至2019年月平滑太陽黑子數(SSN)分布情況Fig.3 The monthly smoothed sunspot number (SSN) variation from 2008 to 2019

應用GNC分布于全國的地磁臺站數據，通過樣條函數，我們得到了太陽活動高年2014年每月的ΔZm等值線分布情況.如圖4所示，ΔZm在中高緯(30°N以上)地區比中低緯地區(30°N以下)要小得多.在不同的月份，這兩個地區之間的差值可以從10 nT變化到30 nT不等. ΔZm的最大值出現在8月份，約為55.1 nT；最小值出現在1月份，約為5.7 nT.從圖中也可以直觀地看出ΔZm在不同季節上的差異，如3月、6月、9月和12月分別代表春季、夏季、秋季和冬季，表明ΔZm在夏季最大，冬季最小.

圖4 2014年中國地區ΔZm等值線每月變化情況Fig.4 The contour of monthly variation ΔZm in China in 2014

圖5展示的是太陽活動低年2019年每月的ΔZm等值線分布情況.與2014年相似的是，中高緯地區的ΔZm小于中低緯地區的ΔZm.其月變化和季節變化特征也與2014年(太陽活動高年)基本相同，但其幅度遠小于2014年.

圖5 2019年中國地區ΔZm等值線每月變化情況Fig.5 The contour of monthly variation ΔZm in China in 2019

正如本文第1節提到的，勞埃德季節適用于分析地磁場的季節變化.我們應用勞埃德季節對2014年和2019年兩年的地磁場Z分量日變化幅度進行季節變化分析.如圖6所示，黑色線和藍色線分別表示2014年和2019年Z分量日變化幅度的季節變化.圖中的每一個點為GNC所有臺站在該季節特定四個月的地磁平靜日期間Z分量日變化幅度的平均值，用來表示中國地區每個季節Z分量的日變化幅度.結果表明，無論是在太陽活動高年還是太陽活動低年，ΔZs總是夏至月最大，分點月次之，冬至月最小.所有季節都表現出相同的趨勢，即同一季節的ΔZs在太陽活動高年大于太陽活動低年.這一結果與先前的研究結果一致(Rastogi and Iyer, 1976; Takeda, 2002; 趙旭東等, 2014).對于同一季節，這兩年的平均差值也表現為夏至月差值最大(約8.0 nT)，分點月和冬至月的差值相似(都約為5.0 nT).

圖6 應用GNC計算得到的2014年和2019年ΔZs平均季節變化情況圖中的黑色和藍色線分別代表了2014年和2019年分點月(E)、夏至月(J)和冬至月(D)的變化情況.Fig.6 The averaged seasonal variations of ΔZs for GNC in 2014 and 2019The black and blue lines represent the variations in 2014 and 2019 respectively at the equinox months (E), summer solstice months (J) and winter solstice months (D).

2.2 Z分量日變化幅度在12年中的季節變化

在挑選太陽活動最高年(2014)和最低年(2019)對Z分量日變化幅度的月變化情況進行分析后，依據勞埃德季節我們對2008—2019年12年間Z分量日變化幅度的季節變化進行了統計分析.圖7顯示的是每一年分點月ΔZs的變化情況.在分點月中，ΔZs在中國北部地區比南部地區要小得多，它們之間的差值大約在20 nT以上.在某些太陽活動高年中，ΔZs等值線的最大值可以在40 nT以上，如2010年至2015年.分點月的ΔZs在2011年和2014年出現了兩個峰值，分別為47.2 nT和46.7 nT.在太陽活動低年，分點月ΔZs等值線的最大值約為30 nT，比太陽高活動年小得多.從圖7中還可以看出，無論在太陽活動高年還是太陽活動低年，分點月ΔZs等值線的最大值幾乎都出現在中國西南部的云南地區.

圖7 中國地區分點月ΔZs在12年中的變化情況Fig.7 The contour of seasonal variation ΔZs in China for equinox months in twelve years

與圖7相似，圖8展示的是每年夏至月ΔZs的變化情況.與同年的分點月相比，夏至月ΔZs在大多數年份都要大得多.但值得注意的是，在一些太陽活動高年，如2011年和2012年，ΔZs在夏至月和分點月的數值非常接近.而且，夏至月ΔZs在中國南北地區之間的差值也與分點月相似，差值都約為20 nT.在太陽活動高年，夏至月ΔZs等值線的最大值甚至可以達到50 nT以上，例如2014年和2015年.即使在太陽活動低年，夏至月ΔZs等值線最大值也能夠接近40 nT.與分點月同樣相似的是，夏至月ΔZs等值線最大值在太陽活動高低年也都出現在云南地區.

圖8 中國地區夏至月ΔZs在12年中的變化情況Fig.8 The contour of seasonal variation ΔZs in China for summer solstice months in twelve years

圖9為中國地區冬至月ΔZs的變化情況.從圖中可以看出，冬至月的ΔZs比分點月和夏至月要小得多.在大多數年份中，冬至月ΔZs在中國南方和北方之間的差值小于20 nT.冬至月ΔZs等值線最大值約為35.5 nT，出現在太陽活動最活躍的2014年.而其他年份的ΔZs等值線均小于30 nT.此外，每一年的冬至月ΔZs等值線最大值也出現在云南地區.這一特征與夏至月和分點月非常相似，我們將在第3節中進行詳細討論.

圖9 中國地區冬至月ΔZs在12年中的變化情況Fig.9 The contour of seasonal variation ΔZs in China for winter solstice months in twelve years

為了研究ΔZs在中國地區的總體變化特征，我們應用GNC所有地磁臺站對每年每個勞埃德季節的Z分量日變化幅度計算平均值，考察其在12年期間的變化情況.圖10a—c分別為12年間中國地區分點月、夏至月和冬至月ΔZs的年均值.如圖所示，ΔZs表現出很明顯的隨太陽活動而變化的趨勢.在太陽活動高年，這3個季節的ΔZs值都較大.夏至月的ΔZs在大部分時間里比其他兩個季節要大.類似于圖7和圖8所示，圖10中的中國地區ΔZs平均值在2011年和2012年的分點月和夏至月非常接近，數值為28.2 nT(2011E)與29.4 nT(2011J)和28.2 nT(2012E)與27.4 nT(2012J).特別是2012年，ΔZs平均值在分點月比夏至月大.這種現象可能是由控制Sq電流體系的因素，如電離層中的電導率和中性風所引起，我們也將在第3節中進行討論.分點月和夏至月ΔZs平均值的最小值和最大值都分別出現在2009年和2015年.而冬至月ΔZs平均值的最小值和最大值出現在2018年和2014年.這再次證明了對于每一個季節，ΔZs平均值的最大值和最小值分別出現在太陽活動的高年和低年.此外，冬至月ΔZs平均值的最大值基本等于分點月的最小值，大約為20 nT.

圖10 2008年至2019年中國地區ΔZs平均值變化情況(a)—(c)分別為分點月、夏至月和冬至月.Fig.10 The averaged seasonal variations ΔZsin China from 2008 to 2019(a)—(c) represent the equinox, summer solstice and winter solstice months.

2.3 Z分量日變化幅度在云南地區與中國東南部地區的對比

如之前的分析所示，ΔZm和ΔZs在中國地區的等值線最大值無論是在太陽活動高年還是低年大多出現在云南地區，尤其是分點月和夏至月更為明顯.本部分將進一步研究云南地區3個地磁臺站的地磁場Z分量日變化幅度.作為對比，位于中國東南部地區3個緯度相近的地磁臺站也將進行分析.圖11為6個地磁臺站的分布圖.其中，永盛(YSH)、楚雄(CHX)和通海(THJ)是云南地區的地磁臺站；邵武(SHW)、泉州(QZH)和新豐江(XFJ)是中國東南部地區的地磁臺站.這些地磁臺站的具體位置信息如表1所示.

表1 作為對比地磁臺站的位置信息Table 1 The compared stations location

圖11 作為對比臺站的分布圖圖中紅色點代表位于云南地區的地磁臺站，藍色點代表位于中國東南部地區的地磁臺站.Fig.11 The compared stations distributionThe red dots represent the stations in Yunnan Province and the blue dots represent the stations in southeast China.

與前面的分析方法一樣，所有6個地磁臺站的Z分量日變化幅度季節變化ΔZs被劃分為勞埃德3個季節.而對于每一個勞埃德季節，位于相似緯度的3對地磁臺站將進行比較，用來分析從2008年至2019年12年間ΔZs的變化情況.分組情況為YSH和SHW(第1對)、CHX和QZH(第2對)以及THJ和XFJ(第3對).此外，過去的12年也被分為太陽活動高年(2010年至2016年)和太陽活動低年(2008年至2009年和2017年至2019年).

ΔZs在地磁臺站間的對比情況如圖12所示.很明顯，無論什么季節，6個地磁臺站的ΔZs值在太陽活動高年均大于在太陽活動低年.圖12a—c表示的是分點月.第1對的對比臺站中， YSH的ΔZs要大于SHW，在太陽活動高年的平均差值為5.5 nT，在太陽活動低年的平均差值為3.6 nT.第2對中，CHX和QZH的ΔZs在太陽活動高年和太陽活動低年的平均差值分別為1.7 nT和1.9 nT.它們的差值表明在太陽活動高、低年之間沒有明顯的區別，即這兩個地磁臺站的分點月ΔZs在12年間顯示出非常相似的變化.第3對中的THJ和XFJ位于較低緯度.它們的ΔZs平均差值比其他兩對要大得多，在太陽活動高年和太陽活動低年分別為9.2 nT和8.7 nT.表2顯示了3對地磁臺站的ΔZs平均差值.根據圖12和表2，在云南地區的3個地磁臺站中，YSH和THJ具有較大的ΔZs，其值明顯大于中國東南部地區緯度相近的地磁臺站SHW和XFJ；CHX與位于東南部地區的QZH具有相近的ΔZs值.在12年的分點月中，THJ的平均ΔZs約為38.3 nT；YSH為35.2 nT，位居第二；CHX以30.0 nT排名第三.這一結果使分點月的ΔZs等值線在云南地區大多數年份具有兩個極值.而且，分點月的ΔZs等值線最大值也通常出現在云南地區，如圖7所示.

圖12 3對地磁臺站不同季節的ΔZs對比不同顏色的線表示不同的地磁臺站.(a)—(c)為分點月，(d)—(f)為夏至月，(g)—(f)為冬至月.Fig.12 The comparison of ΔZs for three pairs of stations in different seasons The different color lines represent different stations. (a)—(c) For the equinox months; (d)—(f) For the summer solstice months; (g)—(f) For the winter solstice months.

表2 3對地磁臺站ΔZs的平均差值(單位：nT)Table 2 The average difference of ΔZsin three pairs of stations (Unit: nT)

夏至月6個臺站的ΔZs如圖12d—f所示.3對地磁站的ΔZs表現出與分點月相似的變化情況.無論是在太陽活動高年還是太陽活動低年，所有3對地磁臺站間的夏至月ΔZs平均差值都或多或少高于分點月(見表2).在第1對中，YSH和SHW之間的平均差值在太陽活動高年和低年的差別不太明顯，約為6 nT.同樣，第2對中夏至點的ΔZs差值也沒有明顯的區別，CHX和QZH之間的平均差值小于3 nT.但是，最特別的一對是第3對，THJ和XFJ之間的平均差值非常大，在太陽活動高年和低年分別為12.2 nT和8.4 nT.這意味著位于相似緯度的THJ和XFJ在夏至月特別是在太陽活動高年期間表現出明顯不同的地磁場日變化.而且，在12年間的夏至月中，THJ的ΔZs平均值約為41.2 nT；YSH為36.9 nT；CHX為31.0 nT.THJ的夏至月ΔZs最大值為53.2 nT，出現在2015年，是近12年來太陽靜日期間GNC所有地磁臺站中的最大值.同樣值得關注的是，每個地磁臺站的ΔZs在某些太陽活動高年期間，其分點月和夏至月的值較為近似.例如， YSH的ΔZs在2011—2014年間(太陽活動高年)，分點月與夏至月之間的差值小于1 nT.類似的結果也可以從其他5個臺站中看到.

與分點月和夏至月不同，冬至月3對地磁臺站ΔZs的差異不太顯著.每一對地磁臺站的ΔZs變化情況保持了高度一致.從表2可以看出，在大多數情況下3對地磁臺站冬至月ΔZs的平均差值約為2 nT.這些結果表明，6個地磁臺站由于位于相似的緯度，它們在冬至月的ΔZs變化情況也基本相同.

根據上述分析，云南地區3個地磁臺站的ΔZs在分點月和夏至月表現出明顯不同的變化情況.但在冬至月，這3個地磁臺站的ΔZs變化幾乎相同.云南地區地磁臺站與東南部地區地磁臺站之間的對比分析也證實了YSH、CHX和THJ的ΔZs變化差異.太陽活動是影響電離層狀態的重要因素，而電離層中的電導率和中性風可以影響Sq電流體系的變化(趙旭東等, 2014).因此，地磁臺站的ΔZs在不同季節或在太陽活動高、低年表現出的不同變化行為首先是由太陽活動引起的.然而，云南地區地磁臺站間ΔZs的變化差異不僅與太陽活動有關，還可能與當地局部區域地下復雜的電性結構有關.太陽和地下電性結構的綜合作用可能使云南地區地磁臺站的分點月和夏至月的ΔZs在太陽活動高年和低年表現出較大的不同.

3 總結與討論

本文應用了GNC地磁臺站的地磁場Z分量日變化幅度數據，分析了太陽靜日期間地磁場日變化在太陽活動高年、低年，不同季節以及同緯度不同臺站之間的變化情況.

根據太陽黑子在近12年的變化情況，同一月份的地磁場Z分量日變化幅度在太陽活動高年明顯大于其在太陽活動低年.太陽靜日期間的地磁場日變化主要由電離層中的Sq電流體系引起.電離層中的電導率和中性風的變化與太陽密切相關，它們主要控制了Sq電流體系的強度和結構分布(Pedatella et al., 2011).此外，電離層電導率隨著太陽活動而發生顯著變化，并在太陽活動高年顯著增加(紀巧等, 2006).電離層電導率與太陽活動具有非常高的相關性(Takeda, 2002).電離層電導率由太陽的電磁輻射產生，它取決于電離層中性粒子、離子的密度和溫度(徐文耀, 2003, 2009).因此，電離層電導率是造成同一月份地磁場Z分量日變化幅度在太陽活動高低年差異的直接原因.

根據勞埃德季節，同一季節的Z分量日變化幅度在太陽活動高年(2010—2016)也表現出較高強度.這一變化與太陽活動強度相關，表明電離層電導率影響了同一季節的Z分量日變化幅度在不同年的變化情況.不同季節的Z分量日變化幅度相互比較表明，夏至月的幅度在大多數時間比分點月要大.無論是在太陽活動高年還是低年，冬至月的Z分量日變化幅度幾乎總是3個季節中最小的.但值得注意的是，在一些太陽活動的高年，分點月的幅度基本等于甚至大于夏至月.一些學者通過研究太陽周期中Sq電流體系的變化情況表明，電流強度可以在太陽活動高年的分點季節達到最大值(Campbell and Matsushita, 1982; 趙旭東等, 2014).在北半球，Sq電流體系使地磁場Z分量在中午附近減小，因此Z分量的日變化幅度在一定程度上也可以反映Sq電流體系的強度.另外一些學者認為，Sq電流體系在分點月達到最大值可能是由電離層中性風引起的(Amayenc, 1974; Matsushita and Xu, 1982).中性風主要由太陽的引力潮汐和熱潮汐產生的大氣潮汐作用所引起(Richmond, 1989, 1995).在太陽活動高年，分點月的中性風強度可能會高于夏至月和冬至月(Campbell and Matsushita, 1982; Yamazaki et al., 2009).電離層中的電導率和中性風是影響Sq電流體系的兩個主要因素.正是電離層中的電導率使得同一季節(月)的Sq電流體系在太陽活動高年具有較大的強度.但太陽活動高年分點月的Z分量日變化幅度出現較大值表明，除了電離層中的電導率外，中性風同樣可以對Sq電流有很大的貢獻.根據以上討論，我們可以推斷，電離層的電導率在大部分時間內對Sq電流的季節變化起主要作用；而當電離層的中性風變得更強，并產生與電離層電導率相等或更大的影響時，分點月的Sq電流體系強度就可能會比其他季節的強度更高.

地磁臺站在太陽靜日期間記錄到的地磁場日變化包括Sq電流體系直接產生的外源場和由Sq電流體系引起的地下感應電流產生的內源場(Titheridge, 1995).Sq電流體系引起的日變化通常表現為隨緯度和地方時變化，焦點分別位于南北半球緯度30°附近，且內源場強度通常約為外源場強度的一半(徐文耀, 2003, 2009).由于Sq電流體系的結構以及GNC地磁臺站的分布位置，Z分量的日變化幅度在中國地區表現為南方大于北方.但值得注意的是，地磁場Z分量日變化幅度的最大值幾乎總是出現在云南地區.通過將云南地區和東南部地區的地磁臺站進行對比表明，除了CHX臺外，YSH和THJ臺的Z分量日變化幅度在分點月和夏至月總是明顯大于位于同緯度的東南部地區臺站的幅度.這些結果顯示了，除了上面討論的電離層電導率和中性風影響外，云南地區復雜的地下電性結構也可能會改變地下感應電流繼而對內源磁場產生重大影響.在中國環渤海灣、甘肅省東部、唐山周圍地區和云南地區都發現了地下電導率存在異常(陳伯舫, 1974; 徐文耀等, 1978).地下電導率異常不僅與巖石成分和溫度有關，還與地震波低速區和地熱流異常區等地球物理現象有關(Rikitake, 1966).云南省位于特殊的地理位置，其區域內的構造活動強烈(袁伊人等, 2015).侯作中和史鐵生(1984)應用地磁場Z分量通過分析磁暴急始(SSC)和灣擾期間Wiese矢量的分布，推斷在云南省的地下存在著具有高電導率的局部地區.地磁場的異常變化在Z分量中表現尤為明顯(徐文耀等, 1978; 李琪等, 2006).如果地磁場Z分量的變化在一個局部區域內距離較近的觀測點之間存在顯著差異，則該區域的地下電導率存在著橫向不均勻性(Rikitake, 1966; 湯吉等, 1999).

大地電磁測深(MT)是研究地殼和上地幔結構的重要方法，可以根據地下電阻率的變化來分析深部物質的結構、組分以及賦存狀態(程遠志等, 2017).李冉等(2014)應用云南南部地區布設的孟連—羅平的北東向大地電磁測深剖面，開展了該地區的深部電性結構探測和孕震環境探查，表明在通海強震區位置的地殼中存在大規模的低阻(高電導率)異常體.程遠志等(2015)利用南北地震帶南段蘭坪—貴陽大地電磁測深剖面，對該區域的深部電性結構進行了研究，表明永勝地區上地殼存在規模較小的低阻(高電導率)體.本文中YSH臺和THJ臺的Z分量日變化幅度與CHX臺差異明顯，表明這兩個臺站所處位置的地下電導率可能較高，而且THJ臺的地下電導率要高于YSH臺，分析結果與上述學者的MT研究結果一致.如果將位于東南部地區緯度相近的地磁臺站作為參考背景臺站，則云南地區地磁臺站與參考臺站之間的Z分量日變化幅度差異可被視為由較高的地下電導率引起的增強感應磁場(內源場).通過對比，增強的感應磁場可以將YSH臺的Z分量日變化幅度從12.8%提高到18.6%.對于THJ臺，地下高電導率產生的增強感應磁場可以使太陽活動高年的分點月Z分量日變化幅度提高約30%，而在夏至月甚至可以提高到40%以上.表3顯示的是增強的感應磁場在Z分量日變化幅度中的百分比.由此可見，局部區域的地下高電導率可以使內源磁場強度大于通常認為的外源磁場強度的一半.

表3 增強的感應磁場在Z分量日變化幅度中的百分比Table 3 The percentage of enhanced induced field in the Z daily variations amplitude

通過以上討論，可以推斷地下高電導率的作用類似于在電離層電導率和中性風基礎之上的一個放大器，影響著太陽靜日期間的地磁場日變化.當外源磁場增加時，其放大器的效應更為明顯.然而在冬至月，由于電離層電導率和中性風的作用比其他季節要弱，地下高電導率對地磁場日變化的貢獻也較小，其放大器作用不明顯.這可以從冬至月云南地區地磁臺站與東南部地區緯度相近臺站極為相似的Z分量日變化幅度看出(圖12g—f).

4 結論

(1)對于同一月份或季節，Z分量日變化幅度在12年期間表現出與太陽活動的高度一致性.這一現象可能主要是由電離層電導率的變化引起.

(2)在一些太陽活動的高年中，Z分量日變化幅度在分點月表現出較高的強度.這可能是電離層中性風的季節變化起著重要的作用.

(3)在分點月和夏至月，云南地區地磁臺站的Z分量日變化幅度與同緯度東南部地區的地磁臺站表現出明顯的不同.這一差別可能與地下高導電率的放大器效應有關.

本文分析了近12年來中國地區地磁場Z分量日變化幅度的總體特征，對分析結果進行了討論并給出了可能的解釋，可以為地磁場日變化的異常分析工作提供一定的背景參考信息.然而就目前來說，電離層電導率、電離層中性風和地下電導率是如何綜合作用影響地磁場的日變化仍然是一個開放且有待解決的問題.未來的工作將在應用更多地磁臺站數據的基礎上開展更為深入的研究，特別是中國地磁臺網未來十年發展規劃將對中國西部地區的地磁臺站建設及觀測提供支持.另外，開展與地下電導率模型相結合的研究，也將完善我們的相關解釋.

致謝本文的地磁臺站數據來自國家地磁臺網中心，國際地磁太陽靜日列表來自日本京都世界地磁數據中心，太陽黑子數來自比利時布魯塞爾太陽黑子指數和太陽長期觀測天文臺.在此表示誠摯的謝意.