舒曼谐振是全球性的天然场电磁共振，由地球和电离层空腔中全球雷暴闪电电流自然激发，在地球和电离层构成的波导腔中产生电磁波共振（谐振）.由于共振作用，舒曼谐振频段电磁波的能量明显高于其它频率，且谐振峰值展现的频谱密度由于各自模式在传播空腔中随频率增加以大约20%衰减.其最早于1952年由德国慕尼黑理工大学的WinfriedOttoSchumann教授发现^[1].舒曼谐振的特点主要有三个方面：（1）电磁波在球形的空腔中传播；（2）地球和电离层之间的空腔作用为波导；（3）谐波是由闪电放电激发的.舒曼谐振的谐振频率主要由地球的尺寸决定，其谐振基波波长等于地球周长，舒曼谐振的频率范围属于国际电联无线电频率标准划分中的极低频和超低频（3~300 Hz）频段.

各国科学家开展了对舒曼谐振振幅、传播途径、特征频率等方面的深入研究^[2-9].在Williams^[10]提出利用舒曼谐振的强度可以指示全球热带温度的变化后，利用舒曼谐振现象对全球闪电的探测以及其在研究全球气候变化中的应用受到了越来越多的重视^[11-15].最近几年，有研究发现在地震前几天至一周时间，会出现舒曼谐振某些频率的振幅突增和固有频率偏移的现象^[16-18]，引起了利用舒曼谐振频率电磁异常来进行地震短临预报方面的研究.

大量观测研究发现在地震发生前，存在电磁异常现象，频段范围从甚高频（VHF）到至低频（TLF）及直流（DC）各频段^[19-23]，尤其是在极低频和超低频段（3~300 Hz），这种异常更为明显^[24-29]，而舒曼谐振频率在此频段范围内.日本学者Hayakawa和Ohta等^[16]利用1999年初布置在日本中津川（Nakatsugawa）的ULF/ELF电磁监测仪器，观测到发生在1999年09月21日的台湾集集地震前和同年嘉义地震前的舒曼谐振电磁异常，主要是第4阶谐振频率信号振幅发生突跳和明显频移（约2 Hz）.Hayakawa^[17]利用布置在日本茂尻（Moshiri）的电磁仪器观测到发生在2006年12月26日7.3级台湾地震，在震前3天第3、4阶谐振频率振幅增强的现象，然后恢复正常.地震前引发的舒曼谐振异常表现在能量和形态上的相关异常.

地震预报这个科学难题，其机理研究是关键，也需要有效预测方法的支持.在地球和电离层空腔中传播的舒曼谐振，具有稳定的频域参数和频谱结构，可以作为稳定的参照信号，为地震引发多层耦合机理的研究提供可靠的观测和分析平台^[30].而清楚舒曼谐振背景变化规律，就有可能辨别出地震前观测到的舒曼谐振异常现象，进一步促进地震短临预报工作.因此，本文利用处于北半球中低纬度的极低频台站观测到的天然电磁场数据，开展了舒曼谐振随季节和纬度的背景变化规律初步分析研究，为今后判断舒曼谐振频段地震电磁异常提供理论依据.

“十五”期间，中国地震局在全国建设了12个极低频台站（图 1），这些台站自2007年开始陆续安装和运行，从2009年8月开始按照统一的规范进行连续观测.目前主要观测0.1~800 Hz的天然电磁场，这为本文的研究提供了重要的数据基础.

图 1

Fig. 1

图 1 极低频台站分布图（黑色实心圆表示台站位置） Fig. 1 The distribution of 12 ELF stations (The black solid rounds are locations)

各极低频观测台站统一使用俄罗斯生产的ACF-4M型ELF电磁观测仪器，观测采用正南北、正东西布置，观测参数包括4个分量的电磁场信号：2个分量水平电场（东西向的E_x和南北向的E_y）和2个分量的水平磁场（南北向的H_x和东西向的H_y），电场传感器（Pb-PbCL₂不极化电极）和磁场传感器（感应线圈）均埋入地下，连接线采用埋地（80 cm深度）敷设，场地布置如图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 台站观测仪器的布置 Fig. 2 Layout of observing instruments

经过多次观测和对比，发现凌晨是电磁干扰最小的时间段，因此台站均在零点开机进行观测，保证了天然电磁场记录的时间同步性.台站每次记录三个频段：高频段D3：1~800 Hz；中频段D2：1~400 Hz；低频段D1：0.1~40 Hz，采样频率分别为：3200、1600、160 Hz.每一频段的记录时间为：D3频段0:00~0:20，D2频段0:30~1:30，D1频段1:40~5:40.舒曼谐振频率在观测的D1和D2频段内.谐振频率f_n可以由下式^[31-32]表示：

式中，n为谐振阶，n=1，2，3，…，7；c为电磁波速度，在真空中等于光速；a为地球半径.它还包含几个谐振频率（n=2，3，…，7），分别为13.8、19.7 Hz、25.7、31.7、39 Hz和45 Hz左右.这些频率值可能会因为太阳引起的地球-电离层空腔顶部电离层的扰动等因素产生少许的变化，偏移量一般在0.5 Hz左右^[17].

极低频台站记录的数据通过网络传输到台站计算机后，由台站工作人员使用专用软件和固定参数进行快速傅里叶变换和仪器标定等处理，得到电磁场的自、互功率谱，视电阻率和阻抗相位等文件，再上传至中国地震局地质研究所的ELF电磁数据中心服务器.为了更好地描述电磁场强度及其变化，采用功率谱密度的分析方法，通过电磁场的能量来进行分析，这里对观测的各电磁场分量采用的是自功率谱密度.

由于12个极低频台站仪器的工作情况和电磁干扰环境不同，首先选取长春合隆台2009年01月01日至2011年05月31日期间观测的数据进行电磁场季节背景变化分析；然后选取2009年08月01日至2010年07月31日连续一年时间内记录情况良好、数据较齐全的长春合隆台（44.05°N，125.22°E）、河北红山台（37.4°N，114.71°E）、江苏南京台（32.05°N，118.86°E）和海南琼中台（19.03°N，109.84°E）四个台站的数据进行电磁场纬度背景变化分析.

每天对各个台站当天观测的电磁场自、互功率谱数据进行整理归类，记录台站每日观测情况和数据缺失情况.然后编写频率提取软件，抽取各舒曼谐振频率的电、磁场分量的自功率谱数据，绘制成随时间变化的功率谱曲线.利用单一台站的观测数据，可以分析舒曼谐振随季节的变化规律，而利用多个台站的观测数据，能分析舒曼谐振随时空的变化规律.进而可以得到舒曼谐振的背景变化规律，以及极低频段的电磁场活动规律.

天然电磁场信号微弱，易受到各种干扰影响.因此在对选用的数据进行分析处理前，有必要对原始数据进行预处理.为了减少人为干扰和资料处理等因素的影响，首先检查各台站观测日志，确保数据是在正常情况下记录和处理的.然后观察电磁场功率谱曲线图，各台站舒曼谐振频段电磁场强度范围正常分布如表 1.去除数据在表 1分布范围外明显的异常值，尽量保证数据的可靠性.计算每个台站各频率的电磁场分量的年平均值，用得到的年平均值代替剔除的异常点，以保证数据的连续性.

表 1(Table 1)

表 1 各台站在舒曼谐振频段电磁场强度分布范围 Table 1 The EM field intensity distribution in SR frequencies of stations

表 1 各台站在舒曼谐振频段电磁场强度分布范围 Table 1 The EM field intensity distribution in SR frequencies of stations

为了进一步减小天然电磁场中噪声的影响，突出舒曼谐振的背景变化，对预处理后的数据进行滑动平均去噪.在滑动平均处理过程中，若采用长窗口，会大大拉平原始曲线，影响分析解释工作，甚至得出错误结论；但采用小窗口，不能达到突出背景，平滑曲线的效果.本文分别采用7、11、15日窗口长度进行滑动平均处理对比，使滑动平均后结果在尽量吻合原始曲线的同时，能反映舒曼谐振电磁场的背景变化.图 3为长春电磁台（CNH）7.83 Hz电磁场的自功率谱和经过7、11、15次滑动平均后的结果.

图 3

Fig. 3

图 3 （A）CNH台7.83 HZ原始数据预处理后功率谱图；（B-D）滑动平均窗口长度分别为7，11，15日 横坐标为2009-08-01-2010-08-01的时间轴，纵坐标为电磁场自功率谱强度，从上往下红色、蓝色、黑色、绿色曲线分别代表南北道磁场、东西道电场、东西道磁场、南北道电场. Fig. 3 (A) The 7. 83 Hz auto-spectrum power curves after data preprocessing at station CNH; (B)~(D) TThewindow lengths of moving average are 7, 11 and 15 respectively. The abscissa is August 1, 2009 to August 1, 2010. The ordinate is the EM field auto-spectrum power, and the red, blue, black and green curves represent the N-S magnetic field, the E-W electric field, the E-W magnetic field and the N-S electric field respectively.

从图中可以看到，采用不同窗口长度滑动平均处理均能获得近似平滑曲线.采用7日小窗口平滑处理，很多小的干扰信号依旧存在，对背景变化的分析有一定的干扰.采用11日窗口长度不仅能较好地吻合原始曲线，而且曲线更加平滑，可以更方便地进行电磁场背景分析.窗口继续增大平滑程度相差不大，因此以下分析中均采用11日窗口长度对各台站的观测数据进行滑动平均处理.

各台站观测的天然电磁场自功率谱强度曲线图，电场数据普遍干扰较大.这是由于电场信号具有很强的局部效应，受台站的地下结构影响较大，台站周围的各种人文干扰对大地电场的影响也较大.而磁场信号往往比电场信号具有更好的信噪比和区域对比性.由图 3可见电磁场4个分量的变化趋势较为一致.因此以下以磁场自功率谱曲线图为例，来分析舒曼谐振频率电磁场背景变化规律.

图 4是长春合隆台2009年01月01日至2011年05月31日的南北（A）和东西（B）道磁场数据.图中横坐标为时间轴，并以季节为单位划分，纵坐标为磁场自功率谱强度.中国处于北半球中低纬度地区，一年分别可以按3~5月、6~8月、9~11月、12~2月划分为春夏秋冬四个季节.为了方便对比，图中时间轴按此4个季节划分.从图 4中可以看出，磁场曲线均有夏季升高，冬季回落的现象，呈正弦函数形式，并且以一年为周期.随着舒曼谐振本征频率的增高，磁场强度逐渐减弱.图中磁场曲线在2010年底至2011年初有强烈扰动现象，是由于长春台在此期间有仪器死机，重启仪器造成的干扰.

图 4

Fig. 4

图 4 CNH台舒曼谐振频段磁场功率谱曲线图 （A）南北磁场；（B）东西磁场. Fig. 4 The magnetic field intensity curves in SR frequencies at CNH (A) is N-S magnetic field; (B) is E-W magnetic field.

长春台电场数据和其它台站的电、磁场数据也有同样的变化趋势：电、磁场强度呈现夏季强、冬季弱的变化，大致以一年为周期的正弦函数形式，振幅变化基本在2~3个数量级以内.

在12个台站中，我们选取了运行情况较好，经度差异小，能反映纬度变化的吉林长春、河北红山、江苏南京和海南琼中台作为研究纬度变化特征的台站.图 5是长春台（44.05°N，125.22°E）、红山台（37.4°N，114.71°E）、南京台（32.05°N，118.86°E）和琼中台（19.03°N，109.84°E）的舒曼谐振基频7.83 Hz和19.7 Hz东西向磁场自功率谱曲线图，横坐标是时间轴（2009-08-01-2010-07-31），纵坐标为东西向磁场自功率谱强度.

图 5

Fig. 5

图 5 CNH，LYH，NAJ和QGZ四个台站的7.83 Hz（A）和19.7 Hz（B）东西道磁场功率谱曲线图 Fig. 5 The E-W magnetic field intensity curves at station CNH, LYH, NAJ and QGZ. (A) is 7. 83 Hz, and (B) is 19. 7 Hz.

通过曲线整体变化趋势分析和对比各台站同一频率的磁场分量平均值（见表 2），可以看出电、磁场强度越靠近赤道越强.

表 2(Table 2)

表 2 各台站舒曼谐振频段东西道磁场分量自功率谱强度平均值 Table 2 The E-W magnetic field intensity averages in SR frequencies of stations

表 2 各台站舒曼谐振频段东西道磁场分量自功率谱强度平均值 Table 2 The E-W magnetic field intensity averages in SR frequencies of stations

图 6为4个台站在7.83 Hz（a）和19.7 Hz（b）一年内每个季度东西道磁场自功率谱强度的平均值变化柱状图.从图中可以明显地发现磁场强度随季节和纬度的背景变化规律：夏季强冬季弱.随着纬度的减小，水平磁场强度有增强的趋势，并且在夏季和秋季纬度变化规律要更为明显.

图 6

Fig. 6

图 6 东西道磁场自功率谱强度季度平均值变化柱状图 蓝色为长春台，红色为红山台，绿色为南京台，紫色为琼中台 Fig. 6 The histogram offour quarters' E-W magnetic field intensity averages. The blue is CNH, the red is LYH, the green isNAJ, and the purple is QGZ.

本文利用处于北半球中低纬度的极低频台站观测的天然电磁场数据，采用电、磁场自功率谱密度进行舒曼谐振随季节和纬度的背景变化规律研究，得出以下结论：（1）在时间的变化上：同一地点观测到的电、磁场强度呈现夏季强冬季弱的趋势，并且是以一年为周期的正弦变化；（2）在空间位置的变化上：在所处经度变化的影响较小但处于不同纬度的台站上，观测到的电、磁场强度随着纬度的减小而增大，在夏季和秋季这个现象更加明显.

舒曼谐振是由闪电触发的电离层与地面之间的全球电振荡，因此共振活动反映了全球的闪电活动.雷暴活动可以产生强烈的闪电放电，全球闪电频数和强度在某种程度上也表征了全球雷暴频数和强度，因此这些雷暴是产生舒曼谐振信号的背景.我们知道越靠近赤道，雷暴活动越频繁；夏季又是降雨量丰富的季节，这是引起舒曼谐振频段电、磁场强度随季节和纬度的变化的主要原因.

由于舒曼谐振频率的电磁波在能量上比其它频率的电磁波强，频率相对稳定，且具有较好的抗干扰能力.因此，近几年它的这些特性为人们在地震预测研究中所利用.Hayakawa等^[16]观测到1999年台湾集集地震震前出现了舒曼谐振频率电磁异常：在震前几天到一周时间，舒曼谐振第4阶本征频率振幅增强并发生1 Hz的谱峰频率偏移.Ohta等^[33]利用日本中津川1999年至2004年的观测数据，用相同方法观测到台湾地区在此期间的九起5级以上地震震前舒曼谐振异常，其中包括七起陆地地震，异常与地震相关性达到100%；两起海洋地震，一次震级较大（7.0级），一次震源很浅（0 km）.这项统计为中津川观测到的与台湾地震相关联的舒曼谐振异常提供了可信的依据.随后，Ohta等^[34]又观测到2004年10月23日日本新滹（Mid-Niigata）地震和2007年3月25日能登半岛（NotoHantou）地震震前类似的舒曼谐振异常，并通过分析谐振极化方式来研究异常的发生机制：发现发生频移的谐振异常并不像舒曼谐振异常一样以线性极化的电磁波模式，而可能是以本地信号或者感应磁场的方式到达接收点，至今还未有可信服的产生机制来说明这个频移现象.这些震例均说明在地震孕育过程中，确实会引发舒曼谐振某些本征频率的谱密度增强和频率偏移现象.此外，有早期研究发现，地震前电离层高度的变化，也是引起电磁波舒曼谐振频率发生变化的原因之一^[30].

同一地点观测到的舒曼谐振各阶本征频率对应的谱密度呈现年周期变化，变化范围较稳定；也具有稳定的特征频率，偏移量在0.5 Hz以内^{[16-18, 32-34]}；不同地点观测到的舒曼谐振频率的频谱密度会随着观测点到闪电源之间的距离和闪电活动的强度而变年3月25日能登半岛（NotoHantou）地震震前类似的舒曼谐振异常，并通过分析谐振极化方式来研究异常的发生机制：发现发生频移的谐振异常并不像舒曼谐振异常一样以线性极化的电磁波模式，而可能是以本地信号或者感应磁场的方式到达接收点，至今还未有可信服的产生机制来说明这个频移现象.这些震例均说明在地震孕育过程中，确实会引发舒曼谐振某些本征频率的谱密度增强和频率偏移现象.此外，有早期研究发现，地震前电离层高度的变化，也是引起电磁波舒曼谐振频率发生变化的原因之一^[30].

同一地点观测到的舒曼谐振各阶本征频率对应的谱密度呈现年周期变化，变化范围较稳定；也具有稳定的特征频率，偏移量在0.5 Hz以内^{[16-18, 32-34]}；不同地点观测到的舒曼谐振频率的频谱密度会随着观测点到闪电源之间的距离和闪电活动的强度而变化.因此，在地球和电离层空腔中传播的舒曼谐振，是具有稳定的频域参数和谱结构的，可以作为稳定的正常参照信号，为地震引发多层耦合机理提供可靠的观测和分析平台^[30].而弄清我国各极低频台站观测的舒曼谐振背景变化规律，为今后判断震前谐振异常现象，分析地震活动引发舒曼谐振异常产生机制奠定基础.

本文中经过平滑处理后的数据虽然去除了明显的异常干扰，但要获得更加光滑的曲线，还需要更长时间的观测，进行统计分析和进一步的曲线拟合处理.今后的工作是利用继续观测的数据，得到舒曼谐振电磁场功率谱强度曲线作为背景，通过将每天观测资料处理后的数据与背景数据相比，来判断地震电磁异常.同时开展震例统计分析，寻找电磁异常与地震震级、震中距、震源深度的相关性，为今后判断地震电磁异常提供理论依据，这需要一个很长时期的震例积累为基础.即将在首都圈和川滇地区建立的30个极低频台站，也会为今后的继续研究提供更有力的数据保障.

极低频台站相关工作人员的辛勤工作，为本文研究提供了宝贵的数据基础，对他们的劳动表示衷心感谢.也非常感谢两位审稿专家提出的宝贵意见和建议.