随着全世界对全球变化研究热潮的开始，从20世纪90年代起，中高层大气领域关于长期变化的研究也成为了科学家非常关注的一个重点问题(Aikin et al., 1991; Roble, 1995; Ulich and Turunen, 1997; Jarvis et al., 1998; Laštovička, 2005, 2009).研究发现，电离层的长期变化现象与来自太阳和地球内部的诸多因素之间存在密切关系.例如温室气体浓度升高(Roble et al., 1989; Rishbeth, 1990; Hall and Cannon, 2002)、太阳活动的长期变化(Torta et al., 2009)、地磁活动的长期变化(Danilov and Mikhailov, 1999; Mikhailov and Marin, 2000)，以及地球磁场的长期变化等(Foppiano et al., 1999; Elias and De Adler, 2006; Cnossen and Richmond, 2008; Yue et al., 2008; Elias, 2009).

太阳静日变化Sq，是地磁活动平静期间在中低纬度地区的地磁场记录中观测到的一种稳定的周日变化(Chapman and Bartels, 1940).它主要起源于位于电离层E区的发电机电流体系，热层风和磁层电磁过程也有一定的贡献(Matsushita, 1967; Tarpley, 1970; Hasegawa, 1960; Matsushita and Xu, 1982; Richmond, 1989).电离层发电机电流系由日侧电离层约110 km高度处，位于南北半球的两个电流涡组成.其中北半球电流涡为反时针方向，而南半球电流涡呈顺时针方向(Campbell, 1989, 1997).

由于受到电离层电导率、发电机电场、太阳周日潮和E区电离层密度等因素的共同作用，Sq场具有显著的逐日变化(Stening et al., 2005, 2007; Chen et al., 2007; Kirchhoff and Carpenter, 1976; Torta et al., 1997).来自地球深部地核产生的地球主磁场，其强度和方向存在明显的长期变化.根据电离层发电机与地球磁场之间的因果关系容易推论，地球磁场的各种变化都会对Sq产生直接影响.例如地磁场方向特别是磁赤道位置的漂移，可能对整个Sq系统产生极大的影响(Cnossen and Richmond, 2013).另外，温室气体浓度的增加，对E层电子密度峰值也可能产生作用，从而导致Sq场产生变化(Rishbeth and Roble, 1992; Bremer, 2004, 2008; Briggs, 1984).在这些因素的共同作用下，除逐日变化外，Sq还表现出多种时间尺度的周期扰动，包括季节变化、27天变化和11年太阳活动周等特征(Briggs, 1984; 吴迎燕等，2012；Aikin et al., 1991).

虽然早在半个世纪前科学家就已经针对Sq场与太阳活动之间的密切关系问题进行了大量的研究和总结(Rishbeth，1990)，但是这一问题并未得到完全认识，至今仍然是科学家关注的重点问题(Sellek，1980；Schlapp et al., 1990; Elias et al., 2010; Takeda, 2013).本文的目的在于，利用北京地区过去几十年积累的地磁场观测资料，研究该地区地磁场Sq强度的季节变化和长期变化，讨论与太阳活动之间的密切关系.

北京地区的地磁场观测，先后由北京白家疃地磁台(BJI)和北京十三陵地磁台进行.其中，北京白家疃地磁台即北京台，是我国开始基准地磁观测的“老八台”之一.该台站由中国科学院地球物理研究所于1952年选址、兴建，1957年正式投入观测，是我国解放后设计建立的第一座永久性地磁台.1978年中国科学院地球所分所后，该台站划归中国地震局地球物理研究所管理.北京台的选址建设均按照国际建台规范，远离地磁观测区，采用弱磁性材料.20世纪80年代中期以前台站周围几乎没有其他建筑，观测条件非常优越.但到20世纪80年代中期以后，到90年代初台站周围陆续修建民居和工厂，对地磁场观测骚扰很大.目前，台站处于各种用途的建筑物包围之中，对地磁观测影响较大，近年来已经很难保证获得可靠的观测资料(刘长发，1998；王晓祜等，2007).

北京十三陵地磁台(BMT)位于昌平县德胜口村，距市中心50多公里，周围为国有山林地，其地质基底为石英岩和灰质岩.该台站由中国科学院地球物理研究所于1978—1985年期间勘选台址，1986年开始建设，至1991年正式观测，是我国最早实现数字化的地磁台.由于该台站位于十三陵风景区，周边建筑较少，始终能保证良好的磁测环境.其数据可靠性较高，是我国率先加入国际地磁台网INTERMAGNET的地磁台站，向全球科学家共享地磁场观测数据(刘长发，1998).

本文使用的数据包括北京台从1960—2006年、北京十三陵台从1996年至2013年的地磁场X、Y和Z分量的时均值数据(具体见表 1).虽然这两个台站相距大约30 km，但是考虑本文所要讨论的季节变化和长期变化为较长周期变化问题，并且Sq场源为大尺度电离层电流的特点，因此认为此二台站空间位置差距的影响可以忽略.将两个台站数据联合利用，以弥补单个台站观测间断的缺憾.为了考察与太阳活动之间的关系，选用太阳活动F₁₀₇指数进行对比分析.太阳F₁₀₇指数是指太阳10.7 cm波长(2800 MHz)的射电辐射通量，是表征太阳活动水平的一个重要参量.其单位为太阳通量单位(SFU)，取值的范围在60~300之间.

表 1 Table 1

表 1 使用的台站及数据范围 Table 1 Observatories and data time range 台站名称 地理纬度 地理经度 地磁纬度 地磁经度 数据时间 北京(BJI) 40.0 116.2 29.6 186.8 1960—2006 (1979缺) 北京十三陵 (BMT) 40.3 116.2 30.1 187.0 1996—2013

表 1 使用的台站及数据范围 Table 1 Observatories and data time range

每月地磁场Sq的计算，采用长期以来所普遍使用的方法.首先对数据进行预处理，利用子夜数据均值(地方时23点到01点)剔除背景场的贡献.然后根据每月五天国际磁静日数据求取平均值，得到每月平均Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z).Sq的强度由每月Sq的白天数值求其极大值与极小值之差得到，并记做A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)(Takeda, 2002, 2003).

图 1给出1960—2013年期间F₁₀₇指数，以及BJI台和BMT台Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z).图中BJI台1979年前后的白色区块表示1979年该台站因缺失数据而造成插值空白(后文图 2中与此处相同，不再复述).从所有年份Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z)的地方时分布看，两个台站Sq的幅度值范围非常相近，并且具有相似而稳定的地方时变化.其中，Sq(X)在中午附近急剧减小并达到极小值，同时呈现午后增强；而Sq(Y)则发生午前增强，且在中午附近急剧减小并达到极小值；Sq(Z)在中午附近急剧减小，但没有发生午后增强现象.与太阳活动F₁₀₇指数对比，Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z)与F₁₀₇指数存在明显的正相关关系.当F₁₀₇增强时，正午附近Sq场的强度也同时增强.反之情况类似，当F₁₀₇指数逐渐减小，Sq强度也同时减小.

图 1

Fig. 1

图 1 1960—2013年BJI和BMT地磁台Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z)，及F107指数变化 Fig. 1 Variations of Sq(X), Sq(Y), Sq(Z) in BJI and BMT observatories and F107 index from 1960 to 2013

图 2

Fig. 2

图 2 1960—2013年BJI和BMT地磁台ASq(X)、ASq(Y)和ASq(Z)，及F107指数变化 Fig. 2 Variations of ASq(X), ASq(Y), ASq(Z) in BJI and BMT observatories and F107 index from 1960 to 2013

根据所有年份每月平均Sq计算其周日极差值表示Sq强度，记做A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)，结果如图 2所示.显而易见，Sq(X)、Sq(Y)和Sq(Z)的强度明显受到太阳活动的影响，其时间变化与F₁₀₇指数息息相关.当F₁₀₇增强和减小时，A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)也发生同步增强和减小.在太阳活动高年和低年，Sq强度也随之达到了峰值和谷值.在太阳活动性较弱的第20个太阳活动周1970年前后，A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)明显要低于随后的三个太阳活动周高年的强度.而在太阳活动高年1990年前后，F₁₀₇指数呈现双峰结构，与之对应，A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)也表现出双峰结构.这些结果与早期地磁学家Chapman和Bartels在1940年研究总结的Sq场与太阳活动的密切依赖关系完全一致.

此外，从图中还可以看出，A_Sq(X)具有明显的季节变化.即在春秋季月份，A_Sq(X)发生显著增强，并且在秋季达到一年之中强度极大值.而A_Sq(Y)则主要表现出年变化特征，在夏季月份强度达到最大.

进一步考察Sq强度逐月变化的统计特征.将1960至2013年期间所有年份A_Sq做平均计算，结果记作A_Sq.如图 3所示，其中虚、实线分别表示BJI和BMT地磁台A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z).可以看到，BJI和BMT两个台站三个磁场分量的Sq强度的逐月变化几乎完全一致.其中，A_Sq(X)呈现春秋增强而冬夏减弱的季节变化，其强度在秋季达到最大值，在冬季达到最小值.而A_Sq(Y)具有夏季增强冬季减弱的半年变化.A_Sq(Z)变化略为复杂，其强度在5月和9月出现减小，但从总体变化来看具有夏季增强冬季减弱的半年变化特征.从Sq强度大小来看，BJI和BMT两个台站Sq的强度相差不大，两台站之间的差值最大仅为几个nT.

图 3

Fig. 3

图 3 BJI和BMT地磁台ASq(X)、ASq(Y)和ASq(Z)变化 Fig. 3 Variations of ASq(X), ASq(Y) and ASq(Z) in BJI and BMT observatories

下面将所有年份每月A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)做年滑动平均和11年滑动平均计算，考察北京地区Sq强度的长期变化，结果见图 4.显而易见，X、Y、Z三个磁场分量A_Sq均具有明显的11年太阳活动周变化特征，与F₁₀₇指数存在显著的正相关关系.从长期变化来看，1960—2010年期间F₁₀₇指数经历了一个从逐渐增强而后缓慢减弱的过程，在1988年附近达到太阳活动峰值.同样，A_Sq(X)、A_Sq(Y)和A_Sq(Z)也呈现出一致的太阳活动的长期变化.三个地磁场分量中，以A_Sq(Y)长期变化的变化幅度较为突出.A_Sq曲线的11年变化和长期变化，反映出了Sq对太阳活动的密切依赖关系.

图 4

Fig. 4

图 4 1960—2006年BJI台ASq和F107指数的年滑动平均值和11年滑动平均值的变化 Fig. 4 Annual average and 11 years moving average of the ASq in BJI and F107 index from 1960 to 2006

从台站记录来看，1996至2006年BJI和BMT两个台站具有同期观测数据，下面根据该时期的观测资料对两个台站Sq强度变化的异同特征进行分析，进一步深入对地磁场Sq在局部空间结构的认识.将图 2中1996—2006年两个台站地磁场X、Y、Z三个分量A_Sq分别相减，得到差值dA_Sq(即等于A_SqBJI-A_SqBMT)，结果如图 5所示.可以看出，除2001年以外的其他年份，dA_Sq的幅值都很小，一般不超过±2 nT，说明两个台站观测到的Sq强度差异不大.然而2001年dA_Sq表现较为异常，其幅值明显要高于其他年份.

图 5

Fig. 5

图 5 1996—2006年dASq的变化 Fig. 5 Variations of dASq from 1996 to 2006

将太阳活动F₁₀₇指数与BJI台和BMT台得到的A_Sq和dA_Sq进行对比，如图 6所示.很明显，所有年份中两个台站A_Sq(X/Y/Z)的变化曲线的趋势和强度几乎完全一致.并且在三个地磁场分量的变化曲线中，存在明显的季节变化和半年变化.在大多数年份，两个台站Sq的强度差值dA_Sq主要分布在[-2, 2]nT范围，没有发现明显的季节或年周期性变化特征.特别突出的是，2000年和2001年dA_Sq发生显著增强.这两年内dA_Sq的平均幅度达到4.3、2.2和2.3 nT(X/Y/Z)，远远高于其他年份.在2001年9月dA_Sq(X)甚至达到了12.3 nT的最大值.

图 6

Fig. 6

图 6 1996—2006年BJI和BMT台ASq、dASq和F107指数的变化 Fig. 6 Variations of ASq, dASq in BJI and BMT, and F107 index during 1996 and 2006

根据太阳活动F₁₀₇指数可知，1996至2006年属于第23个太阳活动周，其中2000和2001年处于第23周太阳活动高年.从X、Y和Z三个地磁场分量A_Sq的变化曲线可以看出，随着F₁₀₇指数增强，A_Sq也随之增强.其相应的11年太阳活动周变化可以从图 4中A_Sq的年滑动平均曲线更为清晰可见.类似地，在2000年和2001年太阳活动高年，dA_Sq也出现了显著增强.反映出北京地区Sq场强度梯度的剧烈扰动与太阳活动之间存在着密切的关系.同时也意味着在太阳活动高年，Sq电离层发电机电流的局部结构可能发生了明显的变化.这一推断需要未来进一步收集更多的资料来加以证实.

本文利用北京台和北京十三陵地磁台的地磁场数据，分析研究了北京地区地磁场Sq强度的季节变化和长期变化，并讨论与太阳活动之间的关系.得到主要结论如下：

(1) 所有年份数据显示，BJI和BMT两个台站地磁场Sq不仅强度范围相近，并且具有相似的稳定的地方时变化、季节变化、太阳活动周变化和长期变化.

(2) BJI台和BMT台Sq强度的逐月变化，其中A_Sq(X)主要表现为春秋增强而冬夏减弱的季节变化.A_Sq(Y)呈现出夏季增强的半年变化.A_Sq(Z)变化较为复杂.虽然在5月和9月出现减小，但是总体来看，其变化曲线也具有夏季增强的半年变化特征.Sq强度与太阳活动F₁₀₇指数之间存在正相关关系，具有一致的11年太阳活动周变化和长期变化，反映出了Sq与太阳活动之间的密切关系.

(3) 从BJI和BMT两个台站Sq强度计算得到的差值dA_Sq的变化曲线看出，在大多数年份，两个台站Sq强度差值dA_Sq一般不超过±2 nT，没有明显的季节或年周期变化特征.在2000年和2001年太阳活动高年，dA_Sq出现显著增强，最大可达12.3 nT.反映出了北京地区Sq场强度梯度的剧烈扰动与太阳活动之间的密切关系，暗示了在太阳活动高年，Sq电离层发电机电流的局部结构可能发生了明显的变化.