0 引言

随着国家经济和城市轨道交通的快速发展，越来越多的地磁监测台站受到外界环境干扰，地磁台站观测数据质量受到影响，地磁观测工作发展受到制约。国内诸多学者开展地磁干扰分析工作，如：马钦忠等（2004）对上海市地铁对地磁观测影响做了实验分析；吴利辉等（2009）选取南京地磁台GM4型磁通门磁力仪观测数据，采用Welch功率谱分析地铁干扰；谢凡等（2011）分析了天津轨道交通对地磁观测的干扰；张明东等（2015）利用天津静海台、徐庄子台、宝坻新台的GM4磁通门磁力仪记录数据，对噪声做频谱分析；张秀玲等（2016）对北京台地球物理观测项目受到的干扰做了分析。

自20世纪90年代后期起，北京国家地球观象台（简称北京台，BJT）受到周边环境及北京地铁交通运行的干扰。北京台是最早受到地铁运行干扰的台站之一，地铁16号线距地磁观测点约3 km，远小于《地磁台站观测规范》要求的35 km安全距离，严重影响地磁观测数据质量。

红山基准地震台（下文简称红山台，LYH）与北京台间距约400 km，地磁观测环境良好，周边无地铁和其他建筑，地磁环境背景干净，无干扰。红山台积累了长期连续的地磁观测资料，与北京台磁场变化相近，地磁场日变形态具有良好的空间相关性，且长期变化具有全球统一特征，如平静日变化、地磁脉动、磁暴等，因此选取该台为参考台站，对比分析北京台地磁场环境干扰。

1 长期变化干扰特征

选用北京和红山台1985—2016年地磁场总强度（F）和垂直强度（Z）的年均值，采用一阶差分方法，对比分析北京台地磁场F、Z受到的长期环境干扰量。

1985—2016年北京和红山台地磁总场F年均值和垂直强度Z年均值对比曲线见图 1。由图 1可见，1985—1994年，北京和红山台F年均值变化量稳定，地磁场变化形态一致，F年均值差为-0.23 nT，Z年均值差为-2.34 nT；1995年起，北京台F、Z的年均值逐渐变小。

随着北京城市的发展和台站周边的建设，1995—2016年北京台地磁场受到外界环境干扰逐渐增大，地磁场总强度F减小28.07 nT，垂直分量Z减少101.46 nT，存在3个明显阶段：第1阶段为1995—1996年，北京地磁观测环境不断受到周边工程建设干扰（台站南围墙外别墅区与地磁绝对观测室最小距离不足100 m），年均值出现较大变化，地磁总强度F减少-5.0 nT、-5.7 nT，Z减少-4.7 nT、-12.2 nT；第2个阶段从1997年起，北京台周边工程建设增多，观测环境继续受到干扰，到2003—2004年，地磁总强度F干扰达-15.7 nT，Z干扰增至-27.2 nT；第3阶段在2013—2014年，北京市修建16号线地铁，该地铁距北京台约3 km，F年均值受到-28.3 nT、Z受到-103.8 nT的干扰。

2 日变化干扰特征

北京台2008年起地磁测项全面升级改造为数字化观测，使用GM4磁通门磁力仪进行观测。GM4磁力仪为地磁相对记录仪器，秒采样，分辨率为0.1 nT，连续记录地磁场的三分量变化（Z、H、D）。

为避免太阳磁暴、钩扰等对地磁场日变化影响，采用磁静日地磁观测数据分析外界干扰。磁静日2017年3月20日北京台和红山台磁通门磁力仪GM4记录的原始三分量形态见图 2，由图可见：2台地磁日变化曲线形态及变化趋势一致；北京台地磁场三分量均受地铁轨道运行影响，其中Z分量干扰严重，噪声较大，水平分量H次之，磁偏角D所受干扰最小；红山台地磁三分量日变曲线光滑，所受干扰较小。

2.1 噪声分析

北京地铁16号线距北京台约3 km，运行时段为北京时间04:30—24:30，由图 2明显可见该时段北京台地磁记录所受干扰，在北京时间00:30—04:30地铁停止运行，干扰噪声较小，北京地磁场日变化形态明显，说明北京台地磁干扰主要由地铁运行造成。因此，利用北京和红山台GM4磁力仪地磁三分量原始记录，做返回时间域噪声分析，定量分析北京地磁场日变化噪声大小。2个台站背景噪声对比曲线见图 3。

由图 3可见：北京地铁运行时段对北京台地磁场Z分量影响较大，最大干扰噪声达10 nT以上，H分量所受干扰约5 nT，D分量所受干扰约3 nT；红山台地磁场三分量返回时间域噪声值均在0.5 nT以内，北京台地磁环境观测噪声远大于红山台，说明北京地磁场受外界环境干扰较大。

2.2 振幅谱分析

选用北京、红山台磁静日GM4磁力仪三分量原始秒数据，进行振幅频谱分析，并提取对频域内噪声优势频段，返回时间域得出噪声信号。北京、红山台三分量振幅谱见图 4。

由图 4可见，北京和红山台地磁场三分量噪声优势频段范围均为0.001—0.02 Hz，其中：①北京台噪声主要集中在0.005—0.008 Hz，部分振幅超过1，且在频点0.005 Hz、0.006 Hz、0.017 Hz附近有较多突跳点。D分量平均振幅小于0.5，Z分量振幅最大，D分量振幅变化相对平缓；②红山台三分量频谱优势频率在0.001—0.02 Hz（清晰明显），振幅平稳，幅度小于0.005，达到地磁观测数据工作要求。充分说明，北京台地磁场受地铁运行和外界环境干扰明显，地铁交通产生的电磁干扰对地磁场垂直分量Z影响较大，对D分量影响较小。

2.3 功率谱分析

利用振幅谱分析所得数据结果较为粗糙，而功率谱能够在频域内有效提取淹没在噪声中的有用信息（张明东等，2015）。为进一步分析北京地磁场干扰特征，采用功率谱估计，利用加窗平均周期图法，即使用合适的非矩形窗口对信号进行处理，减少“频谱泄露”，增加频峰宽度，提高频谱分辨率（万永革，2007），从而有效提取频域内有用信息。

对北京、红山台GM4磁力仪三分量数据进行小波变换，在0.1—0.5 Hz、0.01—0.1 Hz、0—9×10-³ Hz、0—10×10-⁴ Hz频段内，绘制功率谱分布曲线。本文仅给出有代表性的Z分量4个不同频段的功率谱曲线，见图 5。

由图 5可见：北京台Z分量功率谱在频段0.005—0.008 Hz内有3个明显跳动，且在频点0.005 Hz、0.006 Hz处功率谱达40 dB；红山台Z分量功率谱在不同频段均保持正常形态，即图像表现为有序走低的缓峰形态，说明该台地磁场背景环境较干净，数据基本未受干扰或干扰较小，观测记录可充分体现真实地磁场，再次证明北京台受周边环境和地铁运行干扰，地磁观测数据出现明显波动，原有地磁场功率谱发生改变（张明东等，2015）。

3 结束语

综上所述，可知：北京地磁场长期变化受3个阶段影响，正常地磁观测数据受到严重干扰；1995—2016年北京地磁场背景干扰增大，与台站周边环境改变和北京城市地铁建设有关。

北京国家地球观象台地磁观测受到周边环境的干扰，观测数据长期受到影响，正常记录和干扰混在一起，必须剔除非天然变化的磁场变化成分，才能保证观测数据的科学性和可靠性，为大家提供使用天然的地磁场数据。现受干扰的地磁台越来越多，希望本文能为全国受环境影响的地磁台站在处理干扰和噪声工作中，有一定帮助，并为提出抑制噪声和消除干扰的工作方法，打下一定基础。