0 引言

地磁场是一种全球性的地球物理场，由起源于地表以下的磁性物质和电流形成的内源场，以及起源于地表以上空间电流体系的外源场组成。因此，地磁观测数据中包括着非常丰富的日地空间信息，决定了它在地球科学和空间科学研究中有着广泛的应用领域。时间分辨力为1 s—1 h的观测数据，通常用于脉动、钩扰、湾扰、磁暴等各种短周期变化磁场的研究，用于日地空间电磁环境监测与预报的研究，同时在地下电性结构探测、震磁观测研究等方面发挥着重要作用（杨冬梅，2001）。秒采样数据在评估感应电流（GIC）对地下金属管网（刘连光等，2016）、输电网络（Kappenman，1996；Bolduc et al，1998, 2002；Boteler et al，1998；张燕秉等，2004；刘连光等，2008；Wik et al，2008；Liu et al，2009；Guo et al，2015）、通信电缆、高铁线路（刘连光等，2016）等重大工程项目影响方面也具有重要的应用，发挥了良好的社会效益和经济效益。时间分辨力为1 h至几百年的观测数据，通常用于地磁场及其长期变化的研究，如地磁急变、磁极移动、极性倒转、偶极磁矩变化、西向漂移、非偶极场强度变化等，对于认识地核内部及核幔边界的物质流动，探索地磁场的起源问题具有重要意义（徐文耀，2014）。地磁数据在探矿、导航等领域也有着重要的应用。

地磁学的发展应用有赖于长期的资料积累，因此在可能的条件下应尽量取得连续的完整的观测资料（徐文耀，1997）。利用最新的科学技术手段，对尽可能长的地磁连续观测数据进行研究和分析，从而获取地磁物理场变化信息，一直是国内外科研工作者常采用的方法。世界各国的科学家都非常重视观测数据的积累和历史数据的拯救工作。例如，最近俄罗斯日地物理学数据中心收集整理了前苏联1957年7月到20世纪90年代初的41个地磁观测站的K指数测定结果，涵盖20世纪后半叶，提供给国际科学界，用于对过去的地磁事件回顾性分析以及数据验证或预测的研究（Natalia Sergeyeva et al，2020)。葡萄牙科英布拉大学的学者也收集整理了1866年建立的葡萄牙科英布拉地磁观测站（COI）150多年的历史资料，包括磁偏角、水平分量、垂直分量的绝对月均值系列，并对数据进行了人工校正和通化，将数据通化至2015年的水平（Morozova et al，2020）。INTERMAGNET发行了最后的物理介质数据，数据被存储在USB上，包含1991—2015年期间全球地磁台站传输到NTERMAGNET的分采样数据（Thomson，2020）。我国自20世纪70年代开始，相继在各地开展了地磁场的模拟观测。由于当时条件的限制，1990年以前的数据大部分是手工记录在纸介质上的，纸介质资料无法通过计算机网络传递，势必对数据的共享和应用造成影响。而且随着时间的推移，这些宝贵的历史资料面临流失而无法整理的危险。因此如何有效收集、整理这些资料，并用于科学研究，一直是我国科研工作者努力的方向（彭丰林等，2006；董星宏等，2009；赵秀宽等，2017）。然而由于实际条件限制，这些研究工作主要集中在某个地磁台站，覆盖范围不够广。基于上述原因，也得益于“地震科学数据共享项目”的实施，项目组对我国最早开始观测的8个地磁台站，即北京白家疃、佘山、长春、拉萨、广州、武汉、兰州、乌鲁木齐地磁台，俗称为“老八台”开展历史资料的清理工作。“老八台”的分布基本呈十字状（程安龙，1995），承担着监测我国境内地磁场时空变化规律的重要任务。因此将这些珍贵的历史观测数据整编、抢救出来，为科学研究和后人提供连续完整、准确可靠的地磁场观测数据，对于研究各种地磁学现象，保护人类生命财产安全等具有重要的现实意义。本次工作重点收集清理了“老八台”1985—1990年期间的历史资料，然后采用数码拍照和人工录入方式，实现纸质资料数字化，同时研制数据入库软件，将梳理后的数据导入“十五”数据库，并进行质量审核，实现珍贵历史资源的电子化、数据化、标准化和规范化。

1 数据采集和处理 1.1 观测资料的收集整合

1990年以前的地磁数据大部分为手工记录的纸介质资料，随着时间的迁移许多一线观测台站的资料散落遗失，地磁学科管理组因为负责全国资料评比的原因，大部分台站报送的观测报告得以妥善保存，但仍有部分资料缺失。项目组首先根据地磁台站建台产出报告年代，清理台站应有资料的年份，然后从学科管理组资料库、所在单位资料室查找相关资料，并发动台站，从单位自身查找缺失资料，将查找结果反馈至学科管理组。管理组对查找结果进行系统梳理，尽可能将分散在各处的资料收集整合起来，保证观测资料尽可能完整齐全。经过近一年的梳理整合，本次工作完成了白家疃、佘山、长春、拉萨、广州、武汉、兰州、乌鲁木齐8个地磁台1985—1990年期间历史数据的清理，数据内容由磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）3个要素的绝对时均值组成。

本数据库（集）元数据简表见表 1。

1.2 纸质资料数字化

采用500万像素数码相机，借助灯光拍摄纸质资料的照片（图 1），利用文字识别软件对照片进行识别，并与纸介质数据进行一致性核对，发现软件的文字识别效果不理想。因此，采用人工录入方式实现纸质资料的数字化。

设计一套excel模板，统一数据录入格式。模板录入参数包括D分量绝对时均值、H分量绝对时均值、Z分量绝对时均值、标度值、标准变迁、基线值、日变幅7个工作簿。每个绝对时均值录入工作簿由14个工作表组成，分别为录入说明表、每年1—12月的数据表和自动汇总表。每月数据工作表又包含台站代码、测点ID、日期、大数、24个时均值和一个日均值（图 2）。

1.3 数据入库

研发“十五”数据库数据导入软件（具有参数配置、数据录入、质量监测和查询输出的功能），实现数字化数据的入库操作（图 3）。

2 数据内容（样本）描述 2.1 IAGA2002格式

入库后的数据可以按用户需求格式导出保存。本数据集采用国际地磁与高空物理协会推荐的IAGA2002国际通用磁数据交换格式（International Association of Geomagnetism and Aeronom, 2003）。IAGA2002的格式描述如下。

（1）12个强制性和1个可选文件头记录。第1列以空格字符开头，并在第70列以竖线“|”结束，内容标签从第2列开始，描述从第25列开始。

（2）可选的注释记录，用来记录未包含在已定义字段中数据的重要信息。该注释记录在第1列以空格字符开头，第2列以#开头，每个记录末尾用竖线“|”表示。

（3）1个强制性数据头记录。该记录内容包括DATE（日期）、TIME（时间）和DOY（一年中的第几天）。磁场要素标头包含4个字母：3个字母为IAGA编码，1个字母为所报告的磁场要素。有效值为H、D（或E）、I（或V）、X、Y、Z、F（或G）。列标题以空格分隔。每个记录末尾用竖线“|”表示。

（4）一系列数据记录。每条数据记录长70个字符，包含报告的日期、时间和磁场要素以及回车符/换行符。数据记录严格地报告4个磁场要素（DHIF、DHZF或XYZF）。若少于4个要素，则以相应精度的99999（如99999.0或99999.00）表示缺失数据，未观测数据则在该字段中用88888（至相应的准确度）表示。

（5）推荐的文件命名规则。文件名由2部分组成，即基本名称和3个字符的扩展名，使用句点将基本名称与扩展名分开。基本名称最长为27个字符，扩展名为3个字符。文件名由小写字母a—z、0—9、下划线“_”和破折号“-”组成。文件名必须以IAGA代码（由3个字母iag组成）、日期和数据类型开头，通用格式为iagyyyymmddtint.int，其中：iag是各个地磁台站根据IAGA要求编写的台站代码（3个字母）；yyyy = 4位年份；mm = 2位数月份；dd = 2位数天（01—31）；t =类型数据（p：临时，d：确定，q：准，v：变化）；int =数据间隔（mon：每月，day：每天，hor：每小时，min：每分钟，sec：每秒）。

2.2 数据集内容

本数据集的数据记录来源于所选8个国际地磁资料交换台站1985—1990年的资料（表 2），数据内容由磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）3个要素的绝对时均值组成。每月一个数据文件，文件由文件头和数据组成。以北京白家疃地磁台站1985年数据为例，给出文件头和数据样例，见图 4、图 5，其中D分量单位为分（即角度′），H、Z、F分量单位为nT。

在数据集中选取1989年1月佘山、武汉（九峰）、广州（肇庆）3个台站的磁偏角D、水平分量H、垂直分量Z时均值数据，绘制数据曲线，结果见图 6—图 8，可见各分量有明显的静日和扰日变化形态。

3 数据质量控制和评估

将观测数据导入数据库，采取计算机自动处理和人机交互检验的方法，评估观测数据的完整性、日变形态的准确度、长趋势变化的稳定性，并从观测环境、观测系统、观测技术、数据处理等方面，分析数据质量影响因素，以便有效监控观测数据质量。

3.1 数据完整率

完整率=（应有观测样本数－原始缺记观测样本数－预处理删除样本数）/应有观测样本数。调查发现，影响本数据集完整率的主要因素是仪器故障停测，如拉萨地磁台1989年因仪器故障暂时停止观测，并于1990年恢复观测（表 2备注）。表 3给出的是1985—1990年8个地磁台站的数据完整率。

3.2 日变化形态准确度评估

邻近台站或同一经度链磁场日变化形态具有较好的空间相关性，基于该原理，对本数据集中台站绝对时均值数据日变化一致性进行分析。选取分布在120°E附近的北京、长春、武汉（九峰）、广州（肇庆）地磁台站1985年1月记录的D、H、Z三分量时均值数据，绘制时序曲线，见图 9，可见同一经度链的台站地磁观测数据日变形态一致性较好。

3.3 长趋势变化稳定性分析

地磁场的长期变化主要受地球主磁场的控制，因此相邻地磁台记录的长期变化趋势具有一定相关性。但由于地壳分布的不均匀性，当台站间的距离增大时，其长期变化趋势又有差异，因此可绘制各台站地磁日均值图，通过对比邻近台或相关台之间地磁日均值的分布形态和差值曲线，判断台站绝对日均值数据长趋势变化稳定性，达到对资料质量的检验。选取分布在120°E附近的北京、长春、佘山、广州（肇庆）4个台站1985—1990年D、H、Z三分量日均值数据，绘制时序曲线，结果见图 10，可见同一经度链的地磁台站记录长趋势变化稳定，一致性较好。

4 数据应用前景

本数据集可用于开展地磁场建模、地磁图编绘、主磁场及其长期变化、地磁异常场分析等研究工作，直接或间接服务于导航、能源和矿产资源的探查；可用于开展磁暴特征和过程的研究工作，建立磁暴预报模型，为通讯、电网、高铁、油气管道、航空和空间天气预警服务；还可用于震磁异常信息监测与提取，为地震监测预测服务。

5 结论

文中介绍了1985—1990年8个地磁基准台站地磁时均值数据集的获取建立过程、质量评价及应用前景，数据集涉及的地理区域跨度大，对于地磁场，尤其是主磁场及主磁场长期变化的研究具有重要价值。纸质资料的抢救是一项耗时费力的工作，数据的收集、清理及数字化需要耗费大量人力物力资源。在此次地磁历史数据集的获取过程中发现了较多问题，如：①因时间久远，纸质报表破损较多，有些报表中字体颜色不同程度地变浅，给正确识别带来一定困难，只能采取人工鉴别方式录入；②个别台站信息不完整，为确定某个台站信息，往往需要耗费大量精力查询资料；③受历史、自然条件及其他原因制约，一些台站资料已经缺失，造成无法弥补的损失；④分析入库数据发现，一些台站数据资料存在质量问题，若不加以处理或标注，将影响后续科研工作的开展。

针对数据集获取过程中出现的问题和不足，计划在下阶段工作中对数据库进行综合修改和完善，补充新的历史观测资料，并加强数据质量审核工作。

地磁基准台站时均值1985—1990年数据集是一项集成性成果，研究工作的顺利开展与项目组全体成员的辛勤劳动和共同努力是分不开的，在此对长春地磁台、乌鲁木齐地磁台、北京白家疃地磁台、兰州地磁台、佘山地磁台、武汉地磁台、拉萨地磁台、广州地磁台的工作人员表示衷心感谢。