子午工程(全称为东半球空间环境地基综合监测子午链)建设的沿东经120°和北纬30°的15个地磁台站非常有利于中低纬度地区地磁场变化的研究，并且它将为我国社会各类用户提供完整、连续、可靠的多学科、多空间层次的空间环境地基综合监测数据(徐文耀， 1993，1997，2003).

中国地震局地球物理研究所承担其中的地磁、电分系统，主要负责磁通门磁力仪和感应式磁力仪两种仪器的包括数据采集传输、台站管理等任务.对于一些特殊的地磁事件，由于每个研究所的侧重点不同，中科院空间中心一般给出地面以上仪器的响应，而在特殊事件时地面台站的响应如何却鲜少提及，因此了解地面台站在一些特殊事件时的响应如何值得研究.感应式磁力仪为子午工程新投入使用的一种地磁相对观测仪器，它与以往的一些地磁仪器相比具有采样率高、频带宽、精度高等特点，因此这种仪器与以往的地磁相对观测仪器相比在一些特殊的地磁事件时的响应如何，能否为地磁预报地震提供更好的资料是本文研究的重点(刘春节等，1997).

众所周知，磁暴期间剧烈变化的磁场会对航空、航天、通讯、导航等地面技术系统造成极大危害，从而在一定程度上影响人类的生产生活.虽然我国处于中低纬度地区，磁暴期间对我国的电网、通讯、油气管道等的影响不如高纬度地区严重，但仍对技术系统造成一定的危害.因此对磁暴的发生发展过程进行研究非常有必要(Qi Li et al，2005；李琪和高玉芬，2006).感应式磁力仪对磁暴的响应如何尚且不知，本文试图给出其响应，并与传统磁通门磁力仪(丁鸿佳和隋厚堂，2004；胡星星等，2010；王晓美等，2011)做对比分析.

对于磁暴的区域研究，杨少峰等(2002)等研究了2000年4月6日磁暴期间磁扰变化在低纬子午链(东经120°)的纬度效应，采用统计方法分析了磁暴的初相、主相和恢复相期间磁扰幅度的纬度效应.李棋(2007)对位于我国东部120°E子午链不同纬度的台站在1995~2004年间记录的磁暴进行统计分析，对不同地方时磁暴幅度的纬度变化进行了统计和对比分析.吴迎燕(2007)对20°E子午链和30°N纬圈链台站的H分量分钟值数据，研究了它的暴时特征，选用30°N 纬圈链的10个台站来研究H 分量的地方时变化特征，利用子午链台站研究了H分量的纬向分布(郭晓燕等2010).对于子午圈区域磁暴的分析，前人的研究主要采用磁通门磁力仪数据，在时域上分析了磁扰的纬度分布和地方时等对磁扰的影响(师恩琦和陈耿雄，1999；孙凌峰等，2009；徐文耀，2009).本文首次采用子午工程感应式磁力仪对磁暴的基本特征与传统磁通门磁力仪记录曲线进行对比分析，重点考察两种仪器磁暴时的响应差异，从磁暴急始形态以及各个分量磁暴响应差别，磁通门磁力仪差分结果与感应式磁力仪原始数据进行对比分析(高琴等，2009；黄朝军等，2009；朱岗昆等，2009).

1 使用仪器及数据说明 1.1 仪器观测原理

感应式磁力仪以高分辨率、低噪声、宽频带等优点捕捉地震电磁异常信息，对探测区域进行南北、东西两个水平分量和一个垂直分量的磁信号监测，特别有利于对地磁场高频脉动的观测，这是因为地磁场变化信号的频率越高时，输出的感应电压也越大，而在天然地磁脉动中，频率每增加一倍，脉动振幅就会减小4～5 dB，由于脉动频率的增加不会使感应电压的幅度减小(朱岗昆等，1982).

感应式磁力仪的工作原理是基于法拉第电磁感应原理，它利用探头的感应线圈在地磁场变化时产生感应电动势，通过测量感应电动势的变化来测量地磁场的变化率.磁传感器是在经过高温处理过的高导磁率软磁铁棒的铁芯上缠绕多匝线圈形成的，当通过线圈的磁场变化时，则在线圈两端产生的感应电压为

条状磁芯的有效导磁率为

假设将条状磁芯近似看做椭球状，则有：

当磁芯材料的固有导磁率μ>>1时，磁芯的有效导磁率μ_t≈ 1 λ，这样测得感应电压之后就能得到磁场变化率.

台站安装的感应式磁力仪由3根磁传感器、1台数据采集器和1台主机组成.

磁通门磁力仪和感应式磁力仪的性能见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 磁通门磁力仪和感应式磁力仪性能 Table 1 fluxgate and induction magnetometer 性能 磁通门磁力仪 感应式磁力仪 测量分量 H、Z、D、T X、Y、Z 测量范围 0~62500 nT 0~200 nT 分辨率 0.1 nT 1 pT 频带宽度 0~0.3 Hz 0.001~30 Hz 采样率 1 Hz 32 Hz 仪器简称 GM4 SCM

表 1 磁通门磁力仪和感应式磁力仪性能 Table 1 fluxgate and induction magnetometer

1.2 数据说明

本文采用的观测数据来自子午工程观测台站，每个台站信息见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 台站基本信息 Table 2 The information of stations 编号 台站名称 台站 代码 地理经度 (E/度) 地理纬度 (N/度) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 内蒙满洲里 长春农安台 山东马陵山 成都郫县台 武汉九峰台 浙江杭州台 拉萨台 湖南邵阳台 广东肇庆台 海南琼中台 MZL NAT MLS PXT JFT HZT LAT SYT ZQT QZT 117.45 125.18 118.35 103.88 114.5 120.11 91.13 111.47 112.47 109.83 49.58 44.43 34.62 30.82 30.5 30.25 29.65 27.25 23.05 19.03 注：台站代码为子午工程台站代码，与中国地震局的台站代码有所不同

表 2 台站基本信息 Table 2 The information of stations

本文使用的Dst 指数和每月最平静以及扰动最大的时间段从地磁世界数据中心(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/201110/index.html)下载得到.

1.3 数据预处理

数据预处理主要包括数据的格式转化.感应式磁力仪输出为二进制文件，用matlab软件编程将其转换为ASCII码文件.磁通门磁力仪的数据为ASCII码文件，但所有观测值以1整行存储，在应用时需将其转换为4列，分别为H、Z、D和温度T四个分量.

考虑到子午工程数据记录的完整性和磁暴特点，研究中选用发生在2011年10月24 日的磁暴，该磁暴为SC类型，本次磁暴的起始时间为2011年10月24 日18:31，结束时间为2011年10月26日4时.期间子午工程10个台站的磁通门磁力仪运行正常，记录完整.武汉九峰台、拉萨台、长春农安台、广州肇庆台的感应式磁力仪记录完整，纬度最高的满洲里台25日2时之后没有记录数据，杭州台10月24日当天没有记录，邵阳台26日12时之后没有记录，琼中台24日11～24时没有记录.

2 仪器记录磁暴对比分析

2.1 平静期差异

为了更好的了解子午工程感应式磁力仪和磁通门磁力仪记录磁暴在形态上的差异，先选择2011年10月28日、29日两天的数据，这两天地磁活动处于平静期.因为磁暴是一种非常剧烈的全球性范围内的地磁扰动现象，磁暴发生时，所有的地磁要素都发生剧烈的变化，其中，水平分量H(或北向分量X)变化最大，也最能代表磁暴的发生发展过程.磁暴期间H分量的变化在中低纬度地区表现的最为明显，因此本文的分析都是以水平分量为主(徐文耀，2003).图 1给出了磁通门磁力仪H分量的原始记录波形.图 2给出了感应式磁力仪X分量的原始记录波形.

图 1

Fig. 1

图 1 GM4平静日H分量波形 Fig. 1 GM4 quite day H component wave

从图 1台站记录到的GM4数据波形可以看出，有完整的日变，且形态基本一致.从图 2可以看出，在地磁活动较为平静时段，感应式磁力仪的原始波形记录并不平滑，有很多尖峰脉冲，这些脉冲在各个台站出现的时间、表现形态并不一致，说明感应式磁力仪记录更易受到台站周围环境的影响.对部分台站的观测数据做相关分析，杭州台跟邵阳台的相关系数只有0.2479，拉萨台跟邵阳台的相关系数为0.5598，进一步说明在磁静日，感应式磁力仪也易受台站周围环境的影响.

图 2

Fig. 2

图 2 感应式2011年10月28日X分量磁场平静一天数据 Fig. 2 SCM quite day X component of 2011，10，28

发生在2011年10月24 日的磁暴持续2天，磁通门磁力仪的原始记录波形见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 GM4磁通门磁力仪磁暴时H水平分量波形 Fig. 3 GM4 storm day H component wave

从图 3可以看出，磁通门磁力仪在磁暴时各台站的记录波形非常一致.磁暴急始、磁暴最低点等磁暴特征明显，磁暴发展形态清晰，只是扰动幅度各台站有所不同.采用相关分析得到，满洲里台跟农安台相关系数为0.9953，九峰台跟杭州台相关系数为0.9984，满洲里台跟杭州台相关系数为0.9512.由此可以说明，磁通门磁力仪在磁暴时的记录主要来自源场，周围环境的影响较小.满洲里台、农安台、九峰台和杭州台同为东经120°子午链附近，满洲里台跟农安台纬度相差5°左右，九峰台跟杭州台纬度相差不到1°，而满洲里台跟杭州台纬度却相差19°，而此时纬度差最小的九峰台跟杭州台数据相关性最大，而纬度差最大的满洲里台跟杭州台数据的相关性最小，表明磁暴时记录的波形在一定程度上受纬度影响.图 4给出感应式磁力仪Z分量磁暴时的18时数据.

图 4

Fig. 4

图 4 感应式磁力仪Z分量磁暴2011年10月24日18时数据 Fig. 4 SCM 2011，10，24，18 hour Z component data of storm day

从图 4可以看出，感应式磁力仪磁暴时Z分量也有响应，且图 4中两个台站磁暴急始时都有一个向上的脉冲，这与磁通门磁力仪磁暴急始时表现一致，这主要是因为磁通门磁力仪和感应式磁力仪Z分量传感器探头都指向下，因此它们在磁暴急始时方向应该一致，而且各个台站磁暴时形态基本一致.

从图 5可以看到，感应式磁力仪对于磁暴急始非常敏感，并且各个台站记录的磁暴急始开始时间相同且扰动变化形态非常一致，只是扰动变化幅度有所差别.我们通过定量分析得到，满洲里台跟农安台的相关系数达到0.9604，拉萨台跟邵阳台的相关系数达到0.9639，满洲里台跟邵阳台的相关系数也达到了0.9064.在磁场平静时相关系数很小的台站在磁暴这种剧烈的扰动时期相关系数增大.说明感应式磁力仪在磁场扰动时记录更多的是磁场的变化，环境变化此时相对磁暴幅度非常小，同时也说明了磁暴的全球同步性好.从上面计算出来的相关系数我们可以看到，满洲里台跟农安台纬度差5°，拉萨台跟邵阳台纬度差3°，满洲里台跟邵阳台纬度差12°，可以看到纬度差最小的拉萨台跟邵阳台相关系数最大，而纬度差最大的满洲里跟邵阳台相关系数最小，这跟前面磁通门磁力仪记录的数据受纬度影响较大相一致.而拉萨跟邵阳台他们的经度相差20°，相关系数却非常高，说明在磁暴时记录的波形受纬度影响较大而几乎不受经度差影响.

图 5

Fig. 5

图 5 感应式磁力仪X分量2011年10月24日18时记录曲线 Fig. 5 SCM X component data

从图 5还可以看出感应式磁力仪记录的磁暴形态似乎跟传统的磁暴发展过程差别很大，此次磁暴用磁通门磁力仪记录到的H分量磁暴急始为有一个向上的正脉冲，而从图 5可以看到四个台站感应式磁力仪X分量却在急始时有一个突然减小即有一个向下的负脉冲.这与磁通门磁力仪跟感应式磁力仪的探头安装方向有关.磁通门磁力仪H分量探头传感器朝向地磁北极，而感应式磁力仪X分量探头朝向地理北极，不考虑地磁北极跟地理南极之间有一个11°左右的夹角，地磁北极跟地理北极角度相差大约180°，相差一个负号.所以磁通门磁力仪记录的磁暴急始方向向上，而感应式磁力仪记录的磁暴急始向下.图 6给出两种仪器在整个磁暴期间三天的响应.

图 6

Fig. 6

图 6 磁暴期间两种仪器响应图 Fig. 6 response plot of two instruments in storm day

前一个箭头表示磁暴开始时刻，可以看到两个仪器开始时刻一致，都是平静记录突然有一个急始脉冲，后一个箭头表示磁暴主相最低点，可以看到，在磁暴主相期间GM4变化剧烈，SCM幅度变化相对应其他时刻也很大，主相之后为磁暴恢复相，磁场缓慢变化到平静水平，SCM也是相应的变化较小，幅度没有剧烈变化.GM4记录到完整的磁暴变化形态，SCM记录的磁暴非常规磁暴变化形态.

磁通门磁力仪跟感应式磁力仪虽然同为地磁相对记录仪器，但是两种仪器原理不同，频带宽度也不同.首先从原理上的差别对它们进行分析.感应式磁力仪记录的感应电压与磁场的变化率成正比，而磁通门磁力仪记录的感应电压与磁场的大小成正比，经补偿电路补偿之后的输出反映的是地磁场的变化，磁通门磁力仪记录的相对值需要加上基线值之后再做差分才能得到磁场的变化率，但是考虑基线值在短时间内的变化幅度很小，因此直接对磁通门磁力仪记录的相对值做差分也近似看做磁场的变化率.它们之间存在一个近似的差分或者积分关系.用磁通门磁力仪的H分量乘以磁偏角的余弦即得到X分量，再对X分量进行差分处理，在理论上，这样处理之后，磁通门磁力仪跟感应式磁力仪记录的数据应该近似相同.因为磁通门磁力仪输出数据中磁偏角的单位为纳特，要转换成角度单位度分秒需要用到水平分量的绝对值，而子午工程磁通门磁力仪没有配置测量基线值的DI仪，而不同磁通门磁力仪基线值存在差别，不能随便相加.因此我们采用简化处理即直接对磁通门磁力仪秒采样数据H水平分量进行差分处理，再与感应式磁力仪X分量数据进行对比分析.根据各个台站每天两种仪器的数据到达情况，选取内蒙古满洲里台2011年10月24日GM4与感应式数据.原始数据和一阶差分结果对比图如图 7.

从图 7可以看到，GM4差分之后的波形与感应式磁力仪波形非常相似，GM4数据取得极大值的时候SCM数据取得极小值，这种情况称为反相关.但这只是一种定性分析，还需要对数据进行定量分析.由于GM4采样率为1赫兹SCM采样率为32赫兹，因此把SCM数据取每秒的平均值再与GM4差分结果做对比.进行平滑处理后SCM数据中虽然部分高频成分可能被剔除，但是整体的变化趋势仍然没有很大变化.对GM4数据进行差分处理，对SCM数据进行平滑，算出两种数据波形的相关系数为-0.8766，可以看出处理之后的两种数据不仅波形反对称，并且通过定量分析得出的相关系数也表示它们的反相关程度很高.而两种数据不会完全反相关是因为磁场水平分量H跟南北分量X之间的转换也应乘以磁偏角的余弦，而本文却直接把GM4的H分量差分的结果与SCM的X分量做对比，而且文中对SCM进行的平滑操作也较为粗糙可能对结果有一定的影响，正是这些原因造成GM4差分后的数据与SCM数据负相关，但是负相关系数并不为一.GM4跟SCM都记录磁场Z分量，图 8给出2011年10月24日满洲里台Z分量的差分结果.

图 7

Fig. 7

图 7 满洲里台GM4的H分量差分结果与SCM原始X分量数据对比 Fig. 7 contrast between MZL GM4 difference result of H component and SCM X component data

图 8

Fig. 8

图 8 满洲里台GM4差分数据与SCM原始Z分量数据 Fig. 8 Z component difference of MZL in GM4 and SCM Z component data

由于GM4的Z分量与SCM的Z分量虽然一个为变化量，一个为变化率，但是它们探头的安装方向一致，从原始数据中可以看到磁暴时急始方向一致，都为向上的正脉冲.从理论上来讲，它们都为地磁Z垂直分量，一个为地磁相对变化，一个为地磁变化率，对GM4数据进行差分处理，两者的波形相关系数应该很高，但是从差分数据波形，以及得到的相关系数来看(差分结果与平滑结果的相关系数为0.0931)，两种数据相关度不是很高，这可能是由于：首先磁暴时在水平分量H或者X分量表现比较大，幅度表现明显，而Z分量虽然也有反应但是幅度变化较小，不如H水平分量或者X分量，其次感应式磁力仪的Z分量探头传感器在安装时是向下挖一个垂直的坑，再把探头放进去，安装可能存在较大误差.而磁通门磁力仪三个分量的探头都集成在一个探头盒里，在且有水平调节泡来保证水平分量水平，正交性比较好.很有可能因为传感器的安装等因素导致造成两者波形相差很大.

3 结 论

3.1     对于磁暴的研究，GM4记录的波形不论在磁场平静时还是在磁暴时，各个台站波形相关性很高，SCM在磁场平静时波形相关性很低，磁暴时各个台站波形相关性很高.GM4记录到完整的磁暴变化形态，SCM记录的磁暴非常规磁暴变化形态.

3.2    GM4和SCM磁暴时，Z分量急始方向都向上，且各个台站一致，这主要与两种仪器的安装方向有关，Z分量探头都朝下.GM4的H水平分量急始方向向上，而SCM的X分量急始方向朝下，这是因为GM4的H分量探头朝向地磁北极，而SCM探头方向朝向地理北极，不考虑它们之间11.5°的夹角，二者几乎相差180°，相差一个负号.

3.3    磁暴时，GM4的H差分结果与SCM的X分量数据相关性很高，这里采用简化处理，本应采用H绝对值的差分，但是考虑基线值在短时间内变化较小，而且子午工程台站并没有配置测量基线值的仪器，所以直接用GM4记录的水平分量做差分，而H水平分量转换为X分量时应乘以磁偏角的余弦，而磁偏角在GM4输出时单位为纳特，转换为度分秒单位需要用到台站H水平分量绝对值，因此这些简化处理可能对GM4的H分量差分结果与SCM的X分量平滑结果有一定影响，但是它们的相关系数仍高达0.8766.

3.4    GM4的Z分量与SCM的Z分量差分结果相关性并不高，这可能是因为：(1)磁暴时H水平分量或者X分量表现比较明显，而Z分量虽然有变化，但是变化不如H分量剧烈；(2)GM4的三分量探头集成在一个探头盒中，且有水平泡等保证水平，正交性较好，而SCM的Z分量安装时是安装在一个垂直的坑中，而三分量是否严格正交没有经过检验，可能由于安装方法存在误差，因为造成GM4的Z分量差分结果与SCM相关性不高.