地球物理学进展  2014, Vol. 29 Issue (5): 2120-2127   PDF    
基于多日地磁场数据的K指数现报
张晓芳1,2, 刘松涛1, 符养3, 周率2,4    
1. 北京市5111信箱, 北京 100094;
2. 航天飞行动力学技术重点实验室, 北京 100094;
3. 北京应用气象研究所, 北京 100029;
4. 北京航天飞行控制中心, 北京 100094
摘要:基于连续27天地磁平静时地磁场H分量提取磁场规则日变化曲线,对2011-2013年佘山和北京台的地磁K指数进行现报,将计算结果(Know)与中国地磁台网公布的K指数(Kobs)以及FMI方法结果(Kfmi)、Kp指数进行了比较.去除∣Kobs-Kp∣≥4数据后的分析结果表明: KnowKobsKfmi有较好的一致性,与KobsKfmi完全吻合的比例分别可达53.5%和63.8%,序列差值在1个标度之内比例为94.7%和98.1%;现报方法所计算的K指数能给出即使是轻微程度的地磁扰动,在5~8高KKnowKobsKfmi有很好的吻合性,由于忽略了磁场日变化,0~2 K区的Know结果偏高;与佘山台和北京台的K指数相比,Kp处于0~1低K区的频率远高于K指数,对应Kp≥5的佘山台98.3%和北京台96.6%的Kobs小于等于Kp指数;佘山台Kobs指数与同时刻加权平均的Kp指数吻合较好,北京台的KobsKfmiKnow高于Kp,利用修正后三小时扰幅计算的北京台K指数与Kp吻合度提高.
关键词K指数现报     规则日变化SR     3小时扰幅     FMI方法     Kp指数    
K-indices nowcast based on digital magnetogram data from the previous 27-day period
ZHANG Xiao-fang1,2, LIU Song-tao1, FU Yang3, ZHOU Lv2,4     
1. Beijing 5111 Mail box, Beijing 100094, China;
2. Science and Technology on Aerospace Flight Dynamics Laboratory, Beijing 100094, China;
3. Beijing Institute of Applied Meteorology, Beijing 100029, China;
4. Beijing Space Control Center, Beijing 100094, China
Abstract: Obtaining the solar regular variation (SR) of the geomagnetic field curve based on the H component of digital magnetogram measurements from those quiet geomagnetic days only (i.e. from only those days when K<3) during the previous 27-day period, K-indices were scaled in real time for the Sheshan and Beijing station during 2011-2013. Based on data of∣Kobs-Kp∣<4, the nowcast-estimated K-indices (Know) were compared with the K-indices from geomagnetic network of China (Kobs) and those scaled by FMI method (Kfmi), and with the Kp-indices. The statistical results show that the nowcast K-indices present good correlation with Kobs and Kfmi. 53.5% of the nowcast-estimated K-indices are in agreement with the Kobs-indices, 94.7% differing not more than one unit, and 63.8% of the Know-indices are in agreement with the Kfmi-indices, 98.1% differing not more than one unit. The nowcast K-indices can be sensitive to geomagnetic disturbances and shows little difference with the Kfmi-indices and the Know-indices when Kobs≥5, while the Know-indices are a little bigger than the Kfmi-indices and the Know-indices when Kobs≤2. Frequency of the Kp-indices which are 0~1 scale is much higher than that of the Kfmi-indices and the Know-indices, while 98.3% of the Kobs-indices for the Sheshan observatory and 96.5% for the Beijing observatory are no higher than the simultaneous Kp-indices when Kp≥5. The Kobs-indices of Sheshan observatory are in good agreement with the simultaneous weighted average Kp. The Kobs-indices of Beijing observatory are higher than Kp, while the Kobs-indices calculated based on the modified K-scale are in better agreement with the simultaneous weighted average Kp.
Key words: K-index nowcast     the solar regular variation of the geomagnetic field (SR)     limit of range classes for the K- index     FMI method     Kp-index    
0 引 言

地磁活动现报对于无线电通讯、卫星定位/导航、勘测地球物理学、空间天气模式研究等具有重要作用(Stankov et al., 20062009; Stankov and Jakowski, 2007; Warnant et al., 2007)其中K指数是当前广泛应用于地球空间科学、地震预报研究中的地磁活动指数之一.K指数是描述单个地磁台3小时时段内地磁扰动强度的指数,以世界时零点为一天的开始,用0~9分10 级来描述地磁场不规则变化的扰动程度.

地磁场可分为稳定磁场和变化磁场,而变化磁场又可分为规则变化(记作SR:solar regular variation)与不规则变化.稳定地磁场在短时间内可视为常数,因而标定K指数的关键在于如何消去规则日变化SR.1939 年Bartels 等人设计K 指数时,仅指出了SR的物理基础,并未给出确定SR的具体方法.我国地磁台站曾长期使用由平静太阳日变化和平静太阴日变化统计得到的“铁曲线”手工测量K指数.随着数字化台站的建设与发展,不同的K指数标定算法应运而生,得到国际地磁和超高层大气物理学协会认可和推荐的有USGS(Wilson,1987)、FMI(Sucksdorff et al., 1991)、AS(Nowozyński et al., 1991)和LRNS(Hattingh et al., 1989)4种方法.通过比较分析(Menvielle et al., 1995; Bitterly et al., 1997),芬兰气象研究所研制的FMI算法被认为性能最好,应用较为广泛.FMI 算法是以3 天的地磁场观测数据计算中间一天的K指数,因而利用FMI方法计算K指数存在一天延迟.为了实时地标定K指数,需要在只知道过去和现在的情况下,准确得到当天的SR.相应的出现了一些现报方法,如齐玮等(2010a)提出了一种基于径向基神经网络的K指数实时标定方法,实验结果与直接用FMI方法标定的K指数相比完全吻合的占69.8%.

作为一种重要的地球物理数据,地磁K指数的计算是地磁台站的重要工作之一,为了对局地地磁活动进行有效监测,需要一种有效适用于所有地磁台站的地磁K指数现报方法.(Takahashi et al., 2001)指出,在假设SR每天变化非常小的情况下,可以利用最近一个月中地磁活动最平静的几天得到近似的“磁静日曲线”,本文基于此思想,利用中国国家地磁台网公布的佘山、北京地磁台站的地磁场数据对局地K指数进行了现报,将计算结果(以下简称Know)与中国地磁台网公布的K指数(以下简称Kobs)结果以及FMI结果(以下简称Kfmi)、Kp指数进行了比较,从而检验了现报方法计算K指数的稳定性和可靠性,探讨了不同K/Kp结果间的差异.

1 数据简介

根据国家地磁台网(http://www.geomag.org.cn)公布数据,利用了2011年1月1日至2013年1月23日北京台,2012年1月1日至2013年4月24日佘山台的地磁场分钟数据以及K指数结果.在去除缺测数据后,进行对比分析的北京台K指数数据3472个,佘山台3056个.地磁场数据存在由于非物理原因造成的突跳,例如北京台的相对磁场H分量通常在-100~100 nT,而在2012年11月24日02: 46 UT,H分量跃增到8083 nT,在02: 51 UT和02: 52 UT分别达到11519 nT和13936 nT,这种不规则的记录由各种原因造成,最经常的原因是由外部因素所造成的仪器精度下降,在分析时剔除了这种数据突跳情况.

地磁活动指数Kp数据来源于世界资料中心日本京都大学(WDC-C2)地磁中心网站(http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/).Kp指数是由位于磁纬48°~63°之间13个地磁台的K指数得到,分为28个标度:00,0+,1-,10,1+,2-,20,2+,2…8-,80,8+,9-,90,为了便于和K指数对比,我们将1-,10,1+均归为1,以此类推,将Kp指数其归化为与K指数相同的0~9共10个标度.

2 K指数算法要点

K指数计算中的关键步骤是利用地磁场分量计算当前24小时的太阳长期变化SR.FMI算法以3天的地磁场X和Y分量为数据源,首先求出X和Y两个地磁分量SR的24个时均值,再通过5次谐波拟合得到中间一天的SR曲线.我国地磁台站观测的是H、D和Z分量,由于基本处于磁纬40°以下地区,H分量扰动最为剧烈(徐文耀,2003),通常只用H 分量标定K 指数.FMI方法标定K指数的基本原理与我国使用的H分量测定K指数的方法相同,可以将FMI 方法直接移植到地磁场H 分量上(齐玮等,2010b),我们在以下计算时应用H分量对K指数进行计算.

为了得到实时SR曲线,假设SR曲线的日变化很小(Takahashi et al., 2001),选择最近27中地磁平静(K<3)时地磁台的H分量数据,进行时序叠加取中值,得到SR的24个时均值,然后再通过曲线拟合近似得到SR的分钟曲线.由于存在台站部分资料缺失情况,计算SR时确保能利用的磁场数据在15日以上,SR每日更新.

从磁场分量的时间序列中消去SR曲线,利用纯磁扰曲线最高值和最低值的残差,根据3小时磁扰幅度R即可确定最终的K 指数.K指数大小与R有近似对数的关系.依据确定3小时扰幅应遵循的原则(Bartels et al., 1939),朱岗崑给出了佘山地磁台K指数3小时扰幅为:R=3,6,12,24,40,70,120,200,300 nT,我国大多数地磁台站都沿袭了佘山台的3小时扰幅.由于不同地磁台地磁纬度的不同,K指数的3小时扰幅需要进行相应的修正,齐玮等(2010b)通过频次比较的方法,分别以佘山台K指数和Kp为标准,根据1994-1999年共6年的北京地磁场H分量数据,给出了一个修订的北京地磁台K指数3小时扰幅:R*=3.9,7.8,15.6,31.2,47.5,70,120,200,300 nT,我们在以下计算北京台K指数时对两种情况的结果分别进行了讨论.

3 结果分析 3.1 磁暴过程K指数计算结果

通过一次个例分析给出现报方法计算SR的过程,图 1给出了对2012年3月15日佘山和北京地磁台站SR的计算.图 1a 为2月17日-3月14日连续27天按世界时时序叠加的1分钟磁场相对变化H分量,尽管在地磁扰动时期的磁场大的扰动很明显,但从叠加结果能看出磁场的日变化形态,一般来说在早晨的几个小时的值较低.图 1b中去除了地磁扰动磁场数据,数据发散性明显变小,磁场日变化的趋势清晰可见,其时序叠加中值(图 1c中星号)的小时平均值实际上就是我们所求SR时均值.随后我们利用多项式插值近似对其进行了曲线拟合,得到1分钟分辨率的SR曲线.图 1c中同时给出了佘山、北京台站2012年7月15日和12月15日的SR结果,由于佘山(地磁纬度20.88°)和北京台(地磁纬度29.63°)的地磁纬度相差近9°,两台站之间的SR的形态有些差异,但由图可清晰看出两台站SR变化的共同特点(徐文耀,2009):SR在白天有较大的变化,而在夜间的变化小而平缓;SR幅度有显著的季节变化,表现出夏季大,冬季小的特点;SR的变化形态随季节变化不大,只是在夏季的相位略有前移.

图 1 利用2012年2月17日-3月14日相对地磁场H分量分钟数据计算3月15日佘山台(左图)和 北京台(右图)规则磁场变化SR
(a)时序叠加的27天H分量;(b)地磁平静(K<3)时H分量数据的时序叠加;(c)星号为3月15日SR时均值, 粗实线为利用多项式拟合得到的SR分钟值,细实线为7月15日SR,虚线为12月15日SR.
Fig. 1 Calculations of the SR in real time demonstrated on 1-min H element of digital magnetogram records from 17 February to March 15,2012 for the Sheshan station (left panels) and the Beijing station(right panels)
(a)Superposed epoch for H diurnal variations;(b)H diurnal variations during quiet days(K<3)only; (c)1-min SR curves of March 15(thick solid line),July 15(thin solid line) and December 15(dot line),2012,separately, and asterisks denote hourly SR points of March 15,2012.

从1分钟相对地磁场H分量中去除SR得到纯磁扰曲线,然后利用3小时时段中最大值和最小值的差值,根据3小时磁扰幅度R 即可确定K值.为检验现报方法计算K指数的有效性,我们将Know不仅分别与Kfmi、Kobs和Kp指数进行了频次及序列差值的统计对比,而且对计算数据中的所有磁暴个例进行了过程分析.

受日冕物质抛射影响,2012年3月7-16日接连发生了3个中磁暴和1个大磁暴过程,如图 3所示,Kp指数在7日6-12 UT、12日9-15 UT以及15日15-18 UT达到中等磁暴水平6,9日6-9 UT,Kp达到大磁暴水平8,与此相应的Dst极值在7日15 UT、12日16-17 UT、15日19 UT和9日的8 UT分别达到-85 nT、-51 nT、-80 nT和-143 nT.佘山台、北京台的Kobs与Kp的变化趋势有着很好的一致性,但是对应Kp极值的K指数极值偏小,两台站Kobs分别在7日6-9 UT和6-18 UT达到5,9日6-9 UT达到7,相对于Kp的值偏低1个标度,在12日9-12 UT以及15日15-18 UT达到最大值6,与Kp指数一致.

图 2 现报方法
(a)、FMI方法(b)计算和国家地磁台网公布(c)的2012年3月7-16日的佘山台(左图)和 北京台(右图)的K指数及同时刻的K指数序列差值ΔK,(d)为Δ(Know-Kobs),(e)为Δ(Kfmi-Kobs).
Fig. 2 Representative results of the K-indices for the Sheshan station(left panels) and the Beijing station (right panels)during geomagnetic storm events of March 7-16,2012.
(a)Nowcast K- indices(Know); (b)K- indices of FMI(Kfmi);(c)K- indices from geomagnetic network of China(Kobs); (d)Differences between Know and Kobs,i.e. Know minus Kobs; (e)Differences between Kfmi and Kobs,i.e. Kfmi minus Kobs.

图 3 2012年3月7-16日地磁活动Dst指数(a)和Kp指数(b)的时间序列 Fig. 3 Time series of the Dst(a) and Kp indices of March 7-16,2012

以此过程作为典型代表个例,我们给出了在此期间的K指数对比结果.如图 2所示,Know和Kfmi均能很好的反映地磁扰动过程,现报方法所计算的K指数能给出即使是轻微程度的地磁扰动,尤其是对于磁暴过程中K极值情况,除了北京台15日15-18 UT 的Know比Kobs大1之外,其余的Know、Kfmi与Kobs一致.总体来讲,除了与Kobs差值为零的外,Know比Kobs偏高情况较多.尤其是对于磁暴过程中的低地磁活动情况,如11日9-12 UT、14日6-9 UT时佘山台Kobs为1,计算的Know 为3比Kobs大2个标度,其余Know与Kobs的差值基本上都在1个标度之内.现报方法所计算的北京台Know与同时刻Kobs的差值均在1个标度之内.实际上我们对所有Kp≥5时的Know、Kobs序列进行了对比,结果表明佘山台57.9%、北京台52.1%的Know与Kobs完全吻合,两者虽然不完全吻合,但是偏差并不是很大,Know、Kobs序列差值︱ΔK︱均小于等于2,其中95.1左右的︱ΔK︱≤1,这也说明现报方法计算的SR是可信的.

3.2 佘山台K指数频次以及序列差值统计对比

为进一步检验现报方法计算K指数的效果,以下比较了Know、Kfmi和Kobs频次,计算了Know与同时刻的其它K/Kp指数序列差值,并以Kobs值为标准,按加权平均计算了10个Kobs值对应的同时刻Know、Kfmi和Kp指数.图 4图 5表 1给出了佘山台的统计分析结果,可见与Kobs差别最小的是利用FMI方法计算的Kfmi.Kobs、Kfmi和Know频次分布峰值均在K=2处,Kfmi与Kobs在各个K区的频次比例相当接近.除了在Kobs为零时加权平均的Kfmi偏大一些外,在其它的K值区Kfmi和Kobs几乎完全一致,其相关性达到0.998.97.5%的Kfmi与Kobs序列差值在1个标度之内,其中Kfmi与Kobs的序列差值ΔK=0,即两者完全相同的比例达到74.8%,差1个标度(ΔK=±1)的占22.7%,这比齐玮等(2010b)所利用FMI方法计算1997年佘山台K指数的比较结果(54.2%完全吻合,39.6%为1个标度)要好,与(Menvielle et al., 1995Bitterly et al., 1997)的FMI计算结果(70%完全吻合)相近.

图 4 佘山台2012 年1 月28日-2013年4 月20日(共3056个数据)Know、Kfmi和Kobs的频次分布(a)和序列差值(b)比较. Fig. 4 Frequency distributions of Know,Kfmi and Kobs(a), and statistic of differences between various K-indices;(b)for the Sheshan station from 28 January,2012 to April 20,2013(data total: 3056).

图 5 佘山台Kobs与同时刻按加权平均计算的Know、Kfmi和Kp指数比较 Fig. 5 Comparison of Kobs-indices for the Sheshan station with the weighted average Know,Kfmi and Kp,respectively,during the same 3-h section

分析同时刻K指数序列差值可知,92.6%的Know与Kobs序列差值在1个标度之内,Know与Kobs序列差值为零的占51.7%,差1个标度的占41.0%,这与文献(Stanimir et al., 2011)所计算的Dourbes 台站结果(48.3%吻合,43.1%差1个标度)相近.48.2%的Know与Kfmi完全吻合,差1个标度的为44.4%.37.0%左右的Know比Kobs和Kfmi大1个标度.通过频次分析可知,Know在0~1的低K区频次偏低,在3~5 K区频次偏高,这说明部分低值Kobs对应高值Know,相应的,由图 4可见,在0~2的低Kobs区,按加权平均计算的Know偏高,在3~4中Kobs区,Kobs位于Know和Kfmi之间,与Kobs相比,Know结果偏高一些,Kfmi稍微偏低;在Kobs≥5的K区,Kobs对应的加权平均的Know和Kfmi结果均与Kobs、Kp有较好的吻合.

表 1 2012年1月28日-2013年4月20日佘山台K指数频次 Table 1 The frequency of K-indices for the Sheshan station from 28 January,2012 to April 20,2013
3.3 北京台K指数频次以及序列差值统计对比

分析2011年1月28日-2013年1月23日北京台的K指数差异(图略)发现,近0.95%(34个)的Kobs与Kfmi和Know结果差∣ΔK∣≥3,其中0.25%左右ΔK为4个标度,图 6给出了与Kobs同时刻加权平均的Know、Kfmi和Kp,可见在K≥5的高K值区,Kobs对应的Kfmi、Know和Kobs均明显低于Kobs.分析∣ΔK∣≥4数据的发现,此时的Kobs均处于5~9的高K值区,而同时刻的Kfmi、Know和Kp指数均处于较平静的状态.例如图 7给出了2011年5月12-15日北京台的Kobs和同时刻的Kp指数,可见Kobs在12日、14日均有一段5~6的高值区,而对应的Kp为0~2的低值,同时计算的Know和Kfmi也较小.这种异常的地磁扰动可能是由台站本身的数据误差造成,因而在以下分析时根据Kobs和Kp差值ΔK去除了这部分数据.如表 2所示,总共去除了个∣ΔK∣≥4的数据72个,其中除了4个Kobs值为4外,其它68个Kobs均大于等于5,同时刻Kp数值较小.

图 6 北京台2011 年1 月28日-2013年1月23(共3472个数据)Kobs与同时刻按加权平均计算的Know、Kfmi和Kp指数比较 Fig. 6 Comparison of Kobs for the Beijing station from 28 January,2011 to January 23,2013(data total: 3472)with the weighted average Know, Kfmi and Kp during the same 3-h section

图 7 2011年5月12-15日北京台的 Kobs(a)和同时刻的Kp指数(b) Fig. 7 Time series of Kobs for the Beijing station(a) and the Kp indices(b)during May 12-15,2012

表 2 2011年1月28日-2013年1月23日北京台K指数频次 Table 2 The frequency of K-indices for the Beijing station from 28 January,2011 to January 23,2013

图 8a图 9a给出了以传统3小时扰幅R标定的K指数结果.与佘山台结果类似的是,三种K指数在各个K档的比例分布峰值均在K=2处,Know在3~5的频次明显高于Kobs和Kfmi,相应的,现报方法对于0~2低Kobs区K指数的计算结果偏高,对应3~7较高Kobs的Know与Kfmi和Kobs吻合的较好.从频次对比来看,相对于佘山台,利用现报方法和FMI方法计算的北京台K指数结果与Kobs的吻合度更好,与Kobs完全一致的比例分别为53.6%和67.3%,序列差值在1个标度以内的分别为94.7%和97.6%.98.0%的Know与Kfmi的序列差值在1个标度,63.8%完全吻合.北京台的Kobs为0的频次仅为4,相对的Know和Kfmi的频次明显偏高,因而相对于佘山台结果,Kobs所对应的加权平均的Kfmi在0~1K区偏高.

图 8 去除∣Kobs-Kp∣≥4 数据后(共3068个数据),北京台Kobs与分别利用3小时扰幅R(a)以及修正后的3小时扰幅R*(b)标定的K指数频次分布(上图)以及同时刻的不同K指数序列差值(下图)统计 Fig. 8 Based on data of ∣Kobs-Kp∣<4(data total: 3472),frequency distributions of the Kobs-indices for the Beijing station,the Know,Kfmi indices scaled by the traditional limit of range classes(top panels) and the modified limit of range classes(bottom panels),respectively(a), and statistic of differences between various K-indices(b)

图 9 北京台Kobs与同时刻按加权平均计算的K/Kp指数比较
(a)中Know和Kfmi利用R标定,(b)中K*now和K*fmi利用R*标定.
Fig. 9 Comparison of Kobs for the Beijing station with the weighted average Know,Kfmi and Kp
indices during the same 3-h section,in which Know and Kfmi were scaled by the traditional K-scale R(a) and the modified K-scale R*(b),respectively

图 8b图 9b给出了对应修正的3小时扰幅R*(齐玮等,2010b)的K指数结果.从整体的统计结果来看,现报结果与Kobs完全吻合的比例由53.6%上升到56.8%,这是由于现报方法在0~2低K区预报结果偏高,修正后R*提高了同一K的对应范围,从而使得吻合比例上升.如图可见由于R*标定的K指数相对偏低,因而K*now和K*fmi在0~2的低K区频次增大,4~5的中K区减小.相对于Know,利用R*标定的K*now在0~2低K区与Kobs的吻合度提高,但是在3~5中K区的吻合度下降,K*now相对于Kobs偏低.而分析与Kobs吻合度最好的Kfmi发现,ΔK=0的比例由67.3%下降到53.3%,这主要是由于Kobs本身即是根据R计算得到的.

比较与Kobs同时刻的Kp指数可见(图 9),利用R计算所得Kfmi、Know和Kobs均明显高于Kp,而利用R*计算所得K*fmi、K*now明显与Kp有更好的吻合性.与佘山台所得结果类似的是,在1≤Kobs≤3区域,加权平均的Kp明显比Kobs、Know和Kfmi小,而对于Kobs≥5情况,Kp和Know、Kfmi的吻合性很好.以上是以Kobs为标准分析结果,实际上分析所有Kp≥5的情况发现,以加权平均计算Kp同时刻的Kobs可以发现Kp明显大于Kobs(图略).通过表 1表 2的频次比较可知,与佘山台对应比较Kp≥5的频次为114,远高于对应的Kobs和Kfmi的63和76次,与Know频次116相近,其中Kp≥6的Kp频次44明显高于Kobs 12,此时的Know和Kfmi分别为22和24,这说明必然有一部分较高的Kp对应低Kobs.实际上,与北京台对应比较的Kp≥5频次为115,Kobs频次115,即使是这种频次相近的情况,同时刻的Kobs基本上都是小于等于Kp.这种结果一方面这和我们归化Kp指数的方法有关,毕竟5-、6-、7-、8-还没达到5、6、7、8的扰动水平,但是最主要的还是由于磁暴时佘山和北京台的大部分Kobs本身小于Kp指数,分析同时刻的Kp指数和Kobs的序列差值可知,对应Kp≥5的佘山台和北京台Kobs,除了15.8%和30.8%的与Kp相等外,佘山台82.5%、北京台65.8%的Kobs比Kp小(含)1个标度以上,甚至分别包含5.3%和6.8%的差3个标度情况,例如在2012年7月14-16日≥6的Kp分别为6,7,6,6,7,6,6,对应的同时刻的佘山台和北京台的Kobs分别为5,6,5,4,4,4,3和6,4,5,4,4,4,3,这主要是由于用来计算Kp指数的地磁台的纬度偏高,因而地磁扰动的幅度要高于佘山和北京台.Kp与K指数毕竟是有区别的,例如与佘山台和北京台的K指数相比,处于0~1低K区的Kp频率远远高于北京台和佘山台K指数.

通过以上分析,可以说利用现报方法标定的K 指数是比较准确的,但实际上Know还是存在不少误差.与Kobs相比,5%~7%的Know与Kobs序列差值∣ΔK∣≥2.标准K指数的定义表明磁场日变化存在每日变化应该考虑,而正如我们前面所说,我们假定了磁场的日变化每天变化很小,这是使得现报方法计算K指数出现误差的一个主要原因.同时我们分析∣ΔK∣ ≥3的情况发现,佘山台0.45%和北京台0.39%的Know与Kobs差值ΔK 达到3,同时的K/Kp指数分析表明,其中一半左右的是Kobs为4或者5,而Kfmi、Know和Kp的结果小于2情况,同时的Δ(Kfmi-Kobs)为3个标度,这说明对于Kobs、Kfmi和Know任何两者之间均存在差异较大的情况.

4 结 论

4.1    地磁台站,特别是在其组成台网(例如子午线上台链)后能够对地磁活动进行联合观测和分析,具有连续、便宜和可信的特点,即使是在当前空间探测快速发展的时代,仍然有其不可替代的作用,作为一种重要的地球物理数据,利用地磁台站数据对地磁K指数的快速有效的标定不仅能对局地地磁活动进行有效监测,而且能够和空间观测互相结合和补充,从而进行有效的电离层效应的现报和预报服务.

4.2    当前广泛应用的FMI方法具有1天的时间延迟性,为了寻求一种能有效适用于所有地磁台站的现报方法,本文基于(Takahashi et al., 2001; Stanimir et al., 2011)思想,利用最近27天中地磁平静时地磁台的H分量,时序叠加取中值,然后曲线拟合得到1分钟分辨率的SR曲线,从而对佘山和北京台地磁K指数进行现报,并将计算结果与国家地磁台网公布的Kobs指数结果以及FMI结果Kfmi、Kp指数进行了比较.去除∣Kobs-Kp∣≥4情况后的分析比较表明:

(1)现报方法标定的K指数与Kobs、Kfmi有较好的一致性.佘山台92.6%、北京台94.7%的Know和与Kobs的序列差值在1个标度之内,其中完全吻合的比例分别为51.67%和53.56%;与FMI方法相比,92.7%和98.0%的在1个标度之内,其中完全吻合的比例为48.2%和63.8%.

(2)中高K区Know与Kobs、Kfmi有很好的吻合性,低K区的Know结果偏高.现报方法所计算的K指数能给出即使是轻微程度的地磁扰动,对于Kp≥5的磁暴情况,所有Know与Kobs的序列差值︱ΔK︱小于等于2,其中95%左右的︱ΔK︱≤1.由于忽略了磁场的日变化,在低地磁活动情况下,Know结果往往高于Kobs和Kfmi.

(3)与佘山台和北京台的K指数相比,Kp处于0~1低K区的频率远高于K指数,在1≤Kobs≤3区域,加权平均的Kp比Kobs、Know和Kfmi小,而对应Kp≥5的佘山台98.3%和北京台96.6%的Kobs小于等于Kp指数.佘山台Kobs指数与同时刻加权平均的Kp指数吻合较好,北京台的Kobs、Kfmi和Know高于Kp,利用修正后三小时扰幅计算的北京台K指数与Kp吻合度提高.

致 谢 感谢中国国家地磁台网及世界资料中心日本京都大学地磁中心网站提供相关研究数据.

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