1900—2000年地磁场及长期变化的空间功率谱分析

根据第8代国际地磁参考场模型,计算并分析了1900－2000年地球主磁场及长期变化的空间功率谱,并将长期变化谱分解为稳定和漂移谱、漂移谱又分解为经向漂移和纬向漂移谱分别进行分析,结果表明19002－000年主磁场的空间功率说贩等效磁源深度随时间变化,非偶极子场的等效磁源深度位于核幔边界附近,用n＝1,2两阶谐波的拟合直线得到的等效磁源位于地球内核边缘,而且1900年以来离地心向外增大,长期变化中,经度方向的漂移谱起主要作用,漂称谱有30a的周期规律,而稳定谱存在60a的周期变化特征。     

地磁位谐波振幅的南北非对称性

 利用第10代国际参考地磁场模型(IGRF)的资料,研究了地磁位的谐波振幅的纬度分布及其时间变化.结果表明,地磁位偶极子成分的谐波振幅北半球大于南半球,谐波振幅随时间减小,北半球的减小比南半球快,振幅变化率高纬度地区周期小,低纬度地区周期长,平均有60 a左右的周期.非偶极子成分的谐波振幅南半球大于北半球,谐波振幅随时间增大,北半球比南半球增加快,振幅变化率南半球比北半球变化强烈,没有明显的周期规律.地磁位的谐波振幅变化有明显的纬度依赖性,在南北半球的分布及其时间变化与地球赤道非对称.     

太平洋地区地球主磁场长期变化特征的研究

研究太平洋地区主磁场的长期变化特征,对揭示该地区的“偶极子窗”的时间演变和长期变化规律有重要意义.作者使用最新的国际地磁参考场IGRF13模型资料,分析1900—2020年期间太平洋地区主磁场的长期变化特征.结果表明1900—2020年太平洋地区主磁场的空间展布符合“太平洋偶极子窗”的分布特征.该地区主磁场的长期变化在赤道以北为缓慢变化,以南则是较快变化.偶极子场成分变化缓慢,非偶极子场成分变化较快.非偶极子场的长期变化以西向漂移为主,但各分量的西漂速率有显著的差异.垂直分量（Z）和北向分量（X）的西漂速率分别为0.23°/a和0.21°/a,均接近于0.2°/a的全球非偶极子西漂速率;东向分量（Y）的西漂速率为0.17°/a,低于全球非偶极子西漂速率. Y分量的长期变化在34°N附近发生扭曲并且在北太平洋表现为缓慢东漂,这一长期变化特征可能与太平洋北部的30°N和45°N之间在核幔边界处存在的古板块的俯冲过程有关.     

1600年以来地磁场主要参数的变化特征

使用第７代国际地磁参考场（ＩＧＲＦ）模型和历史资料的高斯系数,用统一的方法计算了１６００年以来地球磁矩、地磁北极位置和偏心磁偶极子的位置参数和１９００￣２０００年的地磁西向漂移,分析了各参数的长期变化特征。结果表明,１６００年以来地球磁矩一直在减小,偏心偶极子位置自１８５０年以来一直离地心向外增大。西向漂移主要由低阶球谐项产生。偏心偶极子位置的经向西移与西漂分量λ１／２有相似的周期变化形态。     

地磁场能量在地球内部的三维分布及其长期变化

 利用Bloxham&;Jackson地磁场模型(BJ)和国际地磁参考场模型(IGRF)资料,计算并分析了1690年以来地磁总能量、北向、东向和垂直向分量的能量从CMB到地表的分布和时间变化.结果表明,地磁场总能量以及北向和垂直向分量的能量在地表和地球内部的变化一致,1690年以来减小,东向分量的能量变化以波动形式增大,偶极子磁场能量持续减小.非偶极子磁场的能量1690~1770年减小,1770年以后增大.磁能密度在CMB附近增大较快,地表的磁能密度只有CMB的1.6%.从地表向下至CMB,偶极子和非偶极子的磁能密度的变化相反,偶极子减小,非偶极子增大.     

1900年以来地磁场西向漂移的全球特征

根据最新公布的第 7代国际地磁参考场模型 (IGRF) ,用 4种方法计算 190 0～ 2 0 0 0年的地球磁场的西漂 ,分析西漂的时间变化规律和不同纬度圈的漂移特点 .结果表明 ,不同的方法得出的漂移速度有一定差异 .西漂主要是非偶极子磁场产生 ,低阶球谐项平均西漂大 ,其中 2阶项最大 ,高阶球谐项西漂小 .西漂的地理分布特征是北纬 40～ 80°N和南纬 70～ 80°S之间西漂速度较小 ,0～ 6 0°S之间西漂速度较大 .     

基于磁矩信息的水下地磁连续定位算法

针对地磁场背景中偶极子目标磁场大小难以获得的问题，提出了载体潜深辅助地磁定位方法，通过2次测量潜深及磁场梯度计算载体相对目标的垂向位置，但若想连续定位须载体不断垂向移动. 为解决这一不足，提出利用目标磁矩信息实现水下地磁连续定位，由已知磁矩和磁场梯度组成关于位置的非线性方程组，解算载体位置. 给出了连续定位算法的具体步骤. 数值仿真结果表明，该方法能实现水下连续定位，且具有较高精度.     

偶极子磁场测量误差对水下载体定位精度影响

将水下地磁异常视为偶极子磁性目标,通过安装在载体上的测量装置测量磁性目标磁场大小与梯度来确定目标与载体间的相对位置.分析了由于磁传感器轴间非正交、增益不一致与零点漂移以及磁传感器安装中心偏差和指向不一致等因素所引起的磁场大小和梯度测量误差,及对水下载体定位精度的影响,并对此进行了数值仿真.结果表明,与磁场梯度相比磁场大小相对误差较小,受误差源的影响较小;相比于安装中心错位和指向偏差,磁传感器的三轴正交性、轴间增益一致性等对磁场梯度测量精度的影响最为明显.水下磁异常定位算法的误差随磁场梯度误差增加而增大,为获得高精度定位必须采用性能优良的磁传感器或对其进行补偿.     

基于EEMD和改进Elman神经网络的地球变化磁场短时预测

针对地球变化磁场时间序列的混沌特性,提出了一种集成经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)和改进Elman神经网络的地球变化磁场预测模型.首先,利用EEMD将非平稳的地球变化磁场时间序列分解为一系列具有不同特征尺度的本征模态函数(intrinsic mode function,IMF);然后,针对每一个IMF分别建立改进Elman神经网络模型,选择各自适合的最优模型参数;最后,以地磁台站实测的地球变化磁场数据为研究对象,并与基于单一Elman神经网络预测模型相比较,结果表明,EEMD-改进Elman神经网络模型的预测值能紧跟地球变化磁场的变化趋势,且明显优于基于单一Elman神经网络的模型,体现出更好的预测效果.在地磁Kp3时,预测3h平均绝对误差为1.74nT.     

基于广义帕累托分布的中纬度地区地磁场极值预测

极端地磁活动会对电力系统的正常运行造成影响,研究地磁场量的极值水平可以为量化电网中的GIC受地磁暴影响程度提供理论支撑。选取兰州地磁台的观测数据为典型算例,利用基于广义帕累托分布(GPD)的超阈值模型(POT)对磁暴期间地磁场的水平分量及其分钟变化率进行拟合,并结合概率图(P-P图)和分位数图(Q-Q图)分析模型检验结果。利用轮廓似然估计方法得到50 a, 100 a和200 a一遇的地磁场水平分量及其分钟变化率的重现水平,并对重现水平及其95%置信区间随着重现期增长的变化趋势进行讨论。通过对中纬度地区的5个地磁台重现值结果的综合分析,给出了100 a一遇的磁暴期间地磁场分钟变化率约为200～500 nT/min, 200 a一遇的磁暴期间地磁场分钟变化率约为200～800 nT/min水平。模型估计的结果表明POT模型适用于地磁场量的极值分析,且地磁场变化率的重现水平随着重现期增加呈非线性增大趋势,给出的中纬度地区地磁场变化率极值范围,可为计算电网中地磁感应电流和分析磁暴灾害提供理论支撑。     

Latitude-dependence and dispersion of the westward drift in the geomagnetic field

The main geomagnetic field models of IGRF1900---2000 are used to study the latitude-dependence of the westward drift in the main field. The results show that the latitude-dependence exists in the magnetic components with different wavelengths (m=l-10). The globai-average westward drift rate of the component of m=l is 0.189°/a with the maximum of 0.295°/a at latitudes 40°-45°. The component of m=2 has an average drift rate of 0.411°/a with the maximum of 1.305°/a at latitude -60°. As for the components with further shorter wavelengths, the drift is generally restricted in a limited latitude range, and has many smaller drift rates. This latitude-dependence of westward drift can not be explained by rigid rotation of the earth's core. The results of this note also show that there is a negative dispersion in the westward drift, namely the components of long wavelengths drift faster than those of short wavelengths.This dispersion feature is not in agreement with Hide's MHD model. It is likely needed to find a new mechanism for explaining the observed feature of dispersion.     

Differential rotation of geomagnetic field

The westward drift of the main geomagnetic field has been extensively studied since Halley[1] first discov-ered this phenomenon. It has been widely accepted that the global field drifts westward with an average velocity of 0.2/a[2—4]. The detailed features of the drift have been also detected, such as different drift rates for dipole and non-dipole fields, drifting and standing parts in the field, the latitudinal dependence of the drift rate, and the north-ward drift[5—12]. Several models, f…     

基于磁强计和MEMS陀螺的弹箭姿态探测系统

为解决弹道修正弹箭中捷联式姿态测量系统误差随时间不断积累的问题,设计了一种由二轴磁强计和MEMS陀螺构建的低成本弹体姿态磁-惯性测量系统,利用磁强计测量的地磁信息修正MEMS陀螺解算的姿态角误差. 在此基础上,提出了将两轴地磁信号解算滚转角融入陀螺解算的姿态优化算法,研制的原理样机在二轴转台上进行了测试. 有限的试验表明:在一定条件下,该测量系统可有效抑制陀螺漂移引起的姿态误差,能可靠地用于弹道修正弹箭的姿态测量.      

近300年来的地磁场总能量在地球内部的分布及长期变化

 采用Bloxham J. &; Jackson A.模型(BJ)和国际地磁参考场模型(IGRF)从理论上计算并分析了1690年以来地磁场能量在地球内部的分布及长期变化.结果表明,BJ模型和IGRF模型在相同时段内的总能量变化趋势是基本吻合的.近300a来,地核以外和地表以外地磁场总能量变化的总趋势是持续衰减的,但是地表以外的能量衰减速度比地核以外要快约2.5倍.地磁场总能量随谐波阶数n的变化关系中,各年代n=1～8阶的能量变化相对稳定.磁能密度在地球内部的分布是不均匀的.     

Dramatic variations in the Earth’s main magnetic field during the 20th century

Analysis of the International Geomagnetic Reference Field (IGRF) 1900-2000 shows that the Earth's main magnetic field has changed dramatically during the 20th century: its dipole moment has decreased by 6.5% since 1900, the strengths of its quadrupole and octupole have increased by 95% and 74%, respectively, four major planetary-scale magnetic anomalies on the Earth's surface have enhanced by 21%-56%, and the magnetic center has shifted 200 km towards the Pacific Ocean. These time-variation features are similar to the behavior before a geomagnetic polarity reversal.     

电离层F层动力学数值模拟

中、低纬电离层Ｆ层动力学的数值模拟通过研究等离子体的连续性方程和运动方程进行，等离子体的输运过程顺电磁漂移的运动坐标系中运算。计及双极扩散、温度、中性风、电磁漂等影响。     

电子束磁聚焦法测量地磁场

在电子束磁聚焦现象的理论基础上分析了利用磁聚焦法测量地磁场的可行性,并在电子束实验仪上测量地磁场的主要参量,结果表明,利用磁聚焦法测量地磁场实用有效,测量结果精确度较好。