中国近海地磁场基本模型的建立及分析

摘要

地磁场是时间与空间位置的函数,起源于地球外核的磁流体过程和日地系统的电流体系,主要由地核场、地壳场和外源场三部分组成。近代以来,地磁学作为地球物理学的一个分支学科,得到了迅速发展,在国际地球物理年、国际磁层研究、日地能量计划等重大国际地球物理联合观测研究计划中,地磁学都占有十分重要的地位。近年来,围绕海洋资源和海洋国土的斗争日趋激烈,开发海洋、经略海洋也已被各个发达国家和发展中国家作为一项重要国策。海洋磁力的测量、校正、归算及磁场模型是海洋地球物理调查的主要内容之一,也是海洋环境测量的重要组成部分,通过海洋磁力测量不仅可以了解地球内部的物质分布,为水下导航、水下磁性物质的探测等提供图件和基础数据,同时也为海洋资源的调查和科学研究的开展提供了相关的磁场基础资料。
　　为了加强对海洋地质地球物理调查基础数据库系列的建设,我国将对四十多年来各种船测磁力数据和各项成果有一个全面系统的整理和处理,以现有的海洋区域地质地球物理调查资料为基础,利用先进的信息技术,编制形成满足国家需求、达到国际当代科技水平的基础性数字库成果,构建我国“数字海洋”基本格架,实现对海域划界咨询服务、军事海防、矿产资源勘探开发、海洋国土的规划和海洋环境保护、海上工程建设、海洋渔业资源开发和海上航运等应用服务的海洋地质地球物理全方位数字信息系统。
　　磁场建模是一项综合性的研究工作,它涉及主磁场理论、磁场测量、数据同化、模型表达、模型解释以及模型运用等多方面的研究。地磁场模型和地磁图是描述地球磁场的主要工具,通过磁场模型和磁图可以有效研究地磁场的空间分布和时间变化规律,了解磁场起源的特征,分析地球动力学过程,是地磁导航和相关军事应用的重要工具。
　　地磁模型主要分为全球磁场模型和局部地磁场模型两种。全球磁场模型就是国际地磁和高空大气物理学协会(IAGA)每隔五年给出的一个国际地磁参考场(IGRF);局部地磁场模型是一些国家和地区自我研制的区域磁场模型。国际地磁参考场(IGRF)的误差在100nT-200nT左右,从而不能够满足科研所需要的精细数据的要求,许多国家开始着手研究自身区域内的地磁场模型。
　　目前,建立地磁场长期变化模型的方法很多,如经纬度函数的Taylor多项式法,Legendre多项式方法,较复杂函数的球谐分析方法(SHA)、球冠谐分析方法(SCHA),矩谐分析方法(RHA),曲面样条函数方法等。球谐分析、球冠谐分析和矩谐分析方法基于高斯磁位理论,在确定的定解条件和定解区域下展开,建立起地磁场三个独立分量的统一模型;通过这种方法得到的地磁模型物理意义明确,可以对地磁场的三维结构和变化过程进行理论分析和研究。其他函数,例如Taylor多项式和曲面样条函数等方法,可以对地磁场的独立分量在某一空间区域内的分布进行拟合;这种方法计算过程相对较为简便,在实际使用中有着更加广泛的应用。通常使用球谐分析方法建立地磁场的全球模型,即国际地磁参考场,Taylor多项式方法常用于建立地磁场某一区域的长期变化模型。
　　论文根据近年来地球主磁场模型及建模的理论基础和方法进行分析和研究,根据区域磁场数据挑选较为典型的磁场模型建立方法,并进行模型的相关分析研究。通过Taylor多项式、Legendre多项式、球谐分析以及矩谐分析这几种典型的建模方法,针对各个模型的拟合程度对比分析适合中国近海区域地磁场的基础模型,并绘制相关图件,使其能够更好地描述中国近海区域内的地磁场,对模型不足之处进行分析和改良。在全球范围、亚洲地区、中国近海区域范围三个空间尺度下对地磁要素的等值线进行了计算,对比分析了地磁场相关特征。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

0 前言

0.1 研究的目的及意义

0.2 国内外研究发展现状

0.3 主要研究内容

1 地磁场基本模型

1.1 地磁场概述

1.2 主要地磁模型及其建立方法综述

2 IGRF 国际地磁参考场模型

2.1 国际地磁参考场（IGRF）

2.2 计算方法

2.3 1990 年～2010 年国际地磁参考场等值线图

3 中国近海地磁场基本模型的建立

3.1 多项式模型

3.2 球谐模型

3.3 矩谐模型

4 不同计算方法模型对比

4.1 定性比较

4.2 定量比较

5 模型分析及改良

5.1 模型误差

5.2 模型截断阶数判断

5.3 模型边界效应

5.4 模型分析

5.5 模型改良

6 地磁场等值线图时空分析

6.1 全球地磁场分析

6.2 亚洲地磁场分析

6.3 中国近海地磁场分析

7 地磁模型发展前景及总结

参考文献

致谢

个人简介

发表的学术论文