基于站間同步地磁日變曲線的時差的計算

基于站間同步地磁日變曲線的時差的計算

1海上地磁日變的時差在海洋磁體測量中，地磁日變化存在時空差異，即地磁日變化存在振幅差和相位差（即差）。我國海洋磁力測量中,幅值差異通常通過嚴格控制日變站作用距離來消除,即認為,在日變站有效作用距離內(nèi),海上磁測點與日變站點的地磁日變化的幅值是一致的。而時差則通過經(jīng)度差計算得到,并采用相位移動的方法擬合得到海上磁測點的地磁日變,來消除時差的影響。然而,時差對地磁日變改正的影響究竟有多大,是否需要改正是值得探討的。國外相關研究中,D.R.AULD等比較沿岸日變站與測區(qū)海底日變站同步日變數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),經(jīng)度差相差7°,產(chǎn)生的時差為28min,而在28min時間內(nèi),地磁日變化差異不超過3nT;同時,Riddihough也發(fā)現(xiàn)緯度相差不大的兩日變站,雖然站經(jīng)度差為4°,時差為16min,地磁日變化差異不超過1nT,它們都認為時差的影響很小。為了分析時差對磁測的影響,基于同步地磁日變曲線的特征,本文嘗試采用同步比對法和相關分析法來反映站間地磁日變化真實的時差,并通過兩站同步觀測實例驗證時差對地磁日變改正的影響。2站內(nèi)海上地磁日變化在一級近似下,地磁日變化基本取決于緯度和地方時,其中,緯度影響其幅值,地方時影響其相位。設日變站位置為O(θ0,λ0),t時刻地磁日變化觀測值可近似表示為緯度與地方時的函數(shù)T(t,θ0),海洋磁力測量中,認為在日變站有效作用距離內(nèi),海上磁測點與日變站點的地磁日變化的幅值是一致的。那么,同一時刻海上某磁測點P(θ,λ)的地磁日變化T(t,θ)可表示為:Τ(t,θ)=Τ(t,θ0)(1)式中,θ為緯度;λ為經(jīng)度。事實上,由于日變站與磁測點之間存在緯度差和經(jīng)度差,而經(jīng)度差又可導致日變站點和磁測點地方時的差異,使得外源場對它們的影響必然存在時空差異。我國的海洋磁力測量地磁日變改正中,時差通常采用經(jīng)度差進行計算。由于受到海流電磁感應、海底和沿岸海域的電導結構以及岸線的形狀、海岸效應等的影響,海洋區(qū)域地磁日變化更復雜。采用經(jīng)度差計算的時差并不能真正反映站間真實的時差?；谕降卮湃兆兦€的特征,本文嘗試采用同步比對法和相關分析法來反映站間日變化真實的時差。2.1世界時及經(jīng)度的時間差異設t為日變站點O(θ0,λ0)的地方時,t1為海上某磁測點P(θ,λ)的地方時,t′代表世界時,那么,地方時和世界時及經(jīng)度的關系可表示如下:{t=λ0+t′t1=λ+t′(2)由此可得日變站與磁測點的地方時差異,為:Δt=t1-t=λ-λ0(3)式中,Δt為用經(jīng)度表示的時差。我國海洋磁力測量中通常用時間表示時差,計算公式為:Δt=±24×3600360°(λ-λ0)(4)式中,λ和λ0分別為海上磁測點和日變站經(jīng)度單位為(°),Δt單位為s。2.2同步比對法lsMarcotte等在比較了英吉利海峽的浮標式日變站和相距440km以外的同步地磁日變曲線發(fā)現(xiàn),海上觀測到的地磁日變的幅度大約是岸上的兩倍,并且在極值出現(xiàn)的時刻有明顯的相位移動。本文認為兩站日變曲線極值(極大值和極小值)出現(xiàn)時刻的差異,大體可以反映了兩站地磁日變化真實的時差,本文稱其為同步比對法。如圖1,假設A、B兩站同步地磁日變曲線分別為TA(t)和TB(t),那么兩站間的時差Δt就可以由兩日變曲線最大值和最小值出現(xiàn)的時刻差異的平均值得到。{Δtmax=tΔΤAmax-tΔΤBmaxΔtmin=tΔΤAmin-tΔΤBmin(5)那么兩站的時差表示為:Δt=(Δtmax+Δtmin)/2(6)2.3回歸參數(shù)的確定相關分析法為即采用滑動方法求取兩站同步日變曲線各種時差情況下的相關系數(shù)和差值的標準誤差,當相關系數(shù)最大并且差值的標準誤差最小時的時差即為兩站真實的時差。假設A、B兩站日變曲線分別即為ΔTA和ΔTB,且線性相關。即:ΔΤB=b?ΔΤA+a(7)用最小二乘法可確定回歸參數(shù)a、b,其中,a=ΔˉΤB-bΔˉΤA(8)b=n∑i=1ΔΤAi?ΔΤBi-1n[n∑i=1ΔΤAi]?[n∑i=1ΔΤBi]n∑i=1ΔΤ2Ai-1n[n∑i=1ΔΤAi]2(9)定義相關系數(shù)為:r=lxy/√lxx?lyy。它是衡量兩同步日變改正曲線的相關程度。其中,lxx=n∑i=1ΔΤ2Ai-1n[n∑i=1ΔΤAi]2(10)lyy=n∑i=1ΔΤ2Ai-1n[n∑i=1ΔΤBi]2(11)lxy=n∑i=1ΔΤAiΔΤBi-1nn∑i=1ΔΤAiΔΤBi(12)3同步磁日變相對于經(jīng)度差法為了驗證時差對地磁日變改正的影響,采用兩站同步觀測數(shù)據(jù)進行說明。地磁日變站分布如圖2,日變站M站位于海岸,N站位于海島,兩站相距856km,緯度差為6°33′02″,經(jīng)度差相差4°20′41″。同步觀測時間為2006年8月27日00∶00～8月28日24∶00,日變觀測儀器采用HC-90D型氦光泵磁力儀,磁測靈敏度0.001nT,測量精度±0.01nT,數(shù)據(jù)采樣間隔為1s。選取各站同步觀測時段內(nèi)的日變平均值作為日變基值,得到兩站同步地磁日變改正曲線,見圖3。比較兩站同步地磁日變改正曲線可以看出,同步觀測期間內(nèi)各站日變幅度均小于50nT,根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定,同步觀測時段內(nèi)地磁日變化屬于磁靜日。由于兩站經(jīng)度差和緯度差相差都比較大,雖然兩站地磁日變曲線形態(tài)相似,但是其幅值和相位存在一定的差異,特別是從每天的上午8時到下午13時,兩站日變站差異最大,究其原因是由于觀測期間太陽位置位于N站以南,并靠近N站。因此,在此時間段內(nèi),兩站地磁日變曲線差異較大。采用經(jīng)度差計算得到兩站時差為1042s(約17min),而同步比對法結果見表1。相關分析法得到的27日和28日地磁日變改正值的相關系數(shù)曲線見圖4。經(jīng)計算,利用兩站27日和28日數(shù)據(jù)計算的時差分別為-50s和-122s。由此可以看出,不論是同步比對法,還是相關分析法,所計算的時差結果均遠遠小于經(jīng)度差法計算的結果。同樣,它們計算得到的時差并不相同,呈現(xiàn)一定的隨機性。4測區(qū)范圍和時差同步比對法和相關分析法充分利用了兩站同步地磁日變曲線的特征,其計算的時差更能真實反映兩站間日變改正值的真實