1991～2001年北京十三陵台站地磁數據集

1991～2001年北京十三陵台站地磁數據集
作者：趙秀寬　吳寶元　寧百齊
2017年6月5日

本作品收錄於《中國科學數據》

趙秀寬, 吳寶元, 寧百齊. 1991～2001年北京十三陵台站地磁數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2017, 2 (1). DOI: 10.11922csdata.170.2016.0074.

摘要&關鍵詞

摘要：北京十三陵台站（Beijing Ming Tombs station，BMT）位於北京市昌平區十三陵鎮德勝口村東北約600米處，隸屬中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室，是中國大陸地區最早實現數字化並率先進入國際地磁台網（INTERMAGNET）的觀測站。本數據集包含1991～2001年經過預處理後的北京十三陵台站的地磁觀測數據，數據內容由磁偏角（D）、水平強度（H）和垂直強度（Z）三個要素的分鐘值組成。本數據集可以用來開展地磁場、空間環境和地球各圈層耦合等方面的研究。

關鍵詞：北京十三陵；地磁場；磁偏角；分鐘值

Abstract & Keywords

Abstract: Beijing Ming Tombs station is located at the northeast of Deshengkou village, Ming Tombs town, Changping district, Beijing. It belongs to Space Environment Exploration Laboratory, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences. It is a member of INTERMAGNET. This dataset contains the geomagnetic data of Beijing Ming Tombs station from 1991 to 2001, including magnetic declination, horizontal intensity and vertical intensity. It can be used in various research areas, such as geomagnetism, space environment and the interactions between various parts of the Earth.

Keywords: Beijing Ming Tombs; geomagnetic data; magnetic declination; minutely value

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）中文名稱	1991～2001年北京十三陵台站地磁數據集
數據庫（集）英文名稱	The geomagnetic dataset of Beijing Ming Tombs station (1991 – 2001)
數據作者	趙秀寬、吳寶元、寧百齊
通訊作者	趙秀寬（zxk@mail.iggcas.ac.cn）
數據時間範圍	1991～2001年
地理位置	北京十三陵台站地理坐標40.3ºN、116.2ºE，地磁緯度29.5º、地磁經度186.4º，海拔183米。
數據格式	*.MIN	數據量	401 MB
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/126
基金項目	中國科學院關鍵技術人才項目（2015年）、國家自然科學基金項目（41374164）
數據庫（集）組成	數據集中共包含11個壓縮包，1年對應1個壓縮包，而1個壓縮包中包含365（或366）個數據文件，1個數據文件大小約為103 KB。

引 言

就像空氣和水一樣，地磁場也是人類生存不可缺少的環境條件之一。地磁場包圍在地球周圍，如一道天然的屏障，保護着地球上的生命，使其免受高溫、高速太陽風的威脅和宇宙高能粒子的轟擊。地磁場起源於地球外核的磁流體過程和日地系統的電流體系，因此地磁場攜帶着有關地球內部和外部空間豐富的信息^[1][2]。

地磁學發展有賴於長期的資料積累，在可能的條件下應儘量取得連續的完整的資料。地磁科學與國民經濟和**建設有密切的關係，地磁學研究成果直接或間接地服務於能源和礦產資源的探查、導航、通訊和航天環境的監測、氣候變化及其他自然災害的預報等許多領域。完整的高精度地磁數據不僅服務於地磁學本身，更是地震研究、地質構造研究、地球深部研究和礦產勘探等研究領域的基礎^[3][4]。

在地磁場和地球空間環境的研究中，地面台站的觀測起着重要的作用。地球主磁場的空間分布和長期變化的研究主要依靠地磁台和地磁複測點的資料。在主磁場長期變化的研究以及以此為基礎的地磁起源的研究中，衛星磁測資料仍然無法代替地面資料。一百多年的地磁台站觀測資料，幾百年的海上磁測資料一直是研究地磁場起源及地球內部過程的不可取代的基礎資料^[5][6]。在取得大量高時間分辨率和高精度的地磁資料之後，科學家們在亞暴電流體系、電離層–磁層耦合和空間天氣預報等方面取得了重要進展，地磁場觀測的長期歷史資料為這些研究提供了堅實的基礎^[7][5]。經過數十年的努力，我國已基本建成了由160個觀測台站組成的覆蓋全國的數字化地磁觀測網絡，實現了觀測數據的准實時傳輸和自動匯集，並積累了大量觀測數據^[8]。

北京十三陵台站（Beijing Ming Tombs station，BMT）於1985年10月籌建，1990年8月竣工。台站隸屬中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室，是中國大陸地區最早實現數字化並率先進入國際地磁台網（INTERMAGNET）的觀測站。台站位於北京市昌平區十三陵鎮德勝口村東北約600米處，坐落在一北高南低的山谷之中，周圍為國有山林地，距市中心約50公里。本台的地質基底為石英岩和灰質岩，岩層相對破碎，磁場背景有小的局部異常情況。經過基建時的土地平整改造，地磁場的分布情況有所改善，其中記錄室及其周圍的磁場總強度的梯度小於1 nT/m。

地磁觀測室為地上建築，外牆基礎與室內13個漢白玉儀器墩的基礎採用石灰石從4米深的基底向上砌成，保證了儀器基墩的長久穩固。在觀測室西南方向建有3個永久性標誌，其中常用的標準墩2號墩的標誌距觀測室約700米，方位角為207º31′50″。地磁記錄室為半地下式建築，內有5個儀器間，共設有6個大理石面的儀器墩。室內日溫差小於0.5℃，年溫差約12℃，相對濕度小於70％^[9]。

1 數據採集和處理方法

北京十三陵台站原始觀測數據實時傳輸至中國科學院地質與地球物理研究所空間環境探測實驗室數據中心，數據中心服務器上運行繪圖軟件，根據原始數據繪製得到地磁分量變化曲線圖。實時曲線圖通過實驗室網站（http://space.iggcas.ac.cn）实时发布。实验室科技人员在第二年年初对前一年的自动观测数据进行人工处理。处理流程包括多种仪器数据比对、校正，并结合人工观测数据计算基线值、标度值，得到最终的IAGA2002格式数据。最终数据通过WDC中国地球物理学科中心（http://wdc.geophys.ac.cn）进行发布。北京十三陵台站地磁数据处理流程如图1所示。

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圖1 地磁數據處理流程圖

1.1 數據測量

自動觀測系統包括兩套石英光電磁變儀（俄羅斯科學院IZMILAN研究所研製，如圖2a所示）配接數據採集電路和微機組成兩套數字化採集記錄系統（MD1、MD2），同時配接模擬記錄儀，自動記錄地磁場三分量D、H、Z的變化。人工觀測數據採用的是偏角傾角磁力儀（如圖2b所示）測量磁偏角D和磁傾角I分量，質子旋進磁力儀測量總強度F。

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圖2 北京十三陵台站地磁觀測儀器

1.2 數據傳輸

中國科學院地質與地球物理研究所內服務器開啟數據接收服務軟件，隨時接收和存儲北京十三陵台站的觀測數據。

1.3 數據處理

（1）基線值

地磁場絕對值每周人工觀測2次D、I、F分量，每次觀測2組，儀器採用偏角傾角磁力儀–質子旋進磁力儀系統，根據測量值分別計算出H值和Z值，再結合記錄儀器的數據求出觀測基線值，並利用「平滑曲線法」確定各分量採用的基線值。由於溫度對磁變儀記錄數據的影響已包含在基線值內，故在處理最終數據時對記錄數據和基線值均不再做溫度修正。

（2）標度值

數字化記錄系統和模擬記錄儀的標度值每次單分量正負各標定30秒，三分量共3分鐘；並將其結果點在坐標紙上，處理最終數據時亦採用「平滑曲線法」確定各分量採用的標度值。

（3）資料處理工作主要由計算機完成。所有數據均歸算至本台的標準墩2號墩。

1.4 數據發布

原始數據繪製得到地磁分量變化曲線圖，實時曲線圖通過實驗室網站（http://space.iggcas.ac.cn）即时发布。实验室科技人员在第二年年初对前一年的原始观测数据进行人工处理，得到最终的IAGA2002格式数据，并通过WDC中国地球物理学科中心（http://wdc.geophys.ac.cn）进行发布。

2 數據樣本描述

（1）IAGA2002格式

本數據集採用IAGA2002格式，IAGA2002格式是國際通用的地磁數據交換格式^[10]。數據來自觀象台和地磁台站，時間間隔從秒值到月均值。其格式說明如下所述：

1）12個強制性的文件頭記錄（強制性的頭記錄以第一欄的空格字符開頭，以第70欄的垂直線「|」﹝ASCII 124﹞結束。內容標籤在第2欄開始，描述在第25欄開始）

Format：格式	Source of Data：數據來源
Station Name：台站名	IAGA CODE：由IAGA認可的台站代碼
Geodetic Latitude：大地緯度	Geodetic Longitude：大地經度
Elevation：高程	Reported：報告的地磁要素
Sensor Orientation：傳感器取向	Digital Sampling：採樣率
Data Interval：時間間隔	Data type：數據類型，分為原始數據、修正數據和最終數據

2）數量不限的可選注釋記錄（可選的注釋記錄以第一欄的空格字符開頭，以第70欄的垂直線「|」﹝ASCII 124﹞結束）

用來記錄關於所定義字段未包含的數據的重要信息。

3）一個強制性的數據頭記錄

強制性的數據頭記錄包含日期和時間頭、地磁要素頭兩類頭記錄。日期和時間頭是DATE、TIME和DOY（一年的第幾日）。地磁要素的類型和順序在文件頭的字段Reported中給出。地磁要素頭包含4個字母：3個字母用作觀象台的IAGA代碼，1個字母用於表示報告的地磁要素。有效值是水平強度H、磁偏角D（或E）、磁傾角I（或V）、北向分量X、東向分量Y、垂直分量Z、總場強度F。欄頭以空格分隔。數據頭記錄以第70欄的垂直線「|」（ASCII 124）結束。

4）一系列數據記錄

數據記錄包含日期、時間、和報告的地磁場要素。每個記錄嚴格定為70個字符長，此外還包括與機器有關的回車/換行符。如果需要的話，以空格符填補記錄。數據記錄嚴格地報告4個磁場要素（DHIF、DHZF或XYZF）。如果少於4個要素，以99999.00表示缺失的數據，以88888.00表示在該字段的要素未被觀測。

5）推薦的文件命名程序

為便於數據交換和識別，IAGA還推薦了文件命名準則和風格，用於對包含地磁觀象台數據的文件命名。這些推薦是針對數據交換的，並不一定要應用於數據存檔。

（2）台站地磁數據集

本數據集來源於北京十三陵台站，數據內容由磁偏角（D）、水平強度（H）和垂直強度（Z）三個要素的分鐘值組成。總場強度（F）未被觀測，其數值由88888.00代替。從1991年04月02日開始連續記錄，之前的數據由於儀器調試未做存檔，缺失的磁偏角（D）、水平強度（H）和垂直強度（Z）三個要素的數值由99999.00代替。北京十三陵台站地磁三分量數據樣例如圖3所示，H、Z、F分量的單位是nT，D分量的單位是分。本數據集中的地磁三分量變化如圖4所示。

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圖3 地磁三分量數據樣例

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圖4 地磁三分量變化曲線圖

3 數據質量控制和評估

北京十三陵台站地磁數據自數據採集到數據發布均由計算機自動處理，自1991年至今運行穩定可靠。為保證數據的可靠性，採用以下措施對數據質量進行控制：

（1）為了保證系統的時間準確性，定期對採集系統時鐘進行手動校時；

（2）為了保證數據傳輸的可靠性，上傳數據文件與服務器文件進行校驗，錯誤數據會進行重傳；

（3）為了保證數據的質量，台站採用多套儀器進行記錄，通過比對，剔除無效數據，得到最終數據。

4 數據使用方法和建議

本數據集可以用來開展地磁場、空間環境和地球各圈層耦合等方面的研究。數據集為處理後的分鐘值數據，原始觀測數據為秒值數據。用戶如需原始數據，可與作者聯繫後約束使用。

致 謝

感謝本實驗室常首民、徐濤、郝喜慶、解海永在數據處理中所做的工作。

參考文獻

1. 徐文耀. 地磁活動性概論[M]. 北京: 科學出版社, 2014.
2. 徐文耀. 地磁學[M]. 北京: 地震出版社, 2003.
3. 徐文耀. 地球磁場的物理問題[J]. 物理, 2004 (08): 551–557.
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9. 徐濤. 台站地磁觀測數據精度提高方法[J]. 地震地磁觀測與研究, 2014, 35 (5): 237–243.
10. International Association of Geomagnetism and Aeronomy. IAGA2002 Data Exchange Format [EB/OL]. [2016-09-22]. https://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vdat/IAGA2002/iaga2002format.html.

數據引用格式

趙秀寬, 吳寶元, 寧百齊. 1991～2001年北京十三陵台站地磁數據集[DB/OL]. Science Data Bank. DOI: 10.11922/sciencedb.126.