陈斌 顾左文 狄传芝 袁洁浩 高金田

(中国地震局地球物理研究所，北京100081)

第11代国际地磁参考场*

陈斌 顾左文 狄传芝 袁洁浩 高金田

(中国地震局地球物理研究所，北京100081)

2009年12月，国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)发布了第11代国际地磁参考场(IGRF-11)。第11代IGRF包括1900.0—2010.0年代(间隔为5年)共23个地磁模型与2010.0—2015.0年代地磁长期变化的预测模型，其中1900.0—1995.0年代模型的阶次为N=M=10，相应球谐系数的精度为1 nT;2000.0—2010.0年代模型的阶次为N=M=13，其球谐系数的精度为0.1 nT;而2010.0—2015.0年代地磁长期变化预测模型的阶次为N=M=8，其球谐系数的精度为0.1 nT。本文概述了第11代国际地磁参考场及其2010.0年代地磁模型与2010.0—2015.0年代地磁长期变化的预测模型。

地磁场;地磁长期变化;国际地磁学与高空物理学协会(IAGA);国际地磁参考场(IGRF);地磁模型

引言

地磁场是重要的地球物理场。通过地磁观测，可以监测人类赖以生存的地球电磁环境。由地磁观测所产出的地磁基本数据、地磁图及地磁场数学模型，与环境、采矿、能源等科学领域和国民经济、国防建设与社会公益事业有着十分密切的相关性，并且在环境保护、资源探测、通信导航、航空航天、地质构造、地震预测、地球深部研究、空间天气与空间电磁环境研究等诸多领域都具有广泛而重要的应用。

地磁场是随时间和空间而变化的矢量场。地磁场可分为内源场、外源场和感应场。内源场占地磁场的主要能量成分，时间变化缓慢;外源场能量较弱，时间变化剧烈[1-3]。

地磁图和地磁模型是描述地磁场的。1965年，Cain等[4]研究了全球地磁资料的高斯分析，得出了全球地磁场模型。后来，国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)有一个地磁场模型研究组(Working Group V-MOD)，该研究组从事以5年为间隔的国际地磁参考场(IGRF)研究，发布IGRF，至今已有第1—11代国际地磁参考场，可供科学研究与实际应用[5]。

本文描述了IGRF的概况、第11代国际地磁参考场及其2010.0年代地磁模型与2010.0—2015.0年代地磁长期变化的预测模型，简要讨论了IGRF与区域地磁图及区域地磁模型的相关问题。

1 国际地磁参考场

IGRF是描述全球地磁场及其长期变化的，而且是国际上通用的全球地磁标准模型。它是根据全球地磁台站与野外磁测的资料、卫星磁测的资料综合分析而研制的。IGRF是IAGA的重大成果，不仅具有重要的科学意义，而且有着广泛的实际应用[1-3]。

在IGRF模型中，地磁场的标量位用球谐级数表示:

在1968年IAGA发布IGRF模型之后，IAGA给出了每5年的IGRF，迄今已经陆续提出了11代IGRF模型[5]。最新的第11代IGRF模型(IGRF-11)是IAGA于2009年12月发布的。为了保证IGRF模型的精度，IAGA决定从2000年度开始，将IGRF模型的截止阶数由10阶(球谐系数精度为1 nT)扩展到13阶(球谐系数精度为0.1 nT)。所以，第10代IGRF模型中包括了1900—2005年(间隔为5年)共23个磁场模型，其中1900—1995年模型的阶次为N=M=10，2000—2005年模型的阶次为N=M=13，以及2005—2010年地磁长期变化的预测模型(阶次为N=M=8，球谐系数精度为0.1 nT)[6]。

IGRF是一个数值模型，用于计算1900年至今的时间内在地面或上空的任一地点大尺度内源的地磁场。内源部分的地磁场几乎全部来源于地核，且具有几年至几十年时间尺度的缓慢而明显的变化。IGRF每5年一版，并尽可能准确。为保证准确，从第10代IGRF模型开始，IAGA详细地评估了IGRF的磁场模型与地磁长期变化预测模型的候选模型。根据评估结果，得到了第10代IGRF与第11代IGRF[7-8]。表1为各代IGRF的概况。每一代IGRF由5年间隔的地磁模型系列组成，而该模型分为确定型的或非确定型的。根据新的地磁资料修正IGRF，得到确定型的IGRF，称为DGRF。DGRF一旦确定，则在随后的各代IGRF中将不再修改。而非确定型的模型为IGRF模型。从表1可见，DGRF只从1945.0开始编制至今。

表1 第1—11代国际地磁参考场(IGRF-1—IGRF-11)

2 第11代国际地磁参考场(IGRF-11)

2.1 概况

2009年5月，IAGA发布了征集第11代国际地磁参考场(IGRF-11)候选模型的通告，要求提供2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF与2010.0—2015.0期间长期变化的预测模型(SV)的候选模型。2009年10月，IAGA收到了上述的候选模型，包括2005.0年代DGRF与2010.0年代IGRF各7个候选模型，分别是由A组(丹麦DTU，法国IPGP，美国GSFC-NASA)、B组(美国NGDC/NOAA，德国GFZ)、C组(英国BGS)、D组(俄罗斯IZMIRAN)、E组(法国EOST，LPGN，IPGP，LATMOS)、F组(法国IPGP，LPGN，EOST，LATMOS，美国NGDC/NOAA)、G组(德国GFZ)提交的。此外，美国GSFC-NASA，UMBC与英国Liverpool大学还提交了他们合作的SV模型，因此，一共有8个SV候选模型。

上述候选模型，2005.0年代DGRF与2010.0年代IGRF模型的阶数N=13，而2010.0—2015.0年代SV模型的阶数N=8。IAGA详细地评估了这些候选模型。根据评估结果，得到了各候选模型的权重系数，最后按照各候选模型的加权平均得到了IGRF-11的2005.0年代DGRF、2010.0年代IGRF以及2010.0—2015.0年代预测SV模型[7]。

在IGRF-11中，1900.0—1995.0年代，地磁模型的阶数N=10，相应的球谐系数精度为1 nT;而2000.0、2005.0与2010.0年代地磁模型的阶数N=13，相应的球谐系数精度为0.1 nT。这是由于Oersted卫星与CHAMP卫星提供了相当精确的卫星磁测资料。

IGRF-11是国际地磁参考场的模型系列，包含24个地磁模型:1900.0—1940.0年代(间隔为5年)的9个IGRF模型，年代(间隔为5年)的13个DGRF模型，以及2010.0年代IGRF与2010.0—2015.0年代地磁长期变化的预测模型。

2.2 2010.0年代IGRF与2010.0—2015.0年代长期变化的预测模型

表2给出了IGRF-11的2010.0年代IGRF(IGRF2010，MF)与2010.0—2015.0年代预测长期变化(SV)模型的球谐系数。从表2可见，2010.0年代IGRF的阶数N=13，而2010.0—2015.0年代预测长期变化模型的阶数N=8，相应的球谐系数精度都为0.1 nT。

图1表示2010.0年代偏角D、倾角I与总场F在地球表面的分布。这3个分量完全确定了矢量地磁场。从图1a可见，偏角D有3条零等值线:一条是南北走向，通过美洲;一条位于东亚，穿过印度尼西亚、澳大利亚西部;另一条穿过欧洲中部，南至肯尼亚、经过印度向北。而且，从东北非洲至菲律宾的中低纬度地区，D很小。图1b显示，倾角I明显偏离倾角赤道，在南美处偏南，而且从地理南极至澳大利亚为I的极大。此外，南非西部呈现舌状的I的高值区。图1c为2010.0年代总场F的分布，其最大值出现在北半球的西伯利亚与南半球南太平洋与澳大利亚南边的南极洲。而最为明显的特征是以巴西南部与巴拉圭为中心的F低强度的磁异常，通常称之为南大西洋磁异常，而且它是近地电磁环境受空间天气影响的重要因素。

上述这些地磁分布特征已在以前的地磁模型中熟知，而且已存在至少几百年，至今的图像只是缓慢的变化。图2表示在2010—2015年间D、I与F的平均年变率(SV)的预测。在太平洋半球中，D的预测变化是小的，且与大西洋半球地磁场缓慢的西向漂移是一致的。I的变化预计在低纬最大，最大的负变化出现在巴西的东北部附近;而最大

的正变化预计在印度南部附近。F的预测变化，其最大下降预计在北美的东南部与南美的西南部。后者包含南大西洋磁异常持续西向运动。F的最大上升预计发生在大西洋的赤道地带、印度洋南部(非洲东南部)以及包括伊朗、哈萨克、阿富汗、巴基斯坦与印度在内的地区。

表2 (MF)与长期变化模型(SV)的球谐函数(g，h)

续表2

2.3 相关网址

为便于查询，列出了如下的相关网址:有关IGRF的信息:http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html;

IGRF-11的系数:http:∥www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf11coeffs.txt;

由IGRF-11模型计算的地磁分量:http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomagmodels/IGRFWMM.jsp;

世界资料中心(WDC)(Boulder，USA):http:∥www.ngdc.noaa.gov/geomag/wdc/index.html;

WDC(Copenhagen，Denmark):http:∥www.space.dtu.dk/English/Research/Scientific_data_and_models;

WDC(Edinburgh，UK):http:∥www.wdc.bgs.ac.uk/catalog/master.html;

WDC(Kyoto，Japan):http:∥wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp;

WDC(Mumbai，India):http:∥iigm.res.in。

3 结论与讨论

国际地磁参考场(IGRF)是描述全球地磁场及其长期变化的，而且是国际上通用的全球地磁标准模型。国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)给出了每5年的IGRF，迄今已经发布了11代IGRF模型。最新的第11代国际地磁参考场(IGRF-11)包含1900.0—2010.0年代(间隔为5年)共23个磁场模型与2010.0—2015.0年代的长期变化预测(SV)模型(阶次为N=M=8，球谐系数的精度为0.1 nT)，其中有1900.0—1940.0年代(间隔为5年)的9个IGRF模型，1945.0—2005.0年代(间隔为5年)的13个DGRF模型，以及2010.0年代的IGRF模型。1900.0—1995.0年代模型的阶次为N=M=10(球谐系数的精度为1.0 nT)，2000.0—2010.0年代模型的阶次为N=M=13(球谐系数的精度为0.1 nT)。

IGRF是描述全球地磁场的。然而，地磁场具有区域特征，因此，IGRF模型不能准确反映地磁场的区域特征，而需要区域地磁模型。为此，各国都开展了地磁观测，应用不同的分析方法，得到了准确表述各国区域的地磁图与地磁模型[18-21]。我国学者分析与研究了中国地区的地磁场及其长期变化，获得了中国地区的地磁图与地磁模型[22-29]。分析研究表明，中国地区地磁模型优于IGRF模型，能够更好地描述中国地区地磁场。在我国，2000年以前是由中国科学院地球物理研究所承担中国地磁图及其地磁测量，从1960年至2000年，每10年编制了中国地磁图[24-25]。从2001年起，在中国科技部与中国地震局的资助下，中国地震局地球物理研究所承担了中国地磁图及其地磁测量[26]，进行了地磁三分量(F，D，I)测量，获得了准确可靠的地磁测量资料，于2005年与2010年分别编制了2005.0年代与2010.0年代的中国地磁图[28-29]。因此，从2000年起，每5年编制了中国地磁图，与IGRF与各国区域的地磁图每5年编制相一致。

(作者电子信箱，陈斌:champion_chb@126.com)

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International Geomagnetic Reference Field:the eleventh generation

Chen Bin，Gu Zuowen，Di Chuanzhi，Yuan Jiehao，Gao Jintian
(Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China)

The eleventh generation of the International Geomagnetic Reference Field(IGRF-11)was issued in December 2009 by the International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA).IGRF-11 consists of 23 geomagneticmodels for 1900.0—2010.0(at 5 year intervals)and the predictivemodel of geomagnetic secular variation for2010.0—2015.0.For the degree N and orderm of the geomagneticmodels for 1900.0—1995.0，we have N=M=10，the accuracy of the corresponding spherical harmonic coefficients is1 nT;For the models of2000.0—2010.0，N=M=13，and the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.For the degree N and orderm of the predictivemodel of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0，we have N=M=13，the accuracy of the coefficients is 0.1 nT.This paper presents a brief description of IGRF-11 and its geomagnetic model for 2010.0 and its predictive model of geomagnetic secular variation for 2010.0—2015.0.

geomagnetic field;geomagnetic secular variation;International Association of Geomagnetism and Aeronomy(IAGA);International Geomagnetic Reference Field(IGRF);geomagnetic model

P318.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.02.006

2011-03-07。

中央级公益性科研院所基本科研业务专项《中国地区地磁基本场长期变化非线性结构特征研究》与公益性行业科研专项经费项目《中国大陆岩石圈地磁背景场观测与研究》联合资助。