1991～2001年北京十三陵台站地磁数据集

1991～2001年北京十三陵台站地磁数据集
作者：赵秀宽　吴宝元　宁百齐
2017年6月5日

本作品收錄於《中国科学数据》

赵秀宽, 吴宝元, 宁百齐. 1991～2001年北京十三陵台站地磁数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2017, 2 (1). DOI: 10.11922csdata.170.2016.0074.

摘要&关键词

摘要：北京十三陵台站（Beijing Ming Tombs station，BMT）位于北京市昌平区十三陵镇德胜口村东北约600米处，隶属中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室，是中国大陆地区最早实现数字化并率先进入国际地磁台网（INTERMAGNET）的观测站。本数据集包含1991～2001年经过预处理后的北京十三陵台站的地磁观测数据，数据内容由磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）三个要素的分钟值组成。本数据集可以用来开展地磁场、空间环境和地球各圈层耦合等方面的研究。

关键词：北京十三陵；地磁场；磁偏角；分钟值

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

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）中文名称	1991～2001年北京十三陵台站地磁数据集
数据库（集）英文名称	The geomagnetic dataset of Beijing Ming Tombs station (1991 – 2001)
数据作者	赵秀宽、吴宝元、宁百齐
通讯作者	赵秀宽（zxk@mail.iggcas.ac.cn）
数据时间范围	1991～2001年
地理位置	北京十三陵台站地理坐标40.3ºN、116.2ºE，地磁纬度29.5º、地磁经度186.4º，海拔183米。
数据格式	*.MIN	数据量	401 MB
数据服务系统网址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/126
基金项目	中国科学院关键技术人才项目（2015年）、国家自然科学基金项目（41374164）
数据库（集）组成	数据集中共包含11个压缩包，1年对应1个压缩包，而1个压缩包中包含365（或366）个数据文件，1个数据文件大小约为103 KB。

引 言

就像空气和水一样，地磁场也是人类生存不可缺少的环境条件之一。地磁场包围在地球周围，如一道天然的屏障，保护着地球上的生命，使其免受高温、高速太阳风的威胁和宇宙高能粒子的轰击。地磁场起源于地球外核的磁流体过程和日地系统的电流体系，因此地磁场携带着有关地球内部和外部空间丰富的信息^[1][2]。

地磁学发展有赖于长期的资料积累，在可能的条件下应尽量取得连续的完整的资料。地磁科学与国民经济和**建设有密切的关系，地磁学研究成果直接或间接地服务于能源和矿产资源的探查、导航、通讯和航天环境的监测、气候变化及其他自然灾害的预报等许多领域。完整的高精度地磁数据不仅服务于地磁学本身，更是地震研究、地质构造研究、地球深部研究和矿产勘探等研究领域的基础^[3][4]。

在地磁场和地球空间环境的研究中，地面台站的观测起着重要的作用。地球主磁场的空间分布和长期变化的研究主要依靠地磁台和地磁复测点的资料。在主磁场长期变化的研究以及以此为基础的地磁起源的研究中，卫星磁测资料仍然无法代替地面资料。一百多年的地磁台站观测资料，几百年的海上磁测资料一直是研究地磁场起源及地球内部过程的不可取代的基础资料^[5][6]。在取得大量高时间分辨率和高精度的地磁资料之后，科学家们在亚暴电流体系、电离层–磁层耦合和空间天气预报等方面取得了重要进展，地磁场观测的长期历史资料为这些研究提供了坚实的基础^[7][5]。经过数十年的努力，我国已基本建成了由160个观测台站组成的覆盖全国的数字化地磁观测网络，实现了观测数据的准实时传输和自动汇集，并积累了大量观测数据^[8]。

北京十三陵台站（Beijing Ming Tombs station，BMT）于1985年10月筹建，1990年8月竣工。台站隶属中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室，是中国大陆地区最早实现数字化并率先进入国际地磁台网（INTERMAGNET）的观测站。台站位于北京市昌平区十三陵镇德胜口村东北约600米处，坐落在一北高南低的山谷之中，周围为国有山林地，距市中心约50公里。本台的地质基底为石英岩和灰质岩，岩层相对破碎，磁场背景有小的局部异常情况。经过基建时的土地平整改造，地磁场的分布情况有所改善，其中记录室及其周围的磁场总强度的梯度小于1 nT/m。

地磁观测室为地上建筑，外墙基础与室内13个汉白玉仪器墩的基础采用石灰石从4米深的基底向上砌成，保证了仪器基墩的长久稳固。在观测室西南方向建有3个永久性标志，其中常用的标准墩2号墩的标志距观测室约700米，方位角为207º31′50″。地磁记录室为半地下式建筑，内有5个仪器间，共设有6个大理石面的仪器墩。室内日温差小于0.5℃，年温差约12℃，相对湿度小于70％^[9]。

1 数据采集和处理方法

北京十三陵台站原始观测数据实时传输至中国科学院地质与地球物理研究所空间环境探测实验室数据中心，数据中心服务器上运行绘图软件，根据原始数据绘制得到地磁分量变化曲线图。实时曲线图通过实验室网站（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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图1 地磁数据处理流程图

1.1 数据测量

自动观测系统包括两套石英光电磁变仪（俄罗斯科学院IZMILAN研究所研制，如图2a所示）配接数据采集电路和微机组成两套数字化采集记录系统（MD1、MD2），同时配接模拟记录仪，自动记录地磁场三分量D、H、Z的变化。人工观测数据采用的是偏角倾角磁力仪（如图2b所示）测量磁偏角D和磁倾角I分量，质子旋进磁力仪测量总强度F。

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图2 北京十三陵台站地磁观测仪器

1.2 数据传输

中国科学院地质与地球物理研究所内服务器开启数据接收服务软件，随时接收和存储北京十三陵台站的观测数据。

1.3 数据处理

（1）基线值

地磁场绝对值每周人工观测2次D、I、F分量，每次观测2组，仪器采用偏角倾角磁力仪–质子旋进磁力仪系统，根据测量值分别计算出H值和Z值，再结合记录仪器的数据求出观测基线值，并利用“平滑曲线法”确定各分量采用的基线值。由于温度对磁变仪记录数据的影响已包含在基线值内，故在处理最终数据时对记录数据和基线值均不再做温度修正。

（2）标度值

数字化记录系统和模拟记录仪的标度值每次单分量正负各标定30秒，三分量共3分钟；并将其结果点在坐标纸上，处理最终数据时亦采用“平滑曲线法”确定各分量采用的标度值。

（3）资料处理工作主要由计算机完成。所有数据均归算至本台的标准墩2号墩。

1.4 数据发布

原始数据绘制得到地磁分量变化曲线图，实时曲线图通过实验室网站（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 数据样本描述

（1）IAGA2002格式

本数据集采用IAGA2002格式，IAGA2002格式是国际通用的地磁数据交换格式^[10]。数据来自观象台和地磁台站，时间间隔从秒值到月均值。其格式说明如下所述：

1）12个强制性的文件头记录（强制性的头记录以第一栏的空格字符开头，以第70栏的垂直线“|”﹝ASCII 124﹞结束。内容标签在第2栏开始，描述在第25栏开始）

Format：格式	Source of Data：数据来源
Station Name：台站名	IAGA CODE：由IAGA认可的台站代码
Geodetic Latitude：大地纬度	Geodetic Longitude：大地经度
Elevation：高程	Reported：报告的地磁要素
Sensor Orientation：传感器取向	Digital Sampling：采样率
Data Interval：时间间隔	Data type：数据类型，分为原始数据、修正数据和最终数据

2）数量不限的可选注释记录（可选的注释记录以第一栏的空格字符开头，以第70栏的垂直线“|”﹝ASCII 124﹞结束）

用来记录关于所定义字段未包含的数据的重要信息。

3）一个强制性的数据头记录

强制性的数据头记录包含日期和时间头、地磁要素头两类头记录。日期和时间头是DATE、TIME和DOY（一年的第几日）。地磁要素的类型和顺序在文件头的字段Reported中给出。地磁要素头包含4个字母：3个字母用作观象台的IAGA代码，1个字母用于表示报告的地磁要素。有效值是水平强度H、磁偏角D（或E）、磁倾角I（或V）、北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z、总场强度F。栏头以空格分隔。数据头记录以第70栏的垂直线“|”（ASCII 124）结束。

4）一系列数据记录

数据记录包含日期、时间、和报告的地磁场要素。每个记录严格定为70个字符长，此外还包括与机器有关的回车/换行符。如果需要的话，以空格符填补记录。数据记录严格地报告4个磁场要素（DHIF、DHZF或XYZF）。如果少于4个要素，以99999.00表示缺失的数据，以88888.00表示在该字段的要素未被观测。

5）推荐的文件命名程序

为便于数据交换和识别，IAGA还推荐了文件命名准则和风格，用于对包含地磁观象台数据的文件命名。这些推荐是针对数据交换的，并不一定要应用于数据存档。

（2）台站地磁数据集

本数据集来源于北京十三陵台站，数据内容由磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）三个要素的分钟值组成。总场强度（F）未被观测，其数值由88888.00代替。从1991年04月02日开始连续记录，之前的数据由于仪器调试未做存档，缺失的磁偏角（D）、水平强度（H）和垂直强度（Z）三个要素的数值由99999.00代替。北京十三陵台站地磁三分量数据样例如图3所示，H、Z、F分量的单位是nT，D分量的单位是分。本数据集中的地磁三分量变化如图4所示。

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图3 地磁三分量数据样例

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图4 地磁三分量变化曲线图

3 数据质量控制和评估

北京十三陵台站地磁数据自数据采集到数据发布均由计算机自动处理，自1991年至今运行稳定可靠。为保证数据的可靠性，采用以下措施对数据质量进行控制：

（1）为了保证系统的时间准确性，定期对采集系统时钟进行手动校时；

（2）为了保证数据传输的可靠性，上传数据文件与服务器文件进行校验，错误数据会进行重传；

（3）为了保证数据的质量，台站采用多套仪器进行记录，通过比对，剔除无效数据，得到最终数据。

4 数据使用方法和建议

本数据集可以用来开展地磁场、空间环境和地球各圈层耦合等方面的研究。数据集为处理后的分钟值数据，原始观测数据为秒值数据。用户如需原始数据，可与作者联系后约束使用。

致 谢

感谢本实验室常首民、徐涛、郝喜庆、解海永在数据处理中所做的工作。

参考文献

1. 徐文耀. 地磁活动性概论[M]. 北京: 科学出版社, 2014.
2. 徐文耀. 地磁学[M]. 北京: 地震出版社, 2003.
3. 徐文耀. 地球磁场的物理问题[J]. 物理, 2004 (08): 551–557.
4. 徐文耀. 我国地磁观测研究的发展[J]. 地球物理学报, 1997 (S1): 217–230.
5. ^ ^{5.0 5.1} 徐文耀. 国际地磁台网计划INTERMAGNET[J]. 地球物理学进展, 1997 (03): 15–21.
6. 徐文耀. 地磁台链的观测与研究[J]. 地球物理学进展, 1993 (01): 34–59.
7. Jackson A, Jonkers A, Walker M. Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2000, 358(1768): 957–990.
8. 谢凡. 地磁观测数据中人工电磁干扰抑制技术研究[D]. 北京: 中国地震局地球物理研究所, 2011.
9. 徐涛. 台站地磁观测数据精度提高方法[J]. 地震地磁观测与研究, 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.

数据引用格式

赵秀宽, 吴宝元, 宁百齐. 1991～2001年北京十三陵台站地磁数据集[DB/OL]. Science Data Bank. DOI: 10.11922/sciencedb.126.