基于CHAMP卫星和地面数据的全球及区域地磁场建模研究

发布时间：2020-10-14 15:08

　　 将CHAMP卫星与中国地区地面地磁测量(磁测)数据结合进行研究,对提高地磁场模型精度、降低区域磁场模型的边界效益、分析中国地区地磁场时空分布特征具有重要的意义。本文利用CHAMP卫星和地面磁测数据对全球和区域地磁场建模进行了研究。分析比较了IGRF11和IGRF12在中国地区的地磁场及其长期变化的分布差异；利用CHAMP卫星和地面磁测数据建立描绘全球地磁场的球谐模型,并与IGRF12进行比较分析；基于CHAMP卫星数据建立二维和三维Taylor多项式模型,比较分析三维模型与二维模型、实测值以及IGRF12的差异；讨论分析了二维和三维Taylor多项式模型在结合CHAMP卫星和地面磁测这两种不同高度的数据进行建模时的特点及局限性。主要研究结果如下：(1) IGRF12和IGRF11计算的中国及邻近地区的地磁场差异不大。两个模型在2010～2015年期间的年变率整体分布趋势相同,但在局部存在差异。IGRF12的年变化趋势和北京台和兰州台的实测数据的平均变化一致,但在精度上存在明显的误差。IGRF12在2010～2020年中国地区的地磁场长期变化均为线性变化。(2)基于CHAMP卫星和中国地面磁测数据建立的全球地磁场模型可较好地反映全球地磁场分布及其长期变化。通过与IGRF12的比较可以发现,模型与IGRF12所描述的全球地磁场在整体分布上基本一致,在区域上存在一定差异。(3)基于CHAMP卫星数据建立的三维Taylor多项式模型每一阶的RMSE和残差绝对值的平均值均要比二维模型小约45%。基于CHAMP卫星和地面磁测数据的三维模型的RMSE比二维模型要小约96%。根据结果可得到以下结论：(1)相对于IGRF12,基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球模型在中国及其邻近地区的分布要相对更为详细,可看到明显的差异,能够更好地反映中国及邻近地区地磁场在全球分布中的状况。(2)由于采用了系数完全展开的建模方式,三维模型的系数数量约为二维模型的2N倍,三维模型较低的截断阶数可以反映更多的地磁信息。5阶三维Taylor模型基本可达到8阶Taylor模型的精度。两种模型绘制的地磁场及残差分布有较好的一致性。(3)三维Taylor多项式模型可以根据CHAMP卫星和地面磁测数据等不同高度下的数据较好的拟合地磁场分布。由于二维模型由于忽略了高度的因素及其本身的局限性,对系数的估算存在误差,进而影响所计算的地磁场强度,无法在不同高度下进行数据拟合。因此,在利用不同高度下的数据进行地磁场建模研究方面,三维模型要优于二维模型,具有广泛的应用价值。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P353
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 地磁场
        1.1.2 地磁场模型
    1.2 地磁场建模研究进展
        1.2.1 基于CHAMP卫星数据的地磁场建模
        1.2.2 基于中国及邻近地区地面磁测数据的地磁场建模
    1.3 问题的提出和研究意义
        1.3.1 问题的提出
        1.3.2 基于CHAMP卫星和地面数据进行地磁场建模的研究意义
    1.4 研究目的和研究内容
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究内容
第二章 研究数据与研究方法
    2.1 研究数据
        2.1.1 CHAMP卫星磁测数据
        2.1.2 地面磁测数据
    2.2 研究方法
        2.2.1 地磁场全球模型
        2.2.2 地磁场区域模型
第三章 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球地磁场建模研究
    3.1 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球地磁场模型
        3.1.1 基于IGRF12模型的全球地磁场强度分布
        3.1.2 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球地磁场建模
    3.2 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球地磁场长期变化分析
        3.2.1 IGRF12模型的全球地磁场长期变化分布
        3.2.2 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的全球地磁场长期变化计算
    3.3 本章小结
第四章 基于IGRF12模型的区域地磁场比较分析
    4.1 IGRF12和IGRF11的分布差异比较
    4.2 IGRF12和IGRF11的长期变化比较
    4.3 IGRF12和台站实测点数据的比较
    4.4 2010～2015年和2015～2020年期间的长期变化比较
    4.5 本章小结
第五章 基于CHAMP卫星数据和三维Taylor多项式模型的区域地磁场建模研究
    5.1 截断阶数的选取
    5.2 中国及邻近地区的三维Taylor多项式模型的建立
    5.3 中国及邻近地图的三维Taylor多项式模型的分析
        5.3.1 Taylor多项式模型的拟合值与实测值的对比分析
        5.3.2 残差分析
        5.3.3 RMSE分析
        5.3.4 模型系数比较
    5.5 本章小结
第六章 基于CHAMP卫星和地面磁测数据的三维Taylor多项式模型区域地磁场研究
    6.1 截断阶数的选取
    6.2 基于卫星和地面数据的三维Taylor多项式模型的中国及邻近地区地磁场计算
    6.3 基于卫星和地面数据的Taylor多项式模型分析比较
        6.3.1 残差分析
        6.3.2 RMSE分析
    6.4 本章小结
第七章 结论与展望
    7.1 主要研究结论
    7.2 创新处
    7.3 展望
参考文献
致谢
个人简介


本文编号：2840829