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地表观测到的地磁场是由来自地球外核发电机产生的主磁场、地壳岩石剩余磁场、海洋潮汐或者洋流产生的磁场、磁层-电离层电流体系产生的磁场及其在地壳中的感应磁场等多种场源叠加的结果。每种磁场源都具有其独特的空间分布和时间演化规律。地磁场携带着地球多圈层的信息，地磁观测是探测地球内部性质仅有的几种方法之一。岩石圈磁场和地核磁场可以被用来深入研究核幔动力学过程，反演三维地幔电导率结构，在矿产资源勘查与国防应用方面都具有广阔的应用前景。地磁场也是地球历史见证者，对地球外部环境、全球气候有关的空间大气过程产生重大影响。本文针对地磁场演化和起源等主要科学问题，利用卫星和地面台站地磁观测资料，建立地磁场模型，研究不同起源的地磁场的时空变化特征，探讨地磁场与地球内部性质的关系。 本文对地磁场时空变化特征的研究主要包括三部分主要内容。第一部分内容是建立区域磁场空间模型，分析和比较不同空间建模方法的优缺点，并基于CHAMP卫星磁场数据，利用修正球冠谐分析方法(R-SCHA)建立了中国地区高分辨率的岩石圈磁场模型。根据模型所描述的岩石圈磁场分布，进一步分析了岩石圈磁场与地质构造的关系。第二部分是对1930-2010年地磁台站观测的磁场月均值数据进行了系统的分析，逐步分离出主磁场及岩石圈磁场、周期分别为1年和半年的周期变化磁场，并讨论了主磁场模型的误差可能来源。第三部分是研究主磁场长期变和外源变化磁场中一些典型现象的时空变化特征。其中包括研究2003年地磁急变现象在东亚地区的演化特征，主磁场长期变加速度的整体演化过程，和极区地磁场年变化的起源。 本文的具体工作和研究结果如下: 1.利用1970-2000年地面的磁场矢量观测资料，以及2008-2009年CHAMP卫星磁场观测数据，利用修正球冠谐分析方法建立了中国地区高分辨率的岩石圈磁场模型，模型的地面空间分辨率达到150km。在此项工作中: (1)我们提出了一种地磁场建模的边界处理方法，解决了工作区域不规则性引起的边界效应问题; (2)绘制了高分辨率的中国地区岩石圈磁异常的分布图，分析表明磁异常的分布与不同地区的地质构造结构有较好的对应性。磁场的正异常区域与稳定的地质结构（如古克拉通地块）相对应，而负异常区域则对应于地质活动比较活跃的地区（如断裂带、造山带以及不同板块之间的过渡地区）。磁异常的分布在中国的西北地区（塔里木盆地地区）和东北地区较为简单，而在西南的青藏高原地区、华北平原地区以及东南沿海地区则较为复杂。 (3)通过对中国地区的磁异常分布与中国地区的热流分布对比分析，证明在几个热区存在磁异常，地磁异常图反映了地壳厚度及其温度的关系，有些磁异常可能与热退磁过程有关。 2.利用全球地磁台站1930-2010年的磁场矢量观测数据，将不同来源的磁场信息进行了分离。我们用经验的自回归差分模型(AR-2)来拟合月均值磁场时间序列中的主磁场及岩石圈磁场信号，采用三角函数来拟合移动的时间窗内1年周期和半年周期信号，并研究其幅度和相位的变化特征，用球谐分析方法拟合残余磁场中的大尺度磁场信号。我们把信号分离后残余磁场的水平作为主磁场建模的误差水平。本工作得到的主要分析结果如下: (1)我们建立了AR-2模型用来拟合台站数据中的主磁场及岩石圈磁场信号，该模型建立在随机过程以及最佳线性无偏估计(BLUE)的框架下，并且依据了主磁场的时间功率谱在周期大于5年的谱段内基本满足斜率为-4的线性特性。AR-2模型能较好地反映主磁场信号的变化趋势，且不依赖于模型中的误差参数设定。 (2)对台站数据中的年变化和半年变化信号进行局地的分析。我们得到了这两类周期信号的幅度和相位存在长周期的变化特征，部分变化特征与地磁活动指数的变化特征具有相关性。磁场Z分量周期信号幅度的空间分布主要依赖于地磁纬度，并在极区出现极大值，该处的幅度变化梯度较大。 (3)我们采用球谐分析的方法模拟残余磁场中的大尺度磁场，该信号主要由外源场和感应磁场贡献。为了避免因台站分布不均匀而导致模型分离内外源场时出现混淆，我们分开拟合磁场的水平分量和垂直分量。我们从Z分量的模型中提取出感应磁场部分，这一部分磁场并不具备偶极子场的特征。此外我们还发现大尺度剩余磁场的强度在1960年以及1990年附近出现大异常变化，可能与该时期的强太阳活动水平有关。 (4)我们对未模型化的信号(UMSL)在不同时间的变化幅度进行了分析。UMSL水平的主要依赖地磁纬度分布，它在1960年以后的幅度变化趋于平稳，而且在磁场各分量上的特征比较一致，这反映出INTERMAGNET全球台网所要求的磁场测量水平。部分台站Z分量磁场数据的UMSL水平在1960年附近发生明显的改变，这可能是测量仪器更新换代的结果。而另外一部分台站不同磁场分量的UMSL水平的起伏则与太阳活动的调制有关系。 3.利用1995-2008年地磁台站的磁场矢量观测资料，以及CHAOS-3主磁场模型数据，研究2003年地磁急变现象在东亚地区的时空演化过程。我们用经验的AR-2模型拟合地磁台站数据中的主磁场及长期变信号。并用极值检测法寻找长期变序列中的地磁急变过程。本工作得到以下结论: (1)2003年地磁急变在Y分量表现较为显著。2003年地磁急变在东亚地区存在传播特性，dY/dt以东向传播为主，而dZ/dt以南向传播为主。 (2)通过相邻两个地磁急变对比分析，发现在dZ/dt中，我们观测到的2003年急变和2001年急变，以及与已知的与1999年急变在演化过程中存在一定的关联性。2001和2003急变事件的发生区域在东亚地区的西部重叠，且他们的强度的空间分布是相似的，均在印度地区较强。这两个地磁急变不同的传播方向表明他们来源于独立的外核磁流体运动过程。dZ/dt中的2001年地磁急变可能是已知的1999年地磁急变事件的一部分。 (3)由AR-2模型得到的2003年地磁急变时空演化特征与CHAOS-3模型总体上是一致的，但AR-2模型给出的发生时间和地磁变化强度更为准确。这些特征可以用于反演和解析外核磁流体在这一时段内的运动状态。 4.利用CHAOS-4主磁场模型研究1997-2013年主磁场长期变加速度在全球的演化过程。我们首先分析了这一时间段内4个地磁急变事件(1999、2003、2007和2011年地磁急变)的时空变化特征，以及相互关联性。我们进一步研究与地磁急变相关的磁场加速度整体变化规律，并得到如下结果: (1)1999年和2003年地磁急变的空间分布是类似的。它们强度的正负异常区域成对出现在亚洲-印度洋扇区，这两个地磁急变的异常区块在相近的位置，但极性相反。2007年和2011年地磁急变也存在相似性。它们强度的异常区域主要分布在大西洋扇区的相近位置，极性相反。这些地磁急变都具有传播特性。 (2)我们通过研究由地磁急变引起的磁场长期变加速度SA在1997.5-2013.0期间的时空演化特征，来进一步证实这些传播特性。加速度的强度变化在2003年以前主要发生在亚洲-印度洋扇区，而随后主要发生在大西洋扇区。这充分体现了1999年和2003年地磁急变的关系，以及2007年和2011年地磁急变的关系。 (3)从2003年开始，两个磁场加速度变化较剧烈的区域（亚洲-印度洋区域和大西洋区域）都看到了一些加速度异常区域的东-西向漂移运动。另外在2007年附近处在大西洋区域的几个加速度异常区几乎同时发生极性反转，这与2007年地磁急变密切相关。从细节上看，极性反转过程也具有从东向西的发生顺序。反转前后的加速度强度均存在极大值。这两个极大值幅度相当，应该与2007年极性反转来源于同一个地球外核磁流体的动力学过程。 5.利用1990-2010年的地磁台站磁场矢量观测数据研究地磁场的年变化特征。我们用小波分析方法以及傅里叶分析方法得到不同台站数据的年变化幅度和相位信息。我们进一步研究了年变化在极区的起源问题。此工作得到以下结论: (1)磁场年变化幅度的地理分布存在特殊性，磁纬度高于65°的年变化幅度比中低纬度的要大得多。在极区，磁场X分量在夏季增强而冬季减弱，夏季的强度是冬季的2倍。年变化在北半球和南半球存在180°的相位差。 (2)我们分开地磁平静日和地磁扰日来研究极区地磁场的年变化特征。结果表明地磁平静日内磁场的日变化幅度存在年调制现象，夏季的日变化幅度明显大于冬季，而地磁扰日内的磁场年变化则相对较小一些。我们结合电离层不同方向的电导率数据做进一步分析，电导率和磁场的年变化保持非常好的一致性，极区的地磁场年变化应该是由太阳日照水平引起电离层电导率年变化的结果。 综上所述，本文主要包含了三部分地磁场时空变化特性的研究内容。我们建立的中国地区高分辨率岩石圈磁场模型可以提供更详细的岩石圈磁场分布，这为区域建模方法在更多领域的应用打下基础，也能为地质学科的研究带来更多相关的磁场先验信息。我们对地磁台站数据的一系列分析，在实践不同数据分析方法的同时，加深了我们对主磁场模型误差随时间变化的理解，并为主磁场建模提供了真实的先验误差信息。最后我们对主磁场长期变和变化磁场中的一些特殊现象进行研究，能帮助我们得到更多不同磁场源的变化规律，给反演地幔电导率、外核磁流体运动过程以及主磁场的发电机过程的研究提供丰富和有价值的信息。