[论文解读] Tsunami effects on the Z component of the geomagnetic field

Virgínia Klausner, Margarete Oliveira Domingues+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Earthquake Detection and Analysis参考文献 13被引用 5

一句话总结

本研究提出使用离散小波变换（DWT）结合哈尔小波，检测由海啸引起的地球磁场Z分量中的地磁变化。通过分析INTERMAGNET站点的分钟分辨率磁图，该方法成功在2011年日本海啸发生前两小时以内，提前定位了海啸的初始时刻和最大波高，证明了DWT在从地磁场中识别由海洋流动引起的微弱、局部磁质变方面具有有效性。

ABSTRACT

The vertical component (Z) of the geomagnetic field observed by ground-based observatories of the INTERMAGNET network has been used to analyze the effects of the movement of electrically conducting sea water through the geomagnetic field due to a propagation of a tsumani. The purpose of this work is to study the geomagnetic variations induced by the tsunamis occurred at 26 December, 2004, 27 February, 2010 and 11 March, 2011. For each case study, we selected four magnetic stations belonging to the INTERMAGNET programme that were influenced or more direct affected by the tsumani. To detect these disturbances in the geomagnetic data, the discrete wavelet technique have been used in four levels of decomposition. We were able to detect the localized behavior of the geomagnetic variations induced by the movement of electrically conducting sea-water through the geomagnetic field, i. e., the identification of transients related to the tsunamis. As well, using the minutely magnetogram data, it was able to localize the initial phase and time of the tsunami maximum height. The first interpretation of the results suggests that discrete wavelet transform can be used to characterize the tsumani effects on the geomagnetic field, but need further study.

研究动机与目标

• 检测由海啸引发的海洋流动通过地球磁场在Z分量中引起地磁变化。
• 评估离散小波变换（DWT）在识别地磁数据中与海啸相关的局部瞬态信号方面的有效性。
• 利用小波变换后的磁图数据定位海啸的初始阶段和最大波高。
• 验证DWT作为基于地磁场监测的潜在海啸早期预警系统工具的适用性。
• 深化对大规模海洋运动对地磁场电磁感应效应的理解。

提出的方法

• 对INTERMAGNET站点提供的分钟分辨率地磁Z分量数据应用离散小波变换（DWT），采用哈尔小波（db1）。
• 通过四级小波分解，分离出地磁信号中的微小、局部变化。
• 分析每起海啸事件（2004年、2010年、2011年）中四个站点的磁图，以检测与海啸相关的瞬态信号。
• 聚焦于小波系数能量（d^j）^2，识别与海啸传播相关的时域局部扰动。
• 将小波检测到的瞬态信号与潮汐仪数据相关联，以验证海啸到达时间和峰值高度的时序。
• 基于法拉第定律和洛伦兹力理论，建立海洋水流运动诱导次生磁场场的物理机制模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 离散小波变换能否有效检测由海啸引发的海洋流动引起的微弱、局部地磁瞬态变化？
• RQ2 DWT方法能否准确地从地磁Z分量数据中定位海啸的初始阶段和最大波高？
• RQ3 小波系数（d^j）^2在不同磁力仪站点与实际海啸到达时间和峰值振幅之间有何相关性？
• RQ4 与传统潮汐仪数据相比，DWT在多大程度上能够提供海啸到达的早期预警？
• RQ5 由海啸引发的海洋流所引起的Z分量变化在物理和统计学上具有何种意义？

主要发现

• DWT方法成功检测到地磁场Z分量中与海啸相关的瞬态变化，尤其在第三和第四层分解（d^j）^2（j=3,4）中表现显著。
• 对于2011年日本海啸，小波系数在06:08、06:40、07:44、10:40、16:48和17:52 UT显示出显著振幅，与海啸到达和峰值高度时间一致。
• 在Papeete（PPT）站点，DWT在海啸抵达海岸前约两小时即检测到瞬态信号，表明具有早期预警潜力。
• MMB和KNY站点清晰显示出与海啸于09:16 UT到达和09:58 UT达到峰值高度相对应的小波特征，与潮汐仪数据吻合。
• GUA和CTA站点的小波系数极小或无显著值，表明这些位置的地磁影响较弱或信号被掩蔽。
• 本研究证实，结合哈尔小波的DWT能有效定位地磁数据中突发的、低幅值变化，因此适用于检测海啸引发的磁信号。