本研究由Qihe Shao、Ying Liu、Yinhe Luo、Graham Heinson、Yixian Xu、Jinsong Du和Chao Chen等人完成，主要作者来自中国地质大学（武汉）地下多尺度成像湖北省重点实验室（Subsurface Multi‐scale Imaging Key Laboratory of Hubei Province, SMIL）、中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室（State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources, GPMR）、澳大利亚阿德莱德大学（The University of Adelaide）和浙江大学地球科学学院。该论文题为《Geoelectric field estimations during geomagnetic storm in north china from sinoprobe magnetotelluric impedances》，发表于期刊《Space Weather》2024年第22卷，文章编号e2023SW003758，于2023年10月10日收稿，2024年3月14日接收。

该研究属于空间天气（space weather）与地球物理学交叉领域，核心关注地磁暴（geomagnetic storm）引发的地电场（geoelectric field）和地磁感应电流（geomagnetically induced currents, GICs）对电力基础设施的潜在危害。地磁暴由太阳活动引起，会导致地球磁场快速变化，进而在大地和人工导体中感应出电流。这种感应电流流经电力变压器时可能引起磁饱和，造成电力系统故障甚至大范围停电。此前研究多关注高纬度地区，但近年发现中低纬度地区在强磁暴期间同样可能产生较大GICs。华北地区建有大量1000 kV特高压（ultra‐high‐voltage, UHV）输电线路，人口稠密，电网暴露度高，因此评估该区域的地电灾害风险具有重要的现实意义。与以往主要基于一维电阻率模型或简化三维模型的方法不同，本研究采用“数据空间方法”（data‐space method），直接利用大地电磁（magnetotelluric, MT）实测阻抗张量（impedance tensor）与地磁台站观测数据卷积来估算地电场，从而更准确地反映地下三维电性结构的影响。研究目标是以2015年3月17日强磁暴为事件背景，估算华北地区地电场和输电线路感应电压的分布，识别易受地磁干扰的脆弱线路。

研究流程分为多个步骤。首先，筛选太阳活动第24周期间由Dst指数识别的强磁暴和超级磁暴事件，确定2015年3月17日磁暴为研究对象，该事件Dst指数最低达到−234 nT，属于NOAA空间天气等级中的G4级别。其次，收集并处理地磁数据。研究使用了中国境内六个INTERMAGNET地磁台站（长春、北京明十三陵、兰州、乾陵、成都、武汉）在磁暴期间记录的水平分量地磁场数据，时间分辨率为1分钟。数据处理包括去漂移和去尖峰，然后采用最近邻插值方法将地磁变化场插值到0.5°×0.5°网格，并转换到频率域。第三步，获取SinoProbe大地电磁项目的119个测点的阻抗张量数据，这些测点分布在华北地区35°–41°N、104°–126°E范围内，测点间距约1°（约110 km），有效频带为10–2000 s，覆盖GIC研究中主要关注的10–1000 s频段。第四步，在频率域中将每个MT测点的阻抗张量与插值后的地磁场相乘，再通过傅里叶逆变换得到时间域地电场序列，计算公式为e(t)=F⁻¹{Z_r(ω)B(ω)/μ₀}，其中μ₀为真空磁导率。第五步，利用Delaunay三角剖分对输电线路路径上各点的地电场进行重心插值，并沿线路积分计算感应电压，公式为V(t)=∫_l e(t)·dl。值得强调的是，与传统模型空间方法假设一维或二维电性结构不同，本研究直接采用实测三维阻抗张量，避免了忽略三维电阻率非均匀性带来的误差。在频率域中，三维阻抗张量为2×2满秩非对称张量，包含Zxx、Zxy、Zyx、Zyy四个分量，能够较完整地描述地电场与地磁场之间的传递关系。

研究结果首先体现在频率域地电场分布上。在0.01 Hz和0.001 Hz频段，地电场高值区主要分布在华北的西北、西南、中部、东北和东南部分，分别对应乌拉山—大青山、祁连、太行—吕梁、燕山和鲁西造山带。鄂尔多斯盆地在0.01 Hz表现出地电场极化现象，方向主要指向南方。在时间域，研究计算了所有MT测点在每个时间步的峰值地电场振幅，发现最大振幅出现在2015年3月17日13:57 UTC。该时刻的地电场矢量图显示，有18个测点的地电场振幅超过1 V/km，这一阈值通常被视作百年一遇磁暴的预期水平。时间域地电场振幅分布与频率域相似，但方向大致指向东北。海滨站点（如HB30、HB16、HB32、HB118和HB119）的地电场受海岸效应影响明显畸变。所有测点中，最大地电场振幅为2.05 V/km，出现在HB24；最小为0.01 V/km，出现在HB10。四个典型MT测点的地电场时间序列显示，东西向分量（Ey）明显大于南北向分量（Ex），这与北向地磁变化更强相一致，且地电场在04:45 UT出现骤增，并在13:00—24:00 UT出现剧烈波动，与磁暴急始（storm sudden commencement, SSC）和极光电集流增强的时间吻合。

在输电线路感应电压方面，研究计算了17条1000 kV特高压输电线路在13:57 UTC的感应电压。结果显示，其中第10、13、14和15号线路的感应电压超过100 V，被判定为易受地磁干扰的脆弱线路。值得注意的是，尽管地电场高值区分布在中部、东北和东南部，但输电线路感应电压超过100 V的区域主要集中在华北中部，这种差异可以归因于输电线路的空间走向与地电场方向之间的几何关系。此外，地电场高值区与高阻岩石圈区域存在较好的空间相关性，太行—吕梁、燕山和鲁西造山带表现出高振幅地电场，而鄂尔多斯盆地和黄淮盆地等低阻沉积盆地区域地电场较低。岩石圈厚度从西向东总体变薄，但并不能完全解释地电场分布，说明局部高阻构造和海岸效应对地电场有重要影响。

研究的结论指出，利用119个SinoProbe MT测点的实测阻抗与六个地磁台站数据，通过卷积得到2015年3月17日磁暴期间华北地区的地电场响应。高振幅地电场（>1 V/km）主要分布在中部、东北和东南部的高阻造山带，而1000 kV输电线路的高GIC风险集中在华北中部，感应电压超过100 V。研究还指出，磁暴急始虽然地磁扰动幅度较小，但仍可产生可观的地电场，这表明在中纬度地区预报行星际激波对于地电场和GIC预测具有重要意义。此外，受限于SinoProbe台站间距约110 km，现有模型对单条输电线路的评估精度有限，未来应增加MT测点密度并结合包含地形和水深的高分辨率三维电阻率模型以提高GIC灾害评估的可靠性。

本研究的亮点在于采用数据空间方法而非传统模型空间方法，直接利用实测MT阻抗张量对真实三维地下电性结构进行约束，提高了地电场估算的准确性。同时，研究结合了地磁暴急始和极光电集流两种不同的空间天气驱动源，揭示了二者对中纬度地区地电场的共同影响。此外，研究首次在华北区域尺度上系统评估了1000 kV特高压输电线路的GIC风险，识别出脆弱线路集中在华北中部，为电网防灾减灾提供了具体参考。该研究还为未来进一步融合更高分辨率三维电阻率模型和更密集MT观测提供了科学依据，具有较强的应用价值。