本文作者为北京大学地球与空间科学学院地球物理学系的步宛烨、张慧茜及黄清华，其中黄清华为通信作者。文章发表于《地球与行星物理论评》（Reviews of Geophysics and Planetary Physics）2022年第53卷第1期，是一篇关于地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents，GICs）研究的综述论文。文章系统梳理了GICs的研究进展，从空间天气链出发，重点阐述了GICs计算中的三个关键步骤，并对当前研究现状与未来挑战进行了总结与展望。

地磁感应电流是由太阳活动引起的地磁扰动在地球表面感应出地电场，进而在输电网络、油气管道、铁路系统等地面导体设施中产生的低频电流。强烈的磁暴可引发严重的GICs，威胁基础设施的安全运行。文章指出，GICs已成为最严重的空间天气灾害之一，因此深入研究GICs的形成机制并建立快速预测能力具有重要的科学意义和应用价值。围绕GICs的产生机制，作者首先引入了“太阳—太阳风—磁层—电离层—地球”这一空间天气链的概念。剧烈的太阳活动，如太阳黑子、耀斑爆发和日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection，CME），会释放大量等离子体并形成携带巨大能量的太阳风。太阳风传播至地球附近后与地球磁场发生复杂相互作用，导致磁层和电离层中的电流体系发生变化，进而引发地磁扰动，并在地表感应出地电场，最终在导体系统中产生GICs。GICs的计算通常从地磁场出发，依次包括地磁场重建、感应地电场计算和导体系统中GICs计算三个步骤。

在地磁场重建方面，最直接的方法是地面地磁观测。地磁观测台站数量有限且分布不均，因此需要利用地球物理方法进行空间插值。文章重点介绍了Amm和Viljanen于1999年提出的球元电流系统（Spherical Elementary Current Systems，SECS）方法。该方法利用电离层电流中无旋分量对地表磁场影响可忽略的性质，以无散分量作为等效电流，根据地磁观测数据计算等效电离层电流分布，再基于毕奥—萨伐尔定律计算地表磁场变化。相比传统傅里叶变换、球谐分析和球冠谐分析，SECS方法不需截断频谱，且可灵活设置电流系统位置，成为目前利用地磁观测计算GICs的主要插值方法。除地面观测外，还可基于空间天气参数，利用全球三维磁流体力学（Magnetohydrodynamics，MHD）模型模拟地磁场。文章列举了BATS-R-US、GUMICS、OpenGGCM、LFM、SWMF和PPMLR-MHD等常用MHD模型，并指出已有研究利用这些模型计算地磁扰动和GICs。不过MHD模型对局部地磁场预测仍存在较大误差，且难以描述亚暴电流体系和赤道电射流等特定物理现象，因此模拟精度有待进一步提高。

在感应地电场计算方面，Cagniard于1953年提出的平面波法长期作为基础方法。该方法假设磁层—电离层源的磁场可近似为平面波，地电场可通过地磁场与大地阻抗张量在频率域的乘积求得。最常用的是一维平面波法，假设地球电导率仅随深度变化。文章通过模拟说明，地电场随电导率增大而降低，高频磁场会感生出更强地电场，且浅层电导率对地电场的影响更大。当考虑感应地磁场时，浅部低导层可能导致更严重的地电灾害，而深部高导结构的影响相对较小。文章还介绍了欧洲和美国的一维分段电导率模型的应用。然而一维方法无法描述真实电导率结构的横向变化，因此三维电导率模型下的地电场模拟成为重要方向。获得三维阻抗张量主要有两种途径，一是基于已知三维电导率模型进行正演模拟，另一种是利用局部大地电磁测量数据直接计算阻抗。文章还提到三维薄板模型作为全三维模型的有效替代已被应用于GICs研究中。此外，时域方法的发展有助于实现GICs的实时估计。文章同时指出平面波假设在描述高纬度地区电离层电流源时存在局限。

在导体系统中GICs的计算方面，地面导体系统分为离散接地和连续接地两类。对于电网等离散接地系统，Lehtinen和Pirjola在1985年提出了矩阵方法，通过节点导纳矩阵和接地阻抗矩阵计算流入变压器中性点的GICs。地电场沿输电线路的积分效应使得一维近似在多数情况下足够准确，但在海岸等横向电导率骤变区域，三维方法可有效改进模拟效果。工程计算中常将GICs简化为地电场水平分量的线性叠加，系数可基于电网模型估算或通过GICs观测值拟合。对于油气管道等连续接地系统，Boteler于1997年提出分布源传输线理论（Distributed Source Transmission Line Theory，DSTL），将长距离管道分割为若干小段，利用阻抗和并联导纳构成的传输线电路等效每段管道。文章列举了多个基于该理论的油气管道GICs研究，包括芬兰天然气管道的监测和实时预报系统，以及中国油气管道受GICs和管地电位影响的观测实验。

文章最后指出，除计算方法外，极值灾害分析也是GICs研究的重要内容。基于统计模型预测地磁场或地电场的百年极值，可评估区域地电灾害风险。GICs研究的最终目标是实现监测、预报和规避极端空间天气灾害。实时估计需要基于时域感应地电场模拟方法，而预报则依赖地磁场预报与GICs实时算法的结合。拉格朗日L1点附近的太阳风观测数据可提前20分钟至1小时预警，为MHD模型输入提供支持。机器学习方法也被视为有前景的GICs预报手段。文章认为，当前对太阳风—磁层—电离层耦合关系的认识仍不充分，GICs的预测能力有限，高质量地球空间观测和多学科交叉合作对提升GICs建模与灾害量化能力至关重要。

本文的学术价值在于系统总结了GICs计算各环节的主要方法及其适用性与局限性，为相关领域研究者提供了清晰的方法论框架。在应用层面，文章强调了GICs对电网、油气管道和铁路等关键基础设施的威胁，并指出了实时监测与预报的发展方向，对空间天气灾害防御具有现实指导意义。文章特别关注了三维电导率模型和时域方法等前沿进展，体现了GICs研究从一维近似向三维精细化、从离线评估向实时预报发展的趋势。