張衡一號衛(wèi)星探測的赤道附近電場分布及其與電離層分布的關(guān)系*

何宏瑋 王秀英 趙國存 楊德賀 王 橋 黃建平

(應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院 北京 100085)

0 引言

電離層電場是電離層帶電粒子運(yùn)動(dòng)的主要影響因素，因此電離層電場成為電離層電動(dòng)力學(xué)過程研究的重要參數(shù)。電離層中的帶電粒子在電場和磁場共同作用下產(chǎn)生不同方向的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電離層在垂直和水平方向的不同結(jié)構(gòu)分布。例如白天赤道附近低緯區(qū)的赤道異常（EIA）現(xiàn)象就是帶電離子在電磁場作用下向上運(yùn)動(dòng)，然后由于重力、壓力等作用沿磁力線向兩側(cè)擴(kuò)散，形成類似噴泉效應(yīng)的作用效果。除EIA現(xiàn)象外，電離層中很多現(xiàn)象也是借助于帶電粒子的動(dòng)力學(xué)過程來分析其形成機(jī)制的，例如日落時(shí)的PRE（Pre-reversal Enhancement） 現(xiàn)象，以及由PRE導(dǎo)致的電離層等離子體氣泡現(xiàn)象/閃爍現(xiàn)象等，所以電離層電場是研究電離層動(dòng)力學(xué)過程極其重要的參數(shù)。

由于受觀測技術(shù)的局限，電場觀測數(shù)據(jù)較電離層其他觀測參數(shù)要少得多。早期電離層電場主要以少量地基觀測為主[1-5]，之后開始出現(xiàn)衛(wèi)星電場觀測，例如AE-E/AE-D衛(wèi)星電場觀測[6]，但受限于當(dāng)時(shí)的衛(wèi)星觀測技術(shù)，電場觀測數(shù)據(jù)難以展開全球特性的研究[7]。2004年法國發(fā)射了DEMETER衛(wèi)星，其上搭載了電場觀測載荷（Instrument Champ Electrique，ICE），由ICE觀測數(shù)據(jù)獲得了一些電場數(shù)據(jù)的全球性研究成果[8,9]，但該星電場只提供一個(gè)方向的數(shù)據(jù)。2008年發(fā)射的C/NOFS衛(wèi)星，雖然可以產(chǎn)出三分量電場觀測數(shù)據(jù)，但由于該星主要目的是對低緯電離層不規(guī)則結(jié)構(gòu)現(xiàn)象進(jìn)行研究，其電場觀測載荷（Vector Electric Field Investigation，VEFI）在白天僅以低采樣率采集數(shù)據(jù)，夜間才會(huì)產(chǎn)出高采樣率數(shù)據(jù)[10]，所以仍不能產(chǎn)出比較全面的全球電場數(shù)據(jù)結(jié)果。2013年歐洲航天局發(fā)射的Swarm星座，其電場觀測儀器（Electric Field Instrument，EFI）產(chǎn)出的數(shù)據(jù)存在問題，一直未正式發(fā)布電場觀測數(shù)據(jù)，僅在2019年9月公布了利用其上搭載的絕對標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)（Absolute Scalar Magnetometer，ASM）觀測數(shù)據(jù)反演的赤道電離層?xùn)|向電場數(shù)據(jù)** https://earth.esa.int/。所以，迄今比較全面的衛(wèi)星電場觀測數(shù)據(jù)仍是比較缺少的數(shù)據(jù)資源。

2018年中國發(fā)射了首顆地震電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星張衡一號（ZH-1），星上搭載的電場探測儀（Electric Field Detector，EFD）可以觀測ULF，ELF，VLF和HF頻段范圍，根據(jù)不同的采樣率產(chǎn)出電場時(shí)序數(shù)據(jù)和電場功率譜（Power Spectral Density，PSD）數(shù)據(jù)，是迄今衛(wèi)星電離層電場觀測中產(chǎn)出數(shù)據(jù)最為豐富的觀測數(shù)據(jù)集。ZH-1衛(wèi)星搭載了8種有效載荷[11-13]，EFD載荷是其中產(chǎn)出數(shù)據(jù)最多的三個(gè)載荷之一。根據(jù)Gao等[14]對EFD載荷觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，每天產(chǎn)出的數(shù)據(jù)量達(dá)30 GByte，其中僅VLF頻段每天即產(chǎn)出2億條數(shù)據(jù)記錄。

由于數(shù)據(jù)量巨大，雖然ZH-1衛(wèi)星已觀測4年多，但目前對EFD載荷數(shù)據(jù)的研究結(jié)果比較少，而且多為基于軌道數(shù)據(jù)展開的工作。Zhang等[15]公布的ZH-1衛(wèi)星與俄羅斯SURA電離層加熱裝置聯(lián)合展開的一次星地實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：EFD載荷軌道觀測數(shù)據(jù)能夠記錄到地面人工源激發(fā)的電離層電場擾動(dòng)；Zhao等[16]和Liao等[17]使用VLF頻段軌道觀測數(shù)據(jù)研究了地面VLF發(fā)射機(jī)傳播到電離層中的信號，表明EFD載荷的觀測結(jié)果與全波模擬結(jié)果具有良好的相關(guān)性；Boudjada等[18]則利用軌道觀測數(shù)據(jù)分析了VLF觀測數(shù)據(jù)記錄到的地面發(fā)射信號特征。EFD載荷觀測至今已累積近4年正式觀測數(shù)據(jù)，但還未見到對EFD載荷全球數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)結(jié)果。

本文綜合了EFD載荷VLF頻段2019年全年觀測數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)集對赤道及附近區(qū)域電場背景分布及其季節(jié)變化特點(diǎn)展開分析，并將地磁赤道沿線更小區(qū)域的電場觀測數(shù)據(jù)與ZH-1衛(wèi)星原位電子密度觀測數(shù)據(jù)展開相關(guān)性分析。研究結(jié)果表明EFD載荷VLF電場功率譜觀測數(shù)據(jù)在全球較大尺度以及更小空間尺度上的數(shù)據(jù)結(jié)果都與電離層結(jié)果具有一致性。所得結(jié)果可以為后續(xù)其他利用EFD載荷觀測數(shù)據(jù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)與計(jì)算方法

1.1 衛(wèi)星、載荷及數(shù)據(jù)

ZH-1衛(wèi)星為太陽同步軌道衛(wèi)星，飛行高度507 km，軌道傾角97.4°，觀測范圍為地理緯度南北65°之間，升軌和降軌地方時(shí)（衛(wèi)星經(jīng)過地面某點(diǎn)的地方時(shí)）分別集中于02:00 LT和14:00 LT前后，軌道周期94 min，每天飛行約15圈，重訪周期5 d[12,13]。

根據(jù)中國地震局衛(wèi)星地震應(yīng)用中心官方發(fā)布的《電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)文件規(guī)范》，ZH-1衛(wèi)星坐標(biāo)系的定義：x方向?yàn)樾l(wèi)星飛行方向，z方向指向地心，y方向與x和z方向構(gòu)成右手系。衛(wèi)星沿觀測軌道飛行過程中，在赤道附近區(qū)域，衛(wèi)星飛行方向（x方向）大致沿南北方向，即經(jīng)向。所以這時(shí)衛(wèi)星坐標(biāo)系的y方向大致對應(yīng)東西方向，即緯向。衛(wèi)星坐標(biāo)系三軸關(guān)系如圖1所示，該圖引自中國地震局衛(wèi)星地震應(yīng)用中心《電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)文件規(guī)范》。

圖1 EFD載荷電場分量及與衛(wèi)星坐標(biāo)系關(guān)系（xSB，ySB，zSB箭頭方向表示衛(wèi)星坐標(biāo)系xyz軸的正值方向；A，B，C，D為EFD載荷4個(gè)球形探針的位置；CH1，CH2，CH3 表示實(shí)際使用的三個(gè)電場分量）Fig.1 Components of EFD payload and their relations with the satellite coordinate (The arrow directions of xSB，ySB，zSB indicate the positive direction of the satellite coordinate xyz; A, B, C,and D represent the position of the 4 sphere probes of the EFD payload; CH1, CH2, and CH3 are the three components of the payload)

ZH-1衛(wèi)星EFD載荷采用雙探針式空間電場探測，其探測原理是通過雙球形探針耦合獲得相對于其周圍空間等離子體電勢，兩者電勢差除以探針間距離便可得到連線方向電場信號。EFD載荷設(shè)有四根卷筒式伸桿，其位置如圖1所示，其中的A，B，C，D分別表示四個(gè)球形探針的位置，兩兩組合取差值，選取其中的三組（紅色虛線標(biāo)示）作為三分量電場觀測數(shù)據(jù)[19]，紅色虛線箭頭方向表示電場分量的正值方向。圖1中三條藍(lán)色線分別表示衛(wèi)星坐標(biāo)系的三個(gè)坐標(biāo)軸，箭頭方向表示該軸正值方向。

由圖1可知，電場三個(gè)分量（通道）的方向與衛(wèi)星坐標(biāo)系不同。對于電場時(shí)序觀測數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以將EFD載荷坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星坐標(biāo)系。但對于功率譜數(shù)據(jù)，即電場時(shí)序數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換（FFT）后得到的頻率和幅值數(shù)據(jù)，由于FFT計(jì)算過程在星上完成，進(jìn)行FFT變換時(shí)直接使用的是圖1所示3個(gè)通道方向的電場時(shí)序數(shù)據(jù)，而非轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星坐標(biāo)系的時(shí)序數(shù)據(jù)。

EFD 載荷設(shè)計(jì)有ULF，ELF，VLF和HF 4個(gè)探測頻段，工作模式分為巡查模式和詳查模式。巡查模式主要提供電場的功率譜數(shù)據(jù)，詳查模式（只在包含中國全境和全球兩個(gè)主要地震帶地區(qū)的特定區(qū)域啟用）可提供高采樣率波形數(shù)據(jù)和功率譜數(shù)據(jù)。各頻段不同工作模式產(chǎn)出的數(shù)據(jù)存在差異，在ULF頻段和ELF頻段，EFD以巡查模式沿整個(gè)軌道采集波形數(shù)據(jù)，也產(chǎn)出功率譜數(shù)據(jù)；在VLF頻段，EFD在巡查模式下產(chǎn)出功率譜數(shù)據(jù)，在詳查模式下同時(shí)產(chǎn)出波形和功率譜數(shù)據(jù)；在HF頻段，EFD只以巡查模式產(chǎn)出功率譜數(shù)據(jù)[14,19-21]。

ZH-1衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)數(shù)據(jù)分為0～4級，其中的2級數(shù)據(jù)是科學(xué)研究及加工的常用數(shù)據(jù)。具體到EFD載荷VLF頻段的2級數(shù)據(jù)，主要包含UTC絕對時(shí)間、地理經(jīng)緯度、地磁經(jīng)緯度、衛(wèi)星飛行高度、工作模式（詳查和巡查）、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣和衛(wèi)星狀態(tài)等屬性參量，以及三分量功率譜觀測數(shù)據(jù)、1024個(gè)頻點(diǎn)值等，其他頻段及類型的電場觀測數(shù)據(jù)介紹可以參考Gao等[14]的研究及《電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案》或其他相關(guān)數(shù)據(jù)** https://leos.ac.cn。

本文選用EFD載荷VLF頻段2級數(shù)據(jù)，該頻段產(chǎn)出功率譜觀測數(shù)據(jù)的頻率范圍為0～25 kHz。觀測數(shù)據(jù)中保留的1024個(gè)頻點(diǎn)依次為（0.000，24.414，48.828，···，24975.590），即頻點(diǎn)間等間隔，間距24.414 Hz。該頻段涵蓋了很多地面人工發(fā)射站的使用頻率范圍，是電場相關(guān)研究經(jīng)常使用的頻段數(shù)據(jù)[22-24]，例如前文述及的EFD載荷數(shù)據(jù)研究結(jié)果，都采用了VLF頻段的觀測數(shù)據(jù)[15-18]。

VLF頻段，常規(guī)產(chǎn)出為功率譜數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)僅在詳查模式下產(chǎn)出。本文為完成全球數(shù)據(jù)分析檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，使用VLF的功率譜觀測數(shù)據(jù)。前述功率譜數(shù)據(jù)由載荷通道方向的時(shí)序數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到，為方便后續(xù)分析，選取通道方向與衛(wèi)星坐標(biāo)軸最接近的方向。根據(jù)Zhang等[15]對EFD載荷坐標(biāo)系和衛(wèi)星坐標(biāo)系對比，圖1中CH3的方向與衛(wèi)星坐標(biāo)系的y方向（東西向）接近平行，所以僅使用CH3方向的功率譜數(shù)據(jù)展開后續(xù)的計(jì)算和分析工作。

1.2 研究區(qū)域選擇與參數(shù)計(jì)算

由于地磁場在地磁赤道附近僅有水平分量，沒有垂直分量，導(dǎo)致地磁赤道附近的電離層出現(xiàn)多種特殊的分布結(jié)構(gòu)，所以這個(gè)區(qū)域是電離層研究的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。另外，受限于電場功率譜數(shù)據(jù)的方向性，該數(shù)據(jù)僅在地理赤道附近才接近地理東西方向，與南北向的磁場方向聯(lián)合作用導(dǎo)致帶電粒子產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，便于對數(shù)據(jù)展開分析。因此，本文也將赤道及附近區(qū)域作為研究區(qū)域。

檢驗(yàn)電場觀測數(shù)據(jù)的主要研究思路：其一，從全球尺度而言，由于電離層等離子體受電磁場作用，在赤道附近會(huì)形成特殊的空間天氣現(xiàn)象并呈現(xiàn)隨季節(jié)演化的特性，EFD電場觀測數(shù)據(jù)背景呈現(xiàn)的特征如與之相符，可以證明電場數(shù)據(jù)相對變化的正確性；其二，在較小空間尺度上可以反映更為細(xì)節(jié)的特征，同一衛(wèi)星電場與電離層觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，可進(jìn)一步證實(shí)電場觀測數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)集的一致性。因此，擬從這兩個(gè)方面展開計(jì)算和分析檢驗(yàn)工作。

對于大尺度的比較和分析，為獲得VLF功率譜數(shù)據(jù)在地磁赤道附近的背景分布及季節(jié)變化，選取地理赤道南北兩側(cè)30°范圍的觀測數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)集[25]，采用以經(jīng)緯度劃分網(wǎng)格，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的逐月背景。網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法參考了Wang等[26]的背景計(jì)算方法，具體如下。

（1） 經(jīng)緯度網(wǎng)格參數(shù)，采用具有較高空間分辨率的2°×5°（緯度×經(jīng)度）。

（2） 時(shí)間窗長參數(shù)，以自然月為時(shí)間計(jì)算單位。

（3） 頻率參數(shù)，VLF頻段功率譜數(shù)據(jù)包含1024個(gè)頻點(diǎn)，本文關(guān)注電場的背景分布情況，為簡化計(jì)算，采用48.828 Hz頻率觀測數(shù)據(jù)。

（4） 背景計(jì)算采用網(wǎng)格內(nèi)一個(gè)月數(shù)據(jù)序列中1/4到3/4分位數(shù)之間的數(shù)據(jù)均值作為該窗口背景值。

相關(guān)背景計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[26]。由于計(jì)算背景的方法已消除比較大的數(shù)據(jù)波動(dòng)，而2019年是太陽活動(dòng)低年，地磁活動(dòng)事件很少，所以計(jì)算背景時(shí)沒有專門剔除地磁活動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)。研究采用了2019年全年數(shù)據(jù)，利用上述參數(shù)和計(jì)算方法，分別計(jì)算白天和夜間數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)每個(gè)網(wǎng)格的功率譜背景值，同時(shí)給出了對較小尺度下ZH-1衛(wèi)星電場和原位電子密度觀測數(shù)據(jù)相關(guān)性分析的計(jì)算方法與參數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 赤道附近電場空間分布及季節(jié)變化規(guī)律

EFD載荷VLF頻段功率譜觀測數(shù)據(jù)通道3（CH3）與衛(wèi)星坐標(biāo)系y軸最為接近，在赤道附近區(qū)域，衛(wèi)星坐標(biāo)系y軸對應(yīng)觀測位置所在地的東西方向。由于地磁場在地磁赤道附近只有水平分量，這時(shí)東西向電場對帶電粒子的動(dòng)力學(xué)過程起主要作用，因此這里僅使用圖1中CH3的數(shù)據(jù)，后文如無特別說明，提及的電場功率譜數(shù)據(jù)即指CH3觀測數(shù)據(jù)。

為分析研究區(qū)域電場功率譜的空間分布特征及隨季節(jié)的演化特性，繪制VLF功率譜數(shù)據(jù)的逐月背景分布，結(jié)果如圖2和圖3所示。其中圖2為白天觀測數(shù)據(jù)，圖3為夜間觀測數(shù)據(jù)。

圖2 2019年白天功率譜（PSD）逐月背景分布（黑色實(shí)線表示磁傾角為0的磁赤道，白色虛線為地理赤道）Fig.2 Monthly background distributions for daytime PSD measurements in 2019 (The black solid line indicates dip equator, and the white dashed line is the geographic equator)

圖3 2019年夜間功率譜（PSD）逐月背景分布（黑色實(shí)線表示磁傾角為0的磁赤道，白色虛線為地理赤道）Fig.3 Monthly background distributions for nighttime PSD measurements in 2019 (The black solid line indicates dip equator, and the white dashed line is the geographic equator)

分析圖2所示白天電場功率譜逐月背景分布的特點(diǎn)如下。

（1）白天近東西向電場背景的空間分布在赤道附近存在一個(gè)明顯的高值區(qū)。高值區(qū)沿地磁赤道分布，在地磁赤道兩側(cè)的空間延伸范圍隨季節(jié)變化；春秋季在地磁赤道兩側(cè)空間分布大致對稱；夏冬季空間分布向夏季半球延伸。電場背景的這種空間分布及季節(jié)變化特點(diǎn)與電離層EIA現(xiàn)象呈現(xiàn)的特點(diǎn)一致。

（2）地磁赤道附近電場背景空間分布隨經(jīng)度呈現(xiàn)明顯的波形結(jié)構(gòu)，而且波形的數(shù)量隨季節(jié)有變化，其中春秋季4波結(jié)構(gòu)比較明顯，夏冬季3波結(jié)構(gòu)更顯著。這種波形結(jié)構(gòu)分布及其季節(jié)演化特征與電離層EIA現(xiàn)象也一致。

（3）白天近東西向電場背景的數(shù)值變化也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)特征，春秋季電場背景值較大，夏冬季則背景值較小。整體表現(xiàn)為：春秋季峰值、秋冬季谷值；春季峰值大于秋季峰值，夏季谷值明顯小于冬季谷值。此外，電場背景的春秋季峰值還存在明顯的季節(jié)不對稱性，即秋季峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后。電場背景值的這種季節(jié)變化特性與EIA現(xiàn)象表現(xiàn)的季節(jié)特點(diǎn)也一致。

與白天近東西向電場背景相對比較簡單及比較規(guī)律的時(shí)空分布不同，圖3所示赤道附近夜間電場的背景分布更為復(fù)雜，可以歸納如下特征。

（1）夜間近東西向電場背景在赤道附近的空間分布也能看出存在高值區(qū)，但高值區(qū)邊界較白天電場背景的分布不甚明顯。夜間電場背景的分布也是沿地磁赤道分布，但夜間電場的分布較白天向地磁赤道兩側(cè)延伸的距離更遠(yuǎn)。夜間近東西向電場在地磁赤道兩側(cè)分布對稱性的季節(jié)變化特征規(guī)律不是很明顯，主要源于夜間電場背景值間差異較小，變化更顯復(fù)雜，規(guī)律性不強(qiáng)。

（2）夜間赤道附近近東西向電場背景沿經(jīng)度也呈現(xiàn)了高值、低值相間的分布，雖然不如白天數(shù)據(jù)明顯，仍能大致看出波形結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)，波數(shù)大致為3波或4波。夜間電場的波形結(jié)構(gòu)分布與之前對夜間電離層的波形結(jié)構(gòu)觀測結(jié)果一致。

（3）夜間近東西向電場背景值隨季節(jié)也呈現(xiàn)出較為明顯的變化規(guī)律，但與白天背景數(shù)據(jù)的季節(jié)規(guī)律大相徑庭，表現(xiàn)為明顯的夏冬季峰值、春秋季谷值的季節(jié)規(guī)律，而且夏季峰值大于冬季、秋季谷值大于春季。相較于白天電場背景春秋季峰值的季節(jié)不對稱性，夜間電場背景的夏冬季峰值也存在明顯的不對稱性，夏季峰值的持續(xù)時(shí)間明顯長于冬季峰值。

對白天和夜間近東西向電場背景分析的結(jié)果顯示，EFD載荷的電場觀測數(shù)據(jù)在空間分布和季節(jié)演化方面都表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，與EIA現(xiàn)象展現(xiàn)的特點(diǎn)相符。所以，電場觀測數(shù)據(jù)在全球空間尺度上和全年時(shí)間尺度上展現(xiàn)的特性可初步證明EFD載荷電場觀測數(shù)據(jù)相對變化的正確性。

2.2 電場與電子密度月背景相關(guān)性分析

通過綜上對近東西向電場背景在赤道附近區(qū)域的全球時(shí)空分布特征進(jìn)行的分析，確認(rèn)了在較大時(shí)空尺度上電場觀測數(shù)據(jù)相對變化的正確性。為進(jìn)一步分析電場觀測數(shù)據(jù)在更小空間尺度上與電離層觀測數(shù)據(jù)的一致性，選擇了ZH-1衛(wèi)星朗繆爾探針的原位電子密度觀測數(shù)據(jù)參與對比分析，朗繆爾探針載荷觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)過驗(yàn)證分析，有關(guān)朗繆爾探針載荷原位電子密度觀測數(shù)據(jù)的詳細(xì)介紹請參閱Wang等[12,26]的研究結(jié)果。

為給出更小空間尺度的特征，對比兩個(gè)觀測量的相關(guān)性，將研究范圍縮小到地磁赤道兩側(cè)5°區(qū)域內(nèi)。另外，考慮到電場與電離層隨經(jīng)度的變化特性，以地理經(jīng)度30°為間隔將地磁赤道附近區(qū)域分為12個(gè)小經(jīng)度區(qū)，分別計(jì)算每個(gè)經(jīng)度區(qū)地磁赤道南北5°區(qū)域內(nèi)電場和電子密度數(shù)據(jù)的逐月背景均值。需要說明的是，計(jì)算時(shí)采用的地磁坐標(biāo)為觀測數(shù)據(jù)中提供的偶極場地磁坐標(biāo)，與IGRF模型中的地磁坐標(biāo)有所不同。

由于電場功率譜觀測數(shù)據(jù)與電子密度觀測數(shù)據(jù)在數(shù)值上相差懸殊，為便于比較兩者，對兩組背景數(shù)據(jù)進(jìn)行了最大最小值歸一化處理。表1為白天和夜間兩組數(shù)據(jù)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。由不同經(jīng)度區(qū)相關(guān)系數(shù)的數(shù)值可見，除個(gè)別情況外，兩組數(shù)據(jù)間的相關(guān)性隨經(jīng)度區(qū)不同沒有大的差異。圖4和圖5為兩個(gè)載荷觀測數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，其中的實(shí)線為歸一化后的近東西向電場月均值時(shí)序曲線，虛線為歸一化后的電子密度月均值時(shí)序曲線，圖4為白天數(shù)據(jù)，圖5為夜間數(shù)據(jù)，每個(gè)子圖上方的數(shù)字表示所在地理經(jīng)度區(qū)，經(jīng)度范圍為（-180°，180°）。

表1 不同經(jīng)度區(qū)功率譜與電子密度觀測數(shù)據(jù)月背景相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficients of monthly background for PSD and electron density measurements in different longitude sectors

圖4 2019年白天功率譜（PSD）與電子密度觀測數(shù)據(jù)月背景變化趨勢對比Fig.4 Comparison of monthly background for daytime PSD and electron density measurements in 2019

圖5 2019 年夜間功率譜（PSD）與電子密度觀測數(shù)據(jù)月背景變化趨勢對比（黑色虛線橢圓表示與夜間整體情況存在差異的情況）Fig.5 Comparison of monthly background for nighttime PSD and electron density measurements in 2019(The black dashed ellipses indicate the situation that differs from the overall nighttime conditions)

分析表1中白天電場功率譜背景和電子密度背景的相關(guān)系數(shù)（rd）并對比圖4中兩者在各經(jīng)度區(qū)的變化趨勢，兩者在白天整體上表現(xiàn)出高度一致性。具體特征概括如下。

（1）與電場逐月背景分布呈現(xiàn)的春秋峰值的季節(jié)特點(diǎn)一致，春秋峰值的季節(jié)特性出現(xiàn)在地磁赤道附近的所有經(jīng)度區(qū)。與此對應(yīng)，電子密度背景也呈現(xiàn)了較為明顯的春秋季峰值的季節(jié)特征，即之前研究所謂的季節(jié)異常特征。

（2）兩個(gè)觀測量的春秋峰值在時(shí)間上也具有不對稱性，春季峰值大致對應(yīng)4月份，秋季峰值對應(yīng)10月份甚至延遲到11月份，春季峰值與春分點(diǎn)比較接近，而秋季峰值比秋分點(diǎn)延后時(shí)間更長。兩個(gè)觀測量出現(xiàn)季節(jié)峰值的時(shí)間基本同步。

（3）雖然兩者整體上呈現(xiàn)一致的趨勢變化，但在不同經(jīng)度區(qū)兩個(gè)觀測量的春秋峰值季節(jié)規(guī)律存在差異。兩個(gè)觀測量春秋季峰值在數(shù)值上也具有季節(jié)不對稱性，而且這種不對稱性隨經(jīng)度有所變化。部分經(jīng)度區(qū)為春季峰值大于秋季，部分經(jīng)度區(qū)為春秋季峰值相當(dāng)，還有部分區(qū)域?yàn)榍锛痉逯荡笥诖杭尽４呵锛痉逯禂?shù)值上的不對稱性隨經(jīng)度的演化在電場背景值中表現(xiàn)更為明顯，電子密度背景的不對稱性更多表現(xiàn)為春季峰值較大。兩者之間的差異，導(dǎo)致兩個(gè)觀測量在某些經(jīng)度區(qū)出現(xiàn)了結(jié)果不一致的時(shí)段，例如在90°—150°跨越的3個(gè)經(jīng)度區(qū)，電場背景春秋峰值相當(dāng)或秋季峰值大于春季，電子密度背景的春秋峰值都表現(xiàn)為春季峰值大于秋季。

總體而言，在地磁赤道附近，白天電場背景與電子密度背景基本同步變化，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)性，其之間較高的相關(guān)性表明兩個(gè)觀測量之間在較小空間尺度上具有一致性。由于地磁赤道在不同經(jīng)度區(qū)有較大差異，兩個(gè)觀測量間的相關(guān)性也隨經(jīng)度不同而有所差異，具體在討論部分對此進(jìn)行進(jìn)一步分析。

分析表1中夜間電場功率譜背景和電子密度背景的相關(guān)系數(shù)（rn）并對比圖5中兩者在各經(jīng)度區(qū)的變化趨勢，兩者在夜間大致呈反向變化，且兩者之間在多數(shù)經(jīng)度區(qū)的相關(guān)程度要高于白天。具體表現(xiàn)為如下特征。

（1）夜間電子密度背景的季節(jié)趨勢與白天的情況類似，多數(shù)經(jīng)度區(qū)仍然呈現(xiàn)出雙峰的季節(jié)特征，少數(shù)經(jīng)度區(qū)雙峰季節(jié)特征不明顯；而且峰值出現(xiàn)的季節(jié)月份更趨復(fù)雜，呈現(xiàn)峰值出現(xiàn)季節(jié)隨經(jīng)度變化的特征。與此相對應(yīng)的電場功率譜背景變化趨勢則完全不同，主要呈現(xiàn)出夏冬峰值的特征，某些區(qū)域冬季峰值不明顯。夏季峰值主要出現(xiàn)在7月，也有少數(shù)經(jīng)度區(qū)間出現(xiàn)在6月或8月，冬季峰值主要出現(xiàn)在1月和12月。

（2）電場的逐月背景變化趨勢與電子密度的變化趨勢反向變化，即兩者負(fù)相關(guān)。這種負(fù)相關(guān)性在不同經(jīng)度區(qū)也有所差異，在（-90°，180°）經(jīng)度區(qū)，兩個(gè)觀測量的負(fù)相關(guān)性極其明顯；而在（-180°，-90°）經(jīng)度區(qū)，電子密度背景規(guī)律性較差，對應(yīng)的電場規(guī)律性也不明顯，但兩者仍然一定程度上表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)特性，尤其在1月和12月，兩個(gè)觀測量的反向變化更為明顯。

總結(jié)夜間數(shù)據(jù)的趨勢變化特點(diǎn)，電場背景和電子密度背景大致呈負(fù)相關(guān)變化，這種負(fù)相關(guān)表明電場和電子密度觀測數(shù)據(jù)具有一致性。總體上夜間數(shù)據(jù)的相關(guān)程度要高于白天數(shù)據(jù)，在夏季、冬季等電場幅值較大季節(jié)的多數(shù)經(jīng)度區(qū)相關(guān)程度相對更高。

3 分析與討論

為檢驗(yàn)ZH-1衛(wèi)星EFD載荷電場觀測數(shù)據(jù)，綜合了2019年全年VLF頻段電場功率譜數(shù)據(jù)，得到了赤道附近近東西向電場背景的逐月分布及其變化特點(diǎn)。對于白天數(shù)據(jù)，電場背景無論在空間分布還是季節(jié)變化上都表現(xiàn)出極好的規(guī)律性，電場沿地磁赤道兩側(cè)呈現(xiàn)隨經(jīng)度變化的波形結(jié)構(gòu)分布，而且波形數(shù)隨季節(jié)變化有差異，大致呈3波、4波結(jié)構(gòu)；白天電場數(shù)據(jù)的季節(jié)變化呈現(xiàn)出明顯的春秋峰值的特點(diǎn)；與白天電子密度在赤道附近的背景趨勢比較，兩者呈現(xiàn)一致的變化趨勢，即兩者之間正相關(guān)。對于夜間數(shù)據(jù)，電場背景分布的規(guī)律性不如白天數(shù)據(jù)明顯，但仍能呈現(xiàn)隨經(jīng)度的波形結(jié)構(gòu)分布以及隨季節(jié)的波形結(jié)構(gòu)數(shù)變化；夜間電場背景的季節(jié)特點(diǎn)在多數(shù)經(jīng)度區(qū)呈現(xiàn)夏冬峰值的特點(diǎn)，與夜間電子密度逐月趨勢對比，兩者大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。兩個(gè)觀測量在全球尺度和較小空間尺度的計(jì)算分析結(jié)果均表明電場和電子密度觀測數(shù)據(jù)具有一致性。

3.1 研究數(shù)據(jù)的選取

EFD載荷的電場功率譜數(shù)據(jù)由所在通道（方向）的時(shí)序數(shù)據(jù)在星上展開FFT計(jì)算完成，轉(zhuǎn)換后的功率譜數(shù)據(jù)失去了矢量數(shù)據(jù)的部分屬性，只能反映原始數(shù)據(jù)采集方向上電場的相對幅度變化關(guān)系，具體方向信息比較模糊。由于電磁場對帶電粒子的作用與其之間的方向密切相關(guān)，因此，為更好地對功率譜數(shù)據(jù)展開分析，采用了CH3的產(chǎn)出數(shù)據(jù)。因?yàn)樵撏ǖ婪较蚺c衛(wèi)星坐標(biāo)系的y軸方向近似平行[15]，所以CH3的功率譜數(shù)據(jù)可以大致反映電場在衛(wèi)星坐標(biāo)系y方向的相對幅度變化關(guān)系。

根據(jù)衛(wèi)星飛行軌道，在赤道附近觀測時(shí)，軌道前進(jìn)（衛(wèi)星坐標(biāo)系x軸）方向大致沿地理南北方向，此時(shí)衛(wèi)星坐標(biāo)系的y軸方向大致對應(yīng)地理東西方向，即地理赤道延伸方向。但是圖2和圖3所示的地理赤道與地磁赤道關(guān)系表明，兩者實(shí)際上存在較大差異。由圖2和圖3可以看出，電場的空間分布明顯與地磁赤道密切相關(guān)，地磁赤道在不同地理經(jīng)度，相對于地理赤道的位置有較大差異；沿地磁赤道，雖然地磁場主要為水平分量，但由于磁偏角變化范圍較大，在磁偏角較大的經(jīng)度區(qū)，磁力線與地理南北方向偏離較大，其與衛(wèi)星坐標(biāo)系的y方向就會(huì)遠(yuǎn)離垂直關(guān)系，進(jìn)而會(huì)明顯影響近東西向電場（即CH3數(shù)據(jù)）對帶電粒子的作用，最終會(huì)影響電場與電離層觀測數(shù)據(jù)的關(guān)系，在后面分析中會(huì)有涉及。

3.2 電場與電離層相關(guān)性

3.2.1 白天數(shù)據(jù)

白天的近東西向電場功率譜與電子密度的月變化趨勢高度一致，即兩個(gè)觀測量間存在較高的正相關(guān)性。由于電離層電場是影響電離層帶電粒子運(yùn)動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)源。一般認(rèn)為，在赤道附近區(qū)域，電離層E區(qū)發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的電場會(huì)映射到衛(wèi)星飛行高度所處的電離層，白天電場整體上主要呈東向[2,27,28]，使帶電粒子整體產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)。白天赤道附近的EIA現(xiàn)象就是通過電場向上搬運(yùn)帶電粒子的噴泉效應(yīng)而形成。結(jié)果表明，赤道附近近東西向電場的時(shí)空分布與電離層背景的時(shí)空分布高度一致，與之前的研究是一致的。

根據(jù)以往的研究[29]，白天赤道附近電離層EIA現(xiàn)象沿地磁赤道呈現(xiàn)波形結(jié)構(gòu)分布，而且波數(shù)隨季節(jié)會(huì)有所變化；這些空間分布特點(diǎn)及其隨季節(jié)的變化特性在近東西向電場功率譜數(shù)據(jù)中都有所反映。這表明兩個(gè)觀測量之間雖然是基于不同觀測原理的分別測量，但測量結(jié)果之間具有高度一致性。

另外，對電離層觀測的很多研究結(jié)果也顯示電離層在赤道附近存在季節(jié)異常（SA）現(xiàn)象[30-33]；據(jù)Wang等[26]對ZH-1衛(wèi)星2019年原位電子密度觀測數(shù)據(jù)的背景分析結(jié)果也清晰顯示季節(jié)異常現(xiàn)象僅存在于赤道附近區(qū)域。電離層的季節(jié)異常現(xiàn)象及其出現(xiàn)的區(qū)域，與本文近東西向電場數(shù)據(jù)顯示的春秋季峰值及其在空間上的分布區(qū)域是一致的。進(jìn)一步表明了兩個(gè)觀測量之間在一些細(xì)節(jié)表現(xiàn)上也是一致的。

盡管白天電場和電子密度觀測數(shù)據(jù)間在整體趨勢、表現(xiàn)細(xì)節(jié)上具有較高一致性，但同時(shí)也應(yīng)注意圖4中，兩者之間在10，11月份存在明顯的不一致性。由于本文使用的電子密度觀測數(shù)據(jù)與電場數(shù)據(jù)來自同一衛(wèi)星，兩個(gè)觀測量具有相同的觀測高度和觀測地方時(shí)，來自外界對觀測環(huán)境的影響對兩者的影響相同。因此，對兩者的不一致性，這里盡量從兩個(gè)載荷數(shù)據(jù)間的差異來分析。

統(tǒng)計(jì)2019年10月和11月兩個(gè)觀測數(shù)據(jù)集之間所用數(shù)據(jù)的軌道數(shù)量，電場數(shù)據(jù)10月和11月軌道總數(shù)分別為294，386個(gè)，而根據(jù)Wang等[34]對電子密度數(shù)據(jù)可用軌道的統(tǒng)計(jì)，10月和11月分別僅有約260，200個(gè)，兩個(gè)觀測量之間所用軌道數(shù)據(jù)，尤其是11月軌道數(shù)據(jù)，存在較大差異，會(huì)影響兩個(gè)觀測量的背景值，從而導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果在這個(gè)季節(jié)產(chǎn)生較大差異。另外，由于地磁赤道與地理赤道存在較大差異，而且數(shù)據(jù)計(jì)算中使用的偶極場地磁赤道與IGRF模型的地磁赤道也存在差異，導(dǎo)致不同經(jīng)度區(qū)東西向電場在垂直磁力線方向的分量不同，對帶電粒子的作用力不同，進(jìn)而導(dǎo)致電場和電子密度之間產(chǎn)生差異。因此，參與計(jì)算的軌道數(shù)量以及地磁赤道位置差異可能共同造成圖4所示兩者之間的差異。

3.2.2 夜間數(shù)據(jù)

夜間電場功率譜數(shù)據(jù)與電離層背景的關(guān)系整體上呈現(xiàn)相反變化趨勢，即負(fù)相關(guān)，但變化相較于白天更加復(fù)雜；在某些經(jīng)度區(qū)，兩個(gè)觀測量之間的關(guān)系不甚明確，甚至在個(gè)別經(jīng)度區(qū)的部分季節(jié)，如圖5中以橢圓標(biāo)識的若干區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)與夜間的整體情況存在較大差異的情況。

兩者在很多經(jīng)度區(qū)都存在負(fù)相關(guān)性，這表明兩個(gè)觀測量整體上密切相關(guān)。如圖3所示，夜間電場功率譜數(shù)據(jù)在赤道附近的空間分布以及隨季節(jié)的變化，整體上也是呈波形結(jié)構(gòu)分布，而且波數(shù)也隨季節(jié)有所變化，雖然這種波形結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化特點(diǎn)沒有白天數(shù)據(jù)明顯，但是這種關(guān)系是存在的。而且這種波形結(jié)構(gòu)分布特點(diǎn)與夜間電離層數(shù)據(jù)的空間分布特點(diǎn)相似。之前的電離層研究也顯示，夜間電子密度同樣存在類似波形結(jié)構(gòu)的分布[29,35,36]，夜間電場背景分布與電離層觀測的背景分布結(jié)構(gòu)一致性表明夜間電場觀測數(shù)據(jù)的空間相對變化以及時(shí)間相對變化基本可靠。

電場與電離層背景季節(jié)變化趨勢的對比反映的是更為細(xì)節(jié)的特征，兩者總體上表現(xiàn)為反向變化，但在某些經(jīng)度區(qū)的趨勢不一致或者不明顯，需要進(jìn)一步分析。本文所使用的近東西向電場為地理東西向，而圖5顯示出電場和電離層關(guān)系不明確的經(jīng)度區(qū)主要在西半球，該區(qū)地磁赤道與地理赤道有較大差異，存在較大的偏東或偏西的磁偏角，導(dǎo)致（地理）東西向電場與磁場之間并非垂直關(guān)系，進(jìn)而影響電場、磁場對帶電粒子的作用力。另外，雖然夜間電場整體表現(xiàn)為西向，但太陽活動(dòng)低年，夜間電場的觀測值很小，極易發(fā)生波動(dòng)而反轉(zhuǎn)[28]。兩個(gè)因素聯(lián)合作用，會(huì)導(dǎo)致在西半球的一些經(jīng)度區(qū)，東西向電場和電離層的關(guān)系不明顯。事實(shí)上，根據(jù)Wang等[26]對夜間電子密度背景波動(dòng)與白天數(shù)據(jù)的比較，夜間數(shù)據(jù)波動(dòng)更大。所以，夜間電場數(shù)據(jù)波動(dòng)較大的現(xiàn)象與夜間電子密度數(shù)據(jù)表現(xiàn)的波動(dòng)大的情況是一致的。

赤道附近夜間電場主要為西向，西向電場導(dǎo)致帶電粒子夜間主要表現(xiàn)為向下運(yùn)動(dòng)[2,28]。更多的研究表明，夜間赤道區(qū)存在電離層擴(kuò)展（Equatorial Spread F，ESF）現(xiàn)象，也稱之為等離子氣泡（Plasma Bubble）、等離子耗空（Plasma Depletion）或不規(guī)則結(jié)構(gòu)（Plasma Irregularity）等。對ESF現(xiàn)象的相關(guān)研究顯示，ESF現(xiàn)象主要由電離層向上運(yùn)動(dòng)才得以形成[37-39]。但根據(jù)Wang等[34]對ZH-1衛(wèi)星2019年電離層數(shù)據(jù)的研究結(jié)果，夜間電離層在赤道附近存在大量不規(guī)則結(jié)構(gòu)，只有電離層向上的運(yùn)動(dòng)才能產(chǎn)生這些不規(guī)則結(jié)構(gòu)，這表明夜間存在電場反轉(zhuǎn)（reversal）現(xiàn)象，即電場雖然整體為西向，但存在局部為東向的情況。實(shí)際上夜間電場的局部反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在太陽活動(dòng)低年非常普遍。由前述太陽活動(dòng)低年時(shí)電場值較低，容易發(fā)生反轉(zhuǎn)，這種情況使得夜間電場的結(jié)構(gòu)和分布更趨復(fù)雜，對應(yīng)的夜間電離層的結(jié)構(gòu)和分布特性也很復(fù)雜。ZH-1衛(wèi)星夜間觀測時(shí)間在赤道附近的地方時(shí)在02:00 LT左右[12]，屬于午夜后，但仍發(fā)現(xiàn)在這個(gè)時(shí)段電離層觀測數(shù)據(jù)中存在大量不規(guī)則結(jié)構(gòu)，而且不規(guī)則結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化規(guī)律為夏冬峰值[34]，與電場觀測數(shù)據(jù)夏冬峰值的季節(jié)規(guī)律一致。這表明在夏冬季節(jié)，電場經(jīng)常存在反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致大量不規(guī)則結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。不規(guī)則結(jié)構(gòu)在電子密度觀測數(shù)據(jù)上表現(xiàn)的形式為數(shù)據(jù)的劇烈上下波動(dòng)，由于電場采用的是近東西向功率譜數(shù)據(jù)，僅能反映幅度相對變化大小，并不能反映具體方向，所以無論電場如何反轉(zhuǎn)，在幅值上都無法表現(xiàn)出來。在這種情況下，電離層背景的平均值由于數(shù)據(jù)波動(dòng)會(huì)被拉低，而電場功率譜數(shù)據(jù)，其平均值總體上不會(huì)被拉低，這會(huì)導(dǎo)致兩者出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系在某些情況下可能相關(guān)性不明顯。

4 結(jié)論

利用ZH-1衛(wèi)星EFD載荷 VLF 頻段2019全年的電場功率譜數(shù)據(jù)，對赤道及附近區(qū)域頂部電離層（衛(wèi)星飛行高度）近東西向電場月均值背景時(shí)空分布及季節(jié)演化特征進(jìn)行分析，并對更小空間尺度下電場與電子密度的關(guān)系進(jìn)行對比，可以得到如下結(jié)論。

（1）白天電場功率譜背景在赤道附近的分布形態(tài)與電離層在這個(gè)區(qū)域的EIA分布形態(tài)類似，隨地理經(jīng)度呈現(xiàn)波形結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)，波數(shù)隨季節(jié)有所變化，主要以3波、4波為主。白天電場背景在赤道附近呈現(xiàn)春秋峰值的季節(jié)變化規(guī)律，與赤道附近電離層背景呈現(xiàn)的季節(jié)異常現(xiàn)象一致。所以白天近東西向電場的空間分布和季節(jié)變化與白天電離層觀測數(shù)據(jù)具有高度一致的變化，兩者之間具有正相關(guān)性。

（2）夜間電場功率譜背景在赤道附近的時(shí)空分布特性沒有白天數(shù)據(jù)明顯，但仍可呈現(xiàn)波形結(jié)構(gòu)的分布，以及波形隨季節(jié)變化的大致規(guī)律。赤道附近，近東西向功率譜背景與電離層背景整體呈現(xiàn)反向變化的特點(diǎn)，即兩者之間存在負(fù)相關(guān)性。夜間電場背景更多呈現(xiàn)了夏冬峰值的季節(jié)特性，與電離層觀測中不規(guī)則結(jié)構(gòu)夏冬峰值的季節(jié)特性一致，反映了兩者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

EFD載荷是ZH-1衛(wèi)星產(chǎn)出觀測數(shù)據(jù)種類最為豐富、觀測數(shù)據(jù)量最大的載荷之一，觀測至今已累積海量觀測數(shù)據(jù)，但對該載荷觀測數(shù)據(jù)的研究和應(yīng)用還非常有限。本文利用該載荷VLF頻段功率譜數(shù)據(jù)的分析以及與電離層觀測數(shù)據(jù)的比較結(jié)果都表明VLF頻段觀測數(shù)據(jù)基本可靠，可以服務(wù)于更多的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。后續(xù)將繼續(xù)利用該數(shù)據(jù)集展開更多電場數(shù)據(jù)的分析與研究。

致謝本工作使用了中國國家航天局和中國地震局支持的張衡一號觀測數(shù)據(jù)。本文研究數(shù)據(jù)從https://leos.ac.cn下載獲取。