基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征.pdf

第3 7 卷第3 期2023年9月文章编号：10 0 1-8 9 56(2 0 2 3)0 3-0 2 4 7-0 9内陆地震INLANDEARTHQUAKE中图分类号：P315.9Vol.37No.3Sept.2023文献标识码：A基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征雷晴，赵彬彬，卓瑞祺，刘代芹（新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐8 3 0 0 11）摘要：采用张衡一号电磁卫星朗缪尔探针（LangmuirProbe,LAP）载荷原位电子密度对夏季磁静日时段新疆区域（3 0 55N，7 0 10 0 E）的顶部电离层N。进行分析。通过分析日侧和夜侧的数据变化曲线：4 0 55N范围内N。数据变化平稳，日侧N。值平均高于夜侧N。值的2 倍,其中夜侧N。值稳定在0.510 1cm=31.0101cm3,日侧N。稳定在1.0 10 cm=31.5101c m=3;而3 0 40N范围上N。数据波动较大。根据地方时特征分析结果表明：无论是夜侧还是日侧，随着纬度的降低N。值逐渐增大,N。值最大达到5.2 510 cm=3。研究区域范围内N。日侧、夜侧在不同纬度、不同地方时具有显著不同的特征形态。关键词：“张衡一号”电磁卫星；朗缪尔探针；磁静日；电子密度；日变特征doi:10.16256/j.issn.1001-8956.2023.03.005近年来,利用卫星技术观测地震前后的电离层异常变化被认为是研究地震电磁异常的有效途径之一。2 0 18 年2 月2 日“张衡一号”电磁监测试验卫星（China Seismo-ElectromagneticSatellite，简称CSES）成功人轨。该卫星是中国地球物理场探测的首发卫星，主要用于监测与地震有关的空间电磁场及电离层等离子体变化的信息特征，可为中国地球物理场探测提供重要的数据支持。张衡一号卫星轨道高度约50 0 km，在轨道倾角97 的圆极化轨道运行，观测范围为南北纬6 5以内，重访周期为5天,其搭载8 种载荷包括感应式磁力仪、高精度磁强计、电场探测仪、GNSS掩星接收机、等离子体分析仪、高能粒子探测器、朗缪尔探针和三频信标发射机1-8 。“张衡一号 卫星可观测多种物理参量，将空间电离层背景场时空特性研究和地震电离层耦合机理的深人探讨推向了新的阶段。采用卫星技术观测地震电离层异常现象是地震学的一个新阶段。通过分析研究强震前后的电离层观测数据，已发现震中上空附近存在电离层震前扰动现象，揭示了地震电离层耦合机理 ,其过程具有复杂性和多样性。同样，磁暴效应和地震效应均能够引起空间电离层中成分的变化,这就需参考太阳活动性进一步区分和判定。中国有多个国家和地区开展地震电离层前兆研究。研究表明,由地震活动引起的电离层变化确实存在。杨超等基于张衡一号电磁卫星感应式磁力的磁场分量对2 0 18 年9月2 8 日印尼M,7.4地震进行震前异常研究，得出震收稿日期：2 0 2 3-0 2-13；修回日期：2 0 2 3-0 6-19.课题项目：新疆维吾尔自治区重点研发专项（2 0 2 0 B03006-2）：中科院战略性先导科技专项（XDB18020201）：作者简介：雷晴（198 6），女，硕士，高级工程师，主要从事地震监测数据分析研究和地球物理台网运行管理工作E-mail:248前几天至一周左右出现电磁异常现象10-；杨牧萍等利用张衡一号电场探测仪的功率谱密度数据，发现2 0 2 0 年唐山古冶M.5.1地震的扰动频段和2 0 19年松原M.5.1地震的优势频段，得出地震前后的空间异常及扰动频段12 ；王秀英等基于张衡一号电磁卫星初步总结了中国及其领区顶部电离层背景规律特征13-14 ;刘大鹏等对等离子体分析仪的原位观测、地基 NWC 站大功率VLF人工源辐射引起的电离层加热扰动现象进行总结分析，验证了张衡一号卫星的探测分辨能力15 刘静等采用CPS的空间TEC数据开展中国大陆M,6.0地震电离层扰动的监测和研究，并关注空间变化16 。地震电磁卫星在空间电离层进行监测的过程中,若要提取出地震电离层耦合机理所产生的地震异常现象，需在空间电离层正常时空变化背景基础上进一步判定,从而提取地震异常信号的起止时间、变化形态、幅度等异常参数，以发挥张衡一号卫星在地震预报上的最大实效。新疆境内地震活动水平位居全国之首。新疆地处印度板块与欧亚板块间的挤压区，印度板块向北挤压欧亚板块，北向压缩使得青藏高原内部产生南北向的缩短和东西向的拉张，这些板块间的相互运动造成了新疆地区地震频发17 。2 0 18 2 0 2 1 年在新疆及边界区域（3 0 55N，7 0 10 0 E)共发生1次M7.07.9地震，6 次M.6.06.9地震,55次Ms5.05.9地震。在地震监测中,通常采用地面部署的地球物理场观测手段以组网的形式监测地震，而利用空间电磁卫星开展地震监测预报工作为数不多。张衡一号电磁卫星的成功运行，为各地震多发区域研究上空电磁异常变化提供了科学研究平台。本文基于张衡一号电磁卫星朗缪尔探针（Langmuir Probe）观测数据,开展区域空间电离层空间背景相关研究，该研究能够对新疆区域空间背景资料进行补充和总结，为开展地震异常识别提供判定依据，分析研究50 0 km轨道高度电离层电子密度（N。）的变化特征，为进一步认识新疆区域顶部电离层的背景时空分布及变化规律提供基础资料。1实验数据1.1良朗缪尔探针载荷数据张衡一号卫星轨道在约50 0 km的高度运行,这对于电离层F2层峰值高度以上的顶部电离层提供了重要的原位电子密度观测数据。电子密度是表征电离层变化的重要参数，在空间电离层背景研究中电子密度数据为其提供了必要的验证信息。由于地理轴与黄道面法线及地磁轴均不一致,以及陆地、海面、山脉等地形的不均匀分布对大气环流的影响等因素,所以电子密度在经度方向存在地方时效应,同时也存在局部世界时效应18 。张衡一号电磁卫星朗缪尔探针原位电子观测数据包括电子密度、离子密度、悬浮电位、等离子体电位等参数。本文使用朗缪尔探针载荷的2 级N。观测数据，在地理坐标系下包含时间、地理经纬度、地磁经纬度等信息，观测范围为510 110cm-3。实验选取分布在新疆区域（3 0 55N,70100E）上空卫星轨道上2 0 2 1年6 月N。数据进行分析研究。1.2地磁活动性及研究区域电离层N。数据通过D,指数排除地磁活动的影响分析2 0 2 1年度地磁活动性参数19-2 1。D,指数参考日本京都世界地磁数据中心发布的数据,2 0 2 1年度D，指数变化曲线如图1所示。选取2 0 2 1年6内陆地震37卷3期月1日至3 0 日的地磁平静日分析时段，此时段内D指数分布在0 nT左右，D,指数变化曲线如图2 所示。同时参考美国地质调查局（https:/earthquake.usgs.gov）全球地震目录，此时段内研究区域及周边未发生Ms6.0地震,排除了M.6.0强震对电离层可能造成的扰动。根据地磁活动性Ds,指数及全球地震目录,排除了地磁活动干扰时段以及全球出现Ms6.0强震前后时段，本文采用2 0 2 1年6 月1日至3 0 日的电磁卫星N。观测数据资料，作为新疆区域上空夏季磁静日空间电离层的研究数据。夏季磁静日2 0 2 1年6 月1日至3 0 日所有轨道上的N。数据变化曲线如图2 所示。(a)6040200D-20-40-60-80-100-120050100150200250300350400t/d图12 0 2 1年度(a)及2 0 2 1年6 月(b)D,指数变化曲线Fig.1 Data graph of Ds,index in 2021(a)and in June 2021(b)2空间数据的变化特征雷晴等：基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征25t/d55厂249(b)403020100-10-20-30-400510152030502.1空间分布特征张衡一号电磁卫星为准太阳同步轨道卫星，受卫星轨道所限，研究时段中有些时段没有轨道运行在研究区域。由于卫星轨道观测数据既有白天也有夜晚的观测数据，同时，研究区域中包含中低纬度的空间分布及日变特征。因此，本文将空间N。数据分为夜侧和日侧两部分数据,可用于电子密度的空间分布研究。在整个研究区域,不考虑经度对N。数据的影响，仅分析研究N。数据在不同纬度的变化情况。2 0 2 1年6 月夏季静磁日时段的N。数据变化曲线如图3 所示。实验结果显示：N。经过时段区分，提取出来了研究区域内夏季的日侧数据变化曲线和夜侧变化曲线。夜侧与日侧数据曲线形态相差较大；无论是日侧还是夜侧时段,纬度越高N。变化幅度越小,具有一定的收敛性。结果表明研究区域3 0 55N范围内N。具有一定的空间分布特征，不同纬度呈现出了不同的空间分布特点。/转454035300Fig.2 N。e l e c t r o n d e n s i t y d a t a c h a n g e c u r v e i n Ju n e 2 0 2 11图2 2 0 2 1年6 月N。数据变化曲线2N,/101cm-3345625004540353002.2地方时特征张衡一号卫星具有较好的地方时轨道特征，升轨是地方时凌晨0 2 时；降轨是地方时14时。对卫星所经区域各轨道的N。数据按时间进行调整，将所有数据进行世界时到北京时间的调整,研究空间电子观测的地方时特性。通过地方时N。变化情况，可以了解区域上空不同时段上的空间背景。本文对调整到地方时的N。数据进行分析，可以得到每1小时为一组的不同地方时分类数据。受卫星的特定轨道所限，在该时段内总有些时间没有轨道飞过研究区域上空。经过时间调整后发现降轨时下午14时卫星并未经过研究区域，因此从降轨15时开始进行日侧数据分析。本文对不同地方时的N。数据进行插值平滑处理,来表征不同地方时时段内N。的离散变化特征,研究区域内夜侧02时、0 3 时、0 4 时观测数据及其插值平滑处理后的变化曲线图如图4 所示。日侧15时、16时、17 时观测数据及其插值平滑处理后的变化曲线图如图5所示。在研究区域范围内,通过分析的结果可得：0 2 时低于4 0 N地区的N。数据大多不在研究区域内，故没有显示。图件上显示,0 2 时变化特征在4 0 N左右上有一个数值变化的平稳增大期；4 0 N以上纬度N。值从0.7 510 cm-变化到1.510 cm3，变化幅度达到2 倍；4 0 N以下纬度N。值从1.510 cm3变化到3.510 1cm3，变化幅度达到2.3 倍；0 3 时3 0 N55N范围内均分布了N。数据，随着纬度的降低N。值逐渐增大，仍然在4 0 N左右N。值有明显的区分。55N40N的纬度范围内，N。值从0.510 cm3变化到110 1cm，变化幅度达到2 倍；4 0 N30N的纬度范围内，N。值从110 1cm变化到3.7 510 1cm3,变化幅度达到3.7 5倍;0 4 时的变化曲线特征与0 3 时类似,N。值随纬度的变化和变化幅度相同；仅在40N3 0 N的纬度范围上N。值的变化振幅较大，波动曲线表现的更为剧烈；15时高于50 N地区的N。数据不在研究区域内，没有显示。50 N3 0 N的纬度范围内，随着纬度的降低N。值逐渐增大，数据有较为明显的波动现象；N。值从0.7 510 cm3变化到3 10 cm3,变化幅度达到4 倍;16 时3 0 N55N范围内均充满N。数据，波动变化较15时有所减小；N。值从内陆地震(a)555037卷(b)55504540353012N./1010cm-3（a）升轨夜侧数据变化曲线（b）降轨日侧数据变化曲线Fig.3Change curve of Ne electron density data3图3 N。数据变化曲线4012N,/1010 cm-33453期0.75101cm变化到5.2 510 1cm3,变化幅度达到了7 倍;17 时N。的波动现象继续减小，有比较明显的收敛趋势，N。值从0.7 510 1cm3变化到4 10 1cm3,变化幅度达到5.3倍。5550。/转非4540353000.51.01.5 2.02.53.03.54.0(c)5550。/转非4540353000.5 1.01.5 2.02.53.03.54.055(e)5045。/转40353000.51.01.52.02.53.0N./1010 cm-3图4 地方时0 2 时至0 4 时N。数据变化曲线图（a）地方时0 2 时N。数据变化曲线（b）地方时0 2 时插值平滑后的变化曲线（c）地方时0 3 时N。数据变化曲线（d）地方时0 3 时插值平滑后的变化曲线（e）地方时0 4 时Ne数据变化曲线（f）地方时0 4 时插值平滑后的变化曲线Fig.4N。d a t a v a r i a t i o n c u r v e f r o m 0 2:0 0 t o 0 4 :0 0 i n l o c a l t i m e通过地方时分析可得：研究区域范围内地方时0 2 时和15时有部分N。数据未显示；研究区域范围内各地方时段N。值均随着纬度的降低具有逐渐增大的特征；夜侧N。值表现出以40N为分界，在4 0 N的上下纬度范围内数据表现出了不同幅度的变化特征，具体表现为40N以上N。值变幅达到2 倍，4 0 N以下N。值变幅最大达到3.7 5倍；日侧N。值变化没有明雷晴等：基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征(a)M353000.51.01.52.02.53.0 3.54.0(d)55504540353000.51.0 1.52.02.53.03.54.055(f)50。/转非454035303.54.0251(b)5550。/转？454000.51.01.52.02.53.03.54.0N./101 cm-3252显纬度上的差异，但随纬度的降低N。值最大变幅可达到7 倍,其具有N。值逐渐增大的日变化特征。5550。/转4540353000.5 1.01.52.02.5 3.0 3.555(c)50内陆地震(a)5550。/4540353000.51.01.52.0 2.53.03.555(d)5037卷(b)W4535300 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.055504540353000.51.01.52.02.5 3.03.54.04.5N,/1010cm-3图5地方时15时至17 时N。数据变化曲线图（a）地方时15时N。数据变化曲线（b）地方时15时插值平滑后的变化曲线（c）地方时16 时N。数据变化曲线（d）地方时16 时插值平滑后的变化曲线（e）地方时17 时N。数据变化曲线（f）地方时17 时插值平滑后的变化曲线Fig.5N。d a t a v a r i a t i o n c u r v e f r o m 15:0 0 t o 17:0 0 i n l o c a l t i m e2.3纬度变化特征在研究区域范围内包括了空间不同纬度上的N。，故本文将空间电子数据分布在3 个纬度的观测值按小时划分。将研究区域上3 0 N、4 0 N和50 N的N。取平均值，得到不同时段平均时均值曲线，分析N。在不同纬度上的变化情况，不同纬度的N。值时均值曲线如图6 所示。通过N。在不同纬度的时均值曲线结果可得：不同纬度上N。具有不同的变化特征。4 0 N4540353000.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5(e)55504540353000.51.01.52.02.53.03.54.04.5N./1010 cm-3(f)3期和50 N上0 2 时 0 4 时、15时16 时N。数据曲线变化形态类似，并随着时间的推移N。值逐渐增大；而3 0 N上0 2 时 0 4 时和15时 16 时N。数据曲线变化形态表现相反。不同纬度上各地方时的N。时均值结果,如表1所示。比较不同纬度日侧和夜侧3 小时内N。均值变化可得：3 0 N上日侧和夜侧N。均值变化幅度最大，超过另外两个纬度的变幅。通过比较不同纬度上的变化幅度，结果表明：3 0 N夜侧的N。均值从1.8 510 1cm-3变化到1.98101cm3,变化幅度的平均差值约为0.14 10 cm3；日侧N。均值从 1.8 1 10 1cm 变化到 1.98 10 10cm3,变化幅度的平均差值约为0.1710cm。4 0 N和50 N日侧和夜侧的N。均值缓慢增大,变化平缓,产生变化幅度差值均小于0.0 910 10cm-3-3表1不同纬度各地方时N。均值数据结果地方时(时：分）02:0003:0004:0015:0016:0017:00雷晴等：基于张衡一号电磁卫星的夏季磁静日新疆区域上空电离层电子密度变化特征182022时刻图6 不同纬度的N。时均值曲线Fig.6Time mean curve of N。e l e c t r o n d e n s i t yat different latitudes通过不同纬度的N。时均值数据曲线形态表明：在4 0 N和50 N两个纬度上，夜侧N。均Ne值变幅明显高于日侧，日侧则变化平缓；3 0 N/1010 cm-3纬度上夜侧和日侧变化幅度相当。N。值在不301.85401.17500.74301.83401.16500.72301.98401.26500.81301.81401.32501.06301.97401.35501.10301.98401.37501.152532.01.81.61.41.21.00.80.60020406 0810121416同的纬度呈现出了不同的变化特征。3结论与讨论本文采用2 0 2 1年6 月夏季磁静日时段电磁卫星朗缪尔探针观测数据，对新疆区域上空电离层N。的变化进行特征分析。通过分析找出在日侧、夜侧、不同纬度、不同地方时时段的N。变化规律,取得结论如下：（1）根据卫星轨道运行情况，首先将新疆区域上空N。划分为夜侧和日侧进行分析研究。N。在日侧和夜侧的数据变化曲线相差较大,表现出了不同的空间分布形态。因此,在研究地震监测空间背景资料的认知上，就需考虑N。更为细致的时间划分，以增加研究结果的可信度。30N40N：50N254（2）新疆区域上空不同纬度上N。电子浓度变化形态有显著的差异，纬度越高N。电子浓度变化幅度越小。具体表现为：4 0 50 N日侧和夜侧的N。数据值较为平稳，变幅均较小；3040N的N。电子数据变化明显且变幅较大。（3）新疆区域上空N。有明显的日变特征。夜侧0 2 时至0 5时,N。值以4 0 N的纬度为分界纬度表现出了不同的变幅特征;随纬度的降低,4 0 N以上纬度N。值以2 倍增加;4 0 N以下纬度N。值以2.3 3.7 5倍增加；日侧16 时至18 时，无明显的纬度分界，随纬度的降低N。值以4 7 倍增加;随纬度的降低,N。值日侧变化幅度显著大于夜侧变化幅度。在不同地方时，N。值数据曲线显示出了不同的日变特征。从本文研究情况来看，研究区域上空N。数据曲线不仅具有一定的纬度特征和地方时特征,也表现出了空间变化的复杂性。因此,在采用空间电子浓度进行地震异常分析研判时，必须针对N。进行不同时间和不同纬度的划分,结合空间电子变化特征进行区别对待，这些都是判定和定量提取地震异常信息的相关依据和条件。若研究区域有更大的范围,通过更多空间观测数据在更为宽广的纬度上进行分析研究,经过时域细致的划分，能够建立更为可靠的区域背景场。参考文献：1】泽仁志玛,刘大鹏，孙晓英，等.张衡一号电磁卫星在轨情况及主要的科学成果J.地球与行星物理论评（中英文），2023,54(4):455-465.2鲁恒新，申旭辉，赵庶凡，等.张衡一号卫星三频信标载荷典型事件观测J.电波科学学报，2 0 2 2,3 7（3）：4 2 6-4 3 3.3 杨旭明,李忠，李锦文，等.基于张衡一号卫星HBase数据库的入库方法研究J.智能计算机与应用,2 0 2 2,12（2）：54-57,63.4高鹏，王秀英，杨德贺，等.“张衡一号”卫星电场数据存储实验J.地球物理学进展，2 0 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s s t e a d i l y w i t h i n t h e r a n g e o f 4 0 N t o 55N,a n d t h e d a i l y N。v a l u e i s o n a v e r a g e t w i c ehigher than the night side N。v a l u e.T h e n i g h t s i d e i s s t a b l e i n t h e r a n g e o f 0.5 10 c m-3 1.0 101 cm,and the dy side stable n the range f 1.0 10 em3 1.5 101 cm*.However,the data of Ne electron density in the region of 30N 40N fluctuates greatly.According to the a-nalysis of local time characteristics,the N value gradually increases with the decrease of latitude,whether on the night side or the day side.N。v a l u e r e a c h e s ma x i mu m 5.2 5 10 1 c m-3.T h e d i u r n a land nocturnal sides of N,electron density in the study area have significantly different characteristicsin different latitudes and different places.Key words:Zhang Heng-1 satellite;Langmuir Probe;Magnetically quiet days;Electron density;Daily variation characteristics