ZH-1卫星观测的VLF人工源信号特征分析与全波模拟

中国地震电磁监测试验卫星张衡一号(ZH-1)已于2018年2月2日成功发射,正在开展卫星数据在轨测试,并对卫星数据质量进行判定.本文对ZH-1卫星2018年5月至6月夜侧的VLF频段电场功率谱数据进行了分析.通过分析位于不同L值、具有不同发射频率的多个VLF人工源上空的卫星重访轨道观测数据,发现ZH-1卫星记录的人工源信号电场变化标准差与DEMETER卫星记录电场变化标准差几乎一致,说明ZH-1卫星观测数据具有较好的稳定性.通过重访轨道均值与全波模型计算结果对比,发现两者在数值上较为接近,在形态上较为一致,说明ZH-1卫星VLF频段电场功率谱数据具有一定的可靠性.此外,研究了VLF人工源上空及共轭区的电场分布特征和电波传播规律,并与DEMETER卫星的结果进行了对比,结果表明VLF人工源产生的电磁辐射穿透电离层后以导管或者非导管的哨声波模向共轭区传播,因为传播过程中的朗道阻尼,共轭区的电场能量比辐射源顶空更小.VLF人工源位于L<1.5时,电磁波传播更容易发生非导管传播,VLF人工源信号导管传播模式在共轭区的电场响应相对于共轭点会发生一定程度北向偏移.

基于ZH-1卫星探测的太阳活动低年顶部电离层不规则结构的时空特征

利用ZH-1卫星2019、2020年的原位电子密度观测数据,对卫星观测范围,即地理纬度南北65°之间午夜后顶部电离层的不规则结构进行研究,得到如下结果.(1)午夜后顶部电离层不规则结构集中区主要分布在地磁赤道、中纬度以及较高纬度区,白天赤道异常峰值区为不规则结构的谷值区.(2)不同纬度区不规则结构随地理经度分布呈现出明显的空间演化规律,由南北半球较高纬度区不规则结构集中在各自地磁极所在经度区的2波结构分布,到南北2个半球中纬区相位和数量相反变化的2波结构分布,逐渐过渡到赤道区的4波结构分布.(3)不同纬度区不规则结构的季节变化在较高纬度区为当地夏季峰值,到中纬区夏季峰值的持续时间明显缩短,逐渐过渡到赤道区夏冬两个峰值、春秋两个谷值的季节变化规律.(4)除季节规律与以往研究结果有较大差异外,赤道附近大西洋区不规则结构较少,与以往研究中该区事件较多的结果也大相径庭.赤道区不规则结构沿地理经度分布表现为东太平洋、非洲区事件比较集中而亚洲、大西洋经度区事件较少的4波结构,与夜间电离层背景的4波结构分布一致.(5)北大西洋在地磁中纬区有一个事件集中区,该区与南大西洋异常区(SAA)共轭,事件集中可能与SAA区的离子沉降有关;这个区域的事件大都发生在北半球夏季,与赤道处大西洋区事件较少形成对比.本文得到一些不同于以往的研究结果,有助于我们对电离层更深入的认识.由于所得结果为太阳活动低年午夜后的电离层不规则结构的时空分布,与以往研究不一致之处,既有地方时差异的原因,也有太阳活动水平差异的原因,其中仍有一些问题尚未得到解决,期望在ZH-1卫星积累更多观测数据后对这些问题进行更深入的研究.

ZH-1卫星LAP数据校正及与Swarm B数据差异分析

针对ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)原位电子密度观测数据远小于其他系统观测数据的问题,本文利用COSMIC及COSMIC 2在中纬度地区的掩星数据,得到对LAP数据的校正关系,并进一步利用与ZH-1具有相似飞行高度的Swarm B卫星全球等离子观测数据对校正后的LAP数据进行检验,以评估校正结果的准确性和可靠性.检验结果认为:(1)校正后的LAP数据与Swarm B数据基本一致,两者在中纬度地区符合较好,在赤道地区仍有明显偏差.(2)这一偏差与观测数据值的大小有关,在较小观测值时两者符合较好,较大观测值时差异变大,可能与两个卫星载荷的不同动态响应特性有关.(3)经过线性校正的LAP数据不会改变相对变化关系,但拓展了数据的应用场合.

ZH-1卫星得到的中国及邻区顶部电离层背景特征

利用ZH-1(CSES)卫星LAP载荷原位电子密度数据对中国及邻区(0°—54°N,70°—140°E)的顶部电离层背景分布及随季节变化进行了详细分析,研究结果显示:(1)研究区赤道异常的纬度延伸范围、随经度分布形态及它们的季节变化,具有与其他研究结果一致的规律性.(2)中纬度区,白天电子密度存在一个低值带,夜间电子密度呈现高值带.昼夜对比结果显示夜间电子密度升高现象在研究区中纬以上所有季节都存在,但在向低纬延伸时与赤道异常现象呈互补分布,此强彼弱,反之亦然.(3)白天观测的电子密度,半年异常表现为随纬度升高,两峰值出现时间由春秋季向夏季演变,最终过渡到中纬只有夏季峰值的年变形态;季节异常仅在赤道附近4°范围内出现.夜间观测的电子密度,北纬22°以上、50°以下出现半年异常,22°以下出现季节异常.(4)月均值背景总体上表现为夜间电子密度较白天相对波动更剧烈;其中白天电子密度,分季、夏季较冬季波动更剧烈,赤道异常区较中纬区波动更剧烈;夜间电子密度,在所有时、空上波动水平大致相当.(5)研究区电离层背景时空变化特征较为复杂,数据波动亦随时空有变化,对电离层相关科学问题的研究需关注数据背景的分析.综合这些结果及与其他同期观测数据的比较结果,我们认为ZH-1卫星原位电子密度观测数据的相对变化与其他数据集一致.同时,研究区背景数据也呈现了以往研究中未被发现的特征.ZH-1卫星观测数据具有一致的地方时和观测地点,为电离层相关科学问题的系统性研究提供了一个很好的数据集.

基于DBSCAN聚类算法的卫星数据分区异常检测

随着我国第一颗电磁监测卫星的发射,卫星探测的海量数据不断涌现,探究空间载荷数据变化特征已成为当前研究热点。为了对张衡一号卫星LAP载荷数据进行异常检测,该文将处理后的数据按地理纬度划分为南纬50°到南纬20°,南纬20°到北纬20°,北纬20°到北纬50°三个区域,依次采用DBSCAN密度聚类算法进行聚类异常检测。结果表明,该方法可用于对LAP数据的异常检测。DBSCAN密度聚类算法可用于检测卫星异常数据,为检测卫星探测数据异常、研究空间数据变化特征提供思路参考。

基于张衡一号卫星监测的2021年青海玛多7.4级地震前电离层效应

本次研究围绕张衡一号(ZH-1)卫星监测到的2021年青海玛多Ms7.4地震前的电离层效应,采用上下四分位距法和小波变换法处理ZH-1卫星朗缪尔探针(LAP)探测到的电子密度N。和等离子体分析仪(PAP)探测到的离子密度N:(He+和O+)数据,经分析发现Ne、He+密度和0+密度在震前7天(2021年5月14日)和5天(2021年5月16日)出现同步异常。在此基础上,基于地球物理异常多项证据,分析认为2021年玛多Ms7.4地震孕育过程包括应力扩张早期、应力扩张晚期和临震加速期,该地震可能通过岩石圈一大气圈一电离层耦合模型的声重波、电磁波通道影响了电离层。