雷晴 赵彬彬 卓瑞祺 刘代芹

摘要：采用张衡一号电磁卫星朗缪尔探针（Langmuir Probe，LAP）载荷原位电子密度对夏季磁静日时段新疆区域（30°～55°N， 70°～100°E）的顶部电离层N_e进行分析。通过分析日侧和夜侧的数据变化曲线：40°～55°N范围内N_e数据变化平稳，日侧N_e值平均高于夜侧N_e值的2倍，其中夜侧N_e值稳定在0.5×10¹⁰cm^-3～1.0×10¹⁰cm^-3，日侧N_e稳定在1.0×10¹⁰cm^-3～1.5×10¹⁰cm^-3；而30°～40°N范围上N_e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_e值逐渐增大，N_e值最大达到5.25×10¹⁰cm^-3。研究区域范围内N_e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。2018年2月2日 “张衡一号”电磁监测试验卫星（China Seismo-Electromagnetic Satellite ，简称CSES）成功入轨。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500 km，在轨道倾角97°的圆极化轨道运行，观测范围为南北纬65°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入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^［9］，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2018年9月28日印尼  M_S7.4地震进行震前异常研究，得出震前几天至一周左右出现电磁异常现象^［10-11］；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2020年唐山古冶M_S5.1地震的扰动频段和2019年松原M_S5.1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GPS的空间TEC数据开展中国大陆M_S6.0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。

新疆境內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］。2018—2021年在新疆及边界区域（30°～55°N， 70°～100°E）共发生 1 次M_S7.0～7.9地震，6 次M_S6.0～6.9地震，55 次M_S5.0～5.9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500 km轨道高度电离层电子密度（N_e）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 朗缪尔探针载荷数据

张衡一号卫星轨道在约500 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_e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5×10²～1×10⁷cm^-3。实验选取分布在新疆区域（30°～55°N，70°～100°E）上空卫星轨道上2021年6月N_e数据进行分析研究。

1.2 地磁活动性及研究区域电离层N_e数据

通过D_st指数排除地磁活动的影响分析2021年度地磁活动性参数^［19-21］。D_st指数参考日本京都世界地磁数据中心发布的数据，2021年度D_st指数变化曲线如图1所示。选取2021年6月1日至30日的地磁平静日分析时段，此时段内D_st指数分布在0 nT左右， D_st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M_S≥6.0地震，排除了M_S≥6.0强震对电离层可能造成的扰动。根据地磁活动性D_st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M_S≥6.0强震前后时段，本文采用2021年6月1日至30日的电磁卫星N_e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2021年6月1日至30日所有轨道上的N_e数据变化曲线如图2所示。

2 空间数据的变化特征

2.1 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_e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_e数据的影响，仅分析研究N_e数据在不同纬度的变化情况。2021年6月夏季静磁日时段的N_e数据变化曲线如图3所示。

实验结果显示：N_e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_e变化幅度越小，具有一定的收敛性。结果表明研究区域30°～55°N范围内N_e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。

2.2 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02时；降轨是地方时14时。对卫星所经区域各轨道的N_e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_e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_e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_e数据进行插值平滑处理，来表征不同地方时时段内N_e的离散变化特征，研究区域内夜侧02时、03时、04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：02时低于40°N 地区的N_e数据大多不在研究区域内，故没有显示。图件上显示，02时变化特征在40°N左右上有一个数值变化的平稳增大期；40°N以上纬度N_e值从0.75×10¹⁰cm^-3变化到1.5×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到2倍；40°N以下纬度N_e值从1.5×10¹⁰cm^-3变化到3.5×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到2.3倍；03时30°N～55°N范围内均分布了N_e数据，随着纬度的降低N_e值逐渐增大，仍然在40°N左右N_e值有明显的区分。55°N～40°N的纬度范围内，N_e值从0.5×10¹⁰cm^-3变化到1×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到2倍；40°N～30°N的纬度范围内，N_e值从1×10¹⁰cm^-3变化到3.75×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到3.75倍；04时的变化曲线特征与03时类似，N_e值随纬度的变化和变化幅度相同；仅在40°N～30°N的纬度范围上N_e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_e数据不在研究区域内，没有显示。50°N～30°N的纬度范围内，随着纬度的降低N_e值逐渐增大，数据有较为明显的波动现象；N_e值从0.75×10¹⁰cm^-3变化到3×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到4倍；16时30°N～55°N范围内均充满N_e数据，波动变化较15时有所减小；N_e值从0.75×10¹⁰cm^-3变化到5.25×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到了7倍；17时N_e的波动现象继续减小，有比较明显的收敛趋势，N_e值从0.75×10¹⁰cm^-3變化到4×10¹⁰cm^-3，变化幅度达到5.3倍。

通过地方时分析可得：研究区域范围内地方时02时和15时有部分N_e数据未显示；研究区域范围内各地方时段N_e值均随着纬度的降低具有逐渐增大的特征；夜侧N_e值表现出以40°N为分界，在40°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 40°N以上N_e值变幅达到2倍，40°N 以下N_e值变幅最大达到3.75倍；日侧N_e值变化没有明显纬度上的差异，但随纬度的降低N_e值最大变幅可达到7倍，其具有N_e值逐渐增大的日变化特征。

2.3 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_e，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30°N、 40°N和 50°N 的N_e取平均值，得到不同时段平均时均值曲线，分析N_e在不同纬度上的变化情况，不同纬度的N_e值时均值曲线如图6所示。

通过N_e在不同纬度的时均值曲线结果可得：不同纬度上N_e具有不同的变化特征。40°N和 50°N上02时～04时、15时～16时N_e数据曲线变化形态类似，并随着时间的推移N_e值逐渐增大；而30°N上02时～04时和15时～16时N_e数据曲线变化形态表现相反。不同纬度上各地方时的N_e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_e均值变化可得：30°N上日侧和夜侧N_e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：30°N夜侧的N_e均值从1.85×10¹⁰cm^-3变化到1.98×10¹⁰cm^-3，变化幅度的平均差值约为0.14×10¹⁰cm^-3；日侧N_e均值从1.81×10¹⁰cm^-3变化到1.98×10¹⁰cm^-3，变化幅度的平均差值约为0.17×10¹⁰cm^-3。40°N和50°N日侧和夜侧的N_e均值缓慢增大，变化平缓，产生变化幅度差值均小于0.09×10¹⁰cm^-3。

通过不同纬度的N_e时均值数据曲线形态表明：在40°N和50°N两个纬度上，夜侧N_e均值变幅明显高于日侧，日侧则变化平缓；30°N纬度上夜侧和日侧变化幅度相当。N_e值在不同的纬度呈現出了不同的变化特征。

3 结论与讨论

本文采用2021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_e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_e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_e划分为夜侧和日侧进行分析研究。N_e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_e更为细致的时间划分，以增加研究结果的可信度。

（2） 新疆区域上空不同纬度上N_e电子浓度变化形态有显著的差异，纬度越高N_e电子浓度变化幅度越小。具体表现为：40°～50°N日侧和夜侧的N_e数据值较为平稳，变幅均较小；30°～40°N的N_e电子数据变化明显且变幅较大。

（3） 新疆区域上空N_e有明显的日变特征。夜侧02时至05时，N_e值以40°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，40°N以上纬度N_e值以2倍增加；40°N以下纬度N_e值以2.3～3.75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_e值以4～7倍增加；随纬度的降低，N_e值日侧变化幅度显著大于夜侧变化幅度。在不同地方时，N_e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_e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_e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。

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VARIATION CHARACTERISTICS OF ELECTRON DENSITY

ABOVE XINJIANG REGION DURING QUIET MAGNETIC

PERIOD IN SUMMER BASED ON

ZHANG HENG-1 SATELLITE

LEI Qing，  ZHAO Bin-bin，  ZHUO Rui-qi，  LIU Dai-qing

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830011， Xinjiang，China）

Abstract： In this paper， the electron density of N_ein the top ionosphere of Xinjiang region （30°～55°N， 70°～100°E） is analyzed by using the in-situ electron density of the LAP load of the Zhangheng-1 electromagnetic satellite in the period of magnetically quiet days in summer. By analyzing the data variation curves of the day side and night side， it can be concluded that the electron density of N_echanges steadily within the range of 40°N to 55°N， and the daily N_evalue is on average twice higher than the night side N_evalue. The night side is stable in the range of 0.5×10¹⁰cm^-3～1.0×10¹⁰cm^-3， and the day side is stable in the range of 1.0×10¹⁰cm^-3～1.5×10¹⁰cm^-3. However， the data of Ne electron density in the region of 30°N～40°N fluctuates greatly. According to the analysis of local time characteristics， the N_evalue gradually increases with the decrease of latitude， whether on the night side or the day side. N_evalue reaches maximum 5.25×10¹⁰cm^-3.The diurnal and nocturnal sides of N_eelectron density in the study area have significantly different characteristics in different latitudes and different places.

Key words： Zhang Heng-1 satellite；Langmuir Probe;  Magnetically quiet days；Electron density；Daily variation characteristics