张衡一号卫星闪电哨声波扩散状态识别算法

闪电哨声波是由闪电激发的宽频带电磁脉冲,在穿越南北两半球沿地磁线传播时携带了大量的空间环境信息.由于在闪电哨声波中高频的部分先到达低频的部分后到达,导致其在时频图中呈现色散状.其传播路径的长短、传播路径中的电子密度成分以及反射次数等不同使得其存在多种扩散状态.为了进一步探索闪电哨声波的扩散状态与空间环境之间的关系,将闪电哨声波依据其扩散状态进行分类是现在一个亟需解决的问题.然而,目前的检测算法还无法对闪电哨声波扩散状态进行细分.基于此,本文以张衡一号(ZH-1)卫星感应磁力仪(SCM)的VLF波段的波形数据为研究对象,首次将闪电哨声波的散度信息作为其特征,统计并制作了2303张闪电哨声波的时频图像数据集并对其进行特征提取,最后将提取到的特征输入SVM分类器对闪电哨声波进行分类.实验结果表明该算法具有较好的分类效果,其准确率为94.35%、精确率为95.42%、召回率为98.58%、F1-Score为96.97%.     

基于COSMIC掩星数据分析中低纬度地区电子密度分布变化

利用COSMIC掩星2009年电子密度剖面数据,筛选数据进行网格划分,网格内数据统计平均,基于球谐函数计算模型值,分析电离层中低纬度地区最大电子密度的地磁季节变化、昼夜测分布相对变化,及地磁活动对电子密度的分布影响.结果表明,最大电子密度昼测值明显高于夜测值,在中纬度部分区域增大明显.电子密度昼测值在地磁活动期间高度150-550 km中低纬度范围为正相扰动,随纬度变化存在区域差异,随高度增加,扰动加强.     

基于张衡一号卫星数据的中国区域岩石圈磁场球冠谐分析

张衡一号卫星于2018年2月成功发射升空, 卫星上搭载有测量地磁场的高精度磁强计, 包括标量和矢量磁力仪.本文基于张衡一号卫星2018年3月—2022年5月的标量磁测数据, 利用球冠谐分析进行中国区域的岩石圈磁场建模工作.首先选取地磁活动平静时期(Kp≤2o)的夜侧数据, 来减少外源场的影响; 然后, 利用CHAOS-7模型计算值去除主磁场和外源场, 得到岩石圈磁异常值, 再利用球冠谐分析进行中国区域的地磁场建模, 得到最大阶数为53.17(对应地表波长为752 km)的球冠谐模型.该模型可以明显揭示出中国及邻区的主要岩石圈磁异常, 包括位于我国塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地和境外的贝加尔湖、孟加拉盆地附近的高值磁异常, 以及位于青藏高原南部的东西向低值磁异常.为了对模型结果进行进一步分析, 将其与Swarm-A卫星数据球冠谐建模结果和CHAOS-7球谐模型结果在不同高度上进行了对比, 主要磁异常的分布基本一致, 而且在向下延拓到100 km高度时, 本文的模型也能够提供比较稳定的结果, 但是在幅值和磁异常形态细节上存在一定差异.

     

基于张衡一号卫星波动观测的人工甚低频台站信号特征统计分析

地基人工甚低频(10~30 kHz)台站信号可以穿透电离层, 甚至泄露进地球磁层, 从而导致内辐射带高能电子的沉降.研究人工甚低频台站信号的特征对于研究辐射带电子的损失具有重要的科学意义.基于张衡一号卫星2019—2022年的电场观测数据, 本文对全球10个人工甚低频台站在电离层中的信号特征进行了研究, 统计分析了电离层中人工甚低频台站信号的昼夜差异、季变规律、对地磁活动水平的依赖性, 及其在地磁共轭区的分布特征.结果表明, 人工甚低频台站信号会传播至台站上空电离层及其共轭区, 信号辐射范围及强度与台站的发射功率呈正相关.电离层电子密度对甚低频信号的传播具有重要影响, 在夜侧和当地冬季, 电离层电子密度相对较小时, 泄露进入内磁层的人工甚低频台站信号较强, 而信号强度受地磁活动影响很弱.在台站上空, 信号增强区域以穿刺点为中心呈现近圆形分布, 并存在明显的波模干涉效应, 在共轭半球, 信号增强区域中心相对共轭穿刺点会发生极向漂移(L＜2的台站)或赤道向漂移(L＞2的台站), 但所有台站的电波能量都被限制在1/2赤道电子回旋频率磁壳以内的区域.这些统计观测特征表明, 发射台站位于较低L值(L＜1.4)的人工甚低频台站信号在内磁层中主要以非导管模式传播到共轭半球, 而发射台站位于较高L值(L＞2.6)的人工甚低频台站信号主要以导管模式传播.

     

张衡一号电磁卫星在轨情况及主要的科学成果

张衡一号电磁卫星是中国地震立体观测体系的天基观测平台,其科学目标是获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子数据,对中国及其周边开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪,弥补地面观测的不足,探索地震监测预测新途径.张衡一号电磁卫星系列的第一颗试验卫星于2018年2月成功发射,现已在轨稳定运行4年多;第二颗同类电磁卫星将于2023年6月左右发射.在轨测试、交叉定标工作表明张衡一号电磁卫星具备良好数据质量.在科学产出方面,张衡一号卫星全球地磁场参考模型是全球地磁场参考模型（IGRF）构建一个多世纪以来,唯一由中国科学家牵头且唯一采用中国数据制作的全球地磁场参考模型;基于张衡一号的电离层电子密度3D模型很好地重现了电离层结构特征;张衡一号电磁卫星在地震等自然灾害、空间天气事件监测方面显示出了良好的响应能力;在圈层耦合机理方面,关于地震电磁波跨圈层传播全波计算方法能够计算出岩石圈-电离层波导及电离层中的电磁场变化,证实了张衡一号卫星电磁场载荷探测地震低频电磁异常的能力.张衡一号卫星能够反映岩石圈的地震、甚低频发射站、岩石圈磁异常、大气层的闪电等活动.科学研究结果表明张衡一号电磁卫星与其它观测结果一致...     

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M_S7.4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_e和等离子体分析仪(PAP)探测到的离子密度N_i(He⁺和O⁺)数据,经分析发现N_e、 He⁺密度和O⁺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M_S7.4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—大气圈—电离层耦合模型的声重波、电磁波通道影响了电离层。     

张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现

本研究主要利用张衡一号电磁卫星（CSES）记录的电磁场波形数据,研发了电磁波波矢量分析工具,该工具包提供电磁波形频谱变换、奇异值分解（SVD）方法以及坡印廷能流计算功能.选取了张衡一号卫星在ULF/ELF/VLF频段观测到的哨声波、准周期辐射、电离层嘶声波等典型波动事件,开展了频谱分析和波矢量分析.通过与DEMETER卫星的对比观测研究,验证了算法的正确性,并且初步探讨了这些波动的传播特征,其结果也验证了张衡一号卫星在电磁场观测方面具有良好的性能.本研究研发的波矢量分析工具包可直接运用到张衡一号卫星的常规数据处理和科学分析应用中.

     

基于COSMIC掩星数据分析全球NmF2周年和半年变化特征

使用COSMIC掩星提供的NmF2数据,利用傅里叶分析方法,研究全球F2层峰值电子密度的周年和半年分布特征,分析2010年LT12：00 14：00 NmF2周年和半年变化幅度及2008-2011年年平均值变化.结果显示,电离层NmF2周年和半年变化幅度在中高纬地区相对较大;在赤道和低纬地区相对较小,且NmF2以半年变化为主.太阳活动增强期间,NmF2年平均值增大.     

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

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0.5×10¹⁰ cm^-3～1.0×10¹⁰ cm^-3,日侧N_e稳定在1.0×10¹⁰ cm^-3～1.5×10¹⁰ cm^-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5.25×10¹⁰ cm^...     

利用COSMIC掩星弯曲角数据分析中国区域对流层顶结构变化

对流层顶是地球大气的一个最基本的结构特征,对流层与平流层通过对流层顶交换气团、水汽、微量气体、能量等.对流层顶结构变化与气候变化密切相连.本文采用掩星弯曲角自然对数协方差变换法确定对流层顶,利用气象、电离层与气候星座观测系统(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate,COSMIC)2007年1月至2011年12月共5年的掩星观测数据分析了中国区域对流层顶高度、温度、气压等参数随经度、纬度、时间变化的特征.采用2°×2°网格法,把包括中国在内的16°N—54°N、72°E—136°E区域共分成19×32个格网单元,然后计算每个格网单元内对流层顶高度、温度、气压的平均值,结果表明对流层顶参数呈明显的纬度分带分布特征.计算每个格网单元内对流层顶参数季节平均值,结果显示对流层顶高度和气压具有明显的季节性变化特征.采用中位数斜率回归法分析对流层顶参数年平均值,发现在研究时段内中国区域对流层顶高度平均每年降低8 m.     

张衡一号卫星数据地震预报实践期间记录青海2次大地震前电离层异常

<正>1研究背景空间对地观测技术因其速度快、范围大以及高数据分辨率等优势得到快速发展,尤其是2004年法国DEMETER卫星成功发射,利用卫星对地观测数据研究和识别地震电离层异常成为当前研究热点。Akhoondzadeh等（2010）研究了2009年9月29日Samoa islands MW 8.1地震、2009年4月6日L’Aquila MW 6.3地震和2008年5月12日Sichuan MW 8.0地震,结果显示,在地磁平静条件下,DEMETER卫星电子浓度和离子浓度正负异常出现在震前1—5天,这意味着电离层异常可以作为有效的地震前兆异常。     

张衡一号感应磁力仪数据闪电哨声波自动识别

张衡一号卫星感应式磁力仪（Search Coil Magnetometer,SCM）探测到了大量的低频电磁波动数据.本文探索从中自动识别闪电哨声波（Lightning Whistler,LW）的算法,相关结果对进一步研究空间天气闪电事件的时空变化规律具有重要研究意义.首先,以20 s的时间窗提取SCM原始波形数据,再对其做短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform,STFT）得到时频图;接着,以LW在时频图中呈现明显的L形态特征为依据创建LW时频图像数据集,该数据集包括316个LW时频图,8000个非闪电哨声波的时频图;再对时频图像进行灰度化处理和尺度缩放处理以降低计算维度,同时增强闪电哨声波特征;通过设计模糊卷积核,对图像进行卷积计算以滤除大量阶跃边缘信息的影响;基于LW的形态特征设计L形态卷积核,对图像进行卷积处理以进一步增强图像中的L形态特征.最后,将增强后的L特征图输入支持向量机（Support Vector Machines,SVM）进行分类识别.大量数据处理实验结果表明：本文提出的闪电哨声波自动识别方案有效,其识别效果在精度、召回率、F1值（F1 score）和接受者操作特性曲线面积（Area Under Curve,AUC）指标上均达到94%以上.

     

基于COSMIC掩星探测资料的云底高反演研究

本文基于相对湿度廓线进入云层时的突变实现云底高反演的思想,采用2008年11月至2009年1月的COSMIC掩星湿空气数据反演全球云底高度,并与探空资料反演结果进行对比分析,得出以下重要结论:(1)当温度-40℃＜t＜0℃时,分别将云看作水云与冰云进行云底高反演,对比反演结果表明,该温度范围内若把云相态当作纯液相将造成高云及多层云的漏检测;(2)掩星对云底较低的低云云底高的反演效果不如探空仪,但对高云及多层云有更好的检测能力,且掩星反演结果普遍大于探空仪;(3)为深入分析掩星与探空仪同时检测到有云时的云底高反演差异,按照云层数相同与不同分别进行讨论.当云层数相同时,通过计算反演结果的平均偏差与标准偏差,发现二者在低纬地区差异最大,而且单层云的偏差较大,但多层云中三层云与四层云的反演结果比较一致;当云层数不同时,掩星检测的单层云在探空仪检测结果中“破裂”为多层云,导致二者反演结果存在较大偏差.     

辽宁岫岩一号井水温数据分析

对辽宁岫岩一号井"九五"和"十五"水温数据进行了分析和总结。结合省内地震活动后前兆异常,对2013年9月水温出现加速升高,幅度达到7‰,之后处于高值波动状态进行分析。结果认为岫岩"一号井"水温虽然日动态稳定性较差,对小震的映震效果不明显,基于2012—2016年营口—盖州及海城—岫岩地区地震活动性有明显加强,重力场异常目前尚未结束,省内前兆异常主要集中在朝阳-北票断裂和下辽河盆地附近,2013年9月以来出现的中期异常呈北西向带状分布(包括岫岩水温),提出岫岩水温高值情况应该继续加强跟踪研判。     

三维模式约束的电离层掩星反演方法

目前电离层掩星数据反演是基于电离层电子密度分布局部球对称近似的Abel反演方法,实际电离层的非球对称性会给电子密度反演结果带来误差.本文研究利用三维电离层模式来提供电子密度水平变化的先验信息约束电离层掩星反演的方法,即三维模式约束法;并将该方法应用于模拟掩星观测数据和实测掩星数据的反演.模拟观测数据的反演结果表明,与Abel反演方法相比,三维模式约束法能够减小反演误差.采用IRI2001模式作为约束,对COSMIC电离层掩星实测数据反演,将反演结果与全球的垂测仪数据进行比较,结果表明,三维模式约束法和Abel反演方法都能很好地反演电离层掩星.     

彰显气象实力:“风云三号”再发一星

正9月23日11时7分,"风云三号"03星在太原卫星发射中心发射成功,由此,我国全球观测数据的时间分辨率从12小时提高到6小时。风云三号是我国第二代极轨气象卫星,目标是实现全球大气和地球物理要素的全天候、多光谱和三维观测。风云三号卫星观测资料和产品的主要用户包括气象、海洋、农业、林业、环保等部门,广泛应用于天气预报、气候预测、灾害监测、环境监测、军     

基于COSMIC掩星观测的中国内陆Es分布统计研究

我们采用COSMIC掩星系统提供的2009年1月1日至2010年12月31日的GPS信号信噪比（signal-to-noise ratio,SNR）的观测数据,通过计算SNR数据的归一化标准差对80~130 km高度范围内的中国内陆偶发E层（Sporadic E,Es）的空间分布以及垂直厚度等特性进行分析研究,获得了Es发生率的空间分布以及发生率随着季节的变化特征.中国内陆30°N纬线以上区域Es分布随季节变化较为明显,夏季最多,秋季次之,春冬季最少,而南部低纬地区发生率水平常年较高.一般情况下Es主要存在于90~110 km高度范围内,但在夏季100 km高度以下探测到了较多的Es事件,且主要表现为多层Es结构,可能是由大气重力波引起Es下行运动所致.Es厚度的分布统计表明：大结构Es的厚度分布在2.5~3 km范围内存在峰值,小结构Es厚度分布峰值出现在150~200 m范围内.

     

“嫦娥一号”卫星太阳高能粒子探测器的首次观测结果

"嫦娥一号"卫星(CE-1)的太阳高能粒子探测器(HPD)是国际上首次在200公里极月轨道观测高能带电粒子的探测仪器.HPD的科学目标是探测月球轨道空间的高能带电粒子(质子、电子和重离子)成分、能谱、通量和随时间的演化特征.通过比较分析HPD的观测结果、ACE卫星的观测结果与CRèME86模型的模拟计算结果,表明在太阳活动低年空间环境相对宁静时期,当月球处于太阳风中时,月球附近具有和行星际空间相近的宇宙线粒子流量背景.卫星在轨运行中发现了多起0.1～2MeV的高能电子流爆发事件.文中总结了2007年11月26日至2008年2月5日HPD观测的41起高能电子流爆发事件,发现此类现象可以发生在从太阳风到磁尾的所有空间区域.在月球经历的不同空间区域中,高能电子流爆发事件可能存在不同的诱发机制.     

卫星轨道参数对LEO－LEO掩星事件数量及分布影响的模拟研究

文章对LEO－LEO卫星掩星事件的特性进行了深入讨论,通过仿真计算定量讨论了轨道参数对掩星事件次数及分布的影响.结果指出：1)对一年掩星事件数量及其纬度分布影响大的轨道参数依次是轨道倾角、轨道高度、升交点赤经和近地点角距;而这些参数对一年掩星事件的经度分布影响都不大;2)发射卫星和接收卫星倾角之间的相互关系对掩星事件数量和纬度分布影响最大,两卫星倾角接近互补时掩星事件最多, 两颗LEO卫星中与90°相差较大的倾角决定了LEO－LEO掩星事件的纬度分布范围;3)发射卫星和接收卫星处于同一轨道高度时,LEO－LEO掩星事件数取得极大值,发射卫星和接收卫星都采用600 km的轨道高度,一年LEO－LEO掩星事件数最多;4) 发射卫星和接收卫星升交点赤经(RAAN)的相互关系对LEO－LEO掩星事件数量影响很大,发射卫星和接收卫星升交点赤经之差为120°或240°时掩星事件数量最多,RAAN对掩星事件纬度和经度分布影响不大;5)近地点角距对掩星事件数量和分布影响都不大.该研究结果对LEO－LEO掩星探测卫星的轨道设计有一定的参考作用.