利用小波分析研究近地空间高能电子的周期变化特征*

廖偲含 王宏伟 鲁同所,2,5† 杨 兴 匡 攀

(1西藏大学理学院物理系拉萨850000)

(2中国科学院上海应用物理研究所上海201800)

(3中国科学院大学核科学与技术学院北京100049)

(4中国科学院上海高等研究院上海201210)

(5西藏大学珠峰研究院拉萨850000)

1 引言

高能带电粒子环境是地球同步轨道卫星遭遇到的重要空间辐射环境,主要来源包括辐射带高能电子和太阳高能带电粒子[1].在地磁活跃期间,高能电子通量在几小时到几天的时间内出现好几个量级的增强变化,可能会穿透卫星屏蔽导致深层充电,而在长时间高通量后还可能会产生放电损害[2],如≥1 MeV的相对论电子可能造成同步轨道卫星计划失败或发生故障等.卫星出现异常与粒子辐射关系的统计研究表明对于地球同步轨道而言,高能电子(≥2 MeV)通量的持续显著增强是造成该区域卫星异常的重要因素[3].王馨悦等人研究了同步轨道区域高能电子通量的晨昏不对称性[4];王春琴等人给出了带电粒子在不同扰动程度下多星通量变化的对比结果[5];刘震等[6]对风云(FY)4号A星和GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)13卫星相对论电子(≥2 MeV)数据在轨交叉定标及数据融合进行了研究;Alania等[7]研究了地磁活动和宇宙线27 d的周期.高能带电粒子在地球同步轨道空间受太阳活动、地磁活动的影响显著,表现出频繁剧烈的动态变化,结合地磁活动相关参数,如Dst(赤道环电流指数)和AE(极光电射流指数)指数,对高能带电粒子通量在磁暴、亚暴和太阳爆发等扰动影响下的变化特征进行分析具有重要意义.

国际上常用的地球同步轨道辐射环境数据源主要是NOAA(National Oceanic Atmospheric Adminstration)/GOES系列卫星.GOES是美国NASA(National Aeronautics and Space Administration)研发、NOAA管理的地球静止轨道业务卫星,采用双星运行体制,GOES-East卫星和GOES-West卫星分别定点在西经75°和西经135°的赤道上空.GOES 10和GOES 11分别是GOES系列第2代的第3、4颗卫星,分别位于西4时区和西9时区,采用3轴稳定系统,均搭载了可视红外大气辐射计,空间环境探测器(SEM),高能粒子探测器载荷包含11个能量通道、8个质子能道、1个≥2 MeV的电子能道.FY 2号系列卫星是我国唯一持续长时间开展高能带电粒子探测的地球同步轨道系列卫星,也是目前除GOES系列卫星以外在该轨道高度持续开展空间环境监测的系列卫星.其中FY 2C卫星发射时间为2004年10月19日,它在35784–35792 km高度的高轨道上飞行,轨道周期为1436.17 min、轨道倾角为4.96°、自旋稳定、转速100 r/min,FY 2C在性能上较FY 2A/2B两星有较大的改进和提高.FY 2D卫星发射时间为2006年12月8日,它在35783–35788 km高度的高轨道上飞行,轨道周期为1436.04 min、轨道倾角为1.84°.FY 2C和FY 2D卫星均定点在东经86.5°赤道上空,分布在东时区,自旋稳定、转速100 r/min,搭载的空间粒子探测器有7个能量通道,均含有≥2 MeV高能电子的监测能道.

本文主要通过对23–24太阳周(1999–2012年)GOES和FY卫星≥2 MeV高能电子通量以及同时段的地磁指数(Dst、AE)进行详细分析,发现上述卫星的高能电子通量变化的短周期相同,中长周期有一定的差别,但均与地磁指数的周期性非常相似.进一步对比发现,不同的地磁扰动可以对高能电子通量造成相同的结果,GOES和FY卫星高能电子通量的变化存在一定的差异.

2 数据的插值处理和研究方法

2.1 数据的插值处理

为详细描述高能电子通量的变化特征,需要长期的连续观测和多星联合对比,故结合FY和GOES系列卫星的观测结果,进行对照、筛选和分析,可以获得更详尽的瞬时和长期的粒子空间分布特征.本研究所使用的数据为GOES 10(1999年3月21日至2006年6月22日)/GOES 11(2006年6月23日至2010年12月30日)卫星和FY 2C(2004年10月25日至2006年12月18日)/FY 2D(2006年12月19日至2012年5月20日)卫星≥2 MeV电子通量资料,数据时间均为世界时(UT),精度为5 min,每日288个数据,时间跨度从第23个太阳周到第24个太阳周(其中数据空缺值按国家空间科学数据中心专家的建议利用前后插值处理).

对同时段(2004年10月25日至2010年12月30日)GOES和FY卫星高能电子通量做日平均处理,由于GOES 10卫星在2005年5月7日至2005年9月4日连续缺失121 d数据,GOES 11卫星在2010年7月14日至2010年9月23日连续缺失72 d数据,除去缺失数据日期,在2004年10月25日至2005年5月6日GOES 10和FY 2C卫星高能粒子通量相关系数为0.8473,2005年9月5日至2010年7月13日GOES和FY卫星高能粒子通量相关系数为0.7988,2010年9月24日至2010年12月30日GOES 11和FY 2D卫星高能电子通量的相关系数为0.9155.根据专家建议采取临近插值后的高能粒子通量如图1所示,2004年10月25日至2010年12月30日GOES和FY卫星高能电子通量的相关系数为0.7701,除处于不同磁纬原因导致GOES卫星的高能电子通量观测值几乎大于FY卫星外,其变化趋势大致相同.由于其相关系数>0.7,因此FY卫星对高能电子通量的探测数据可以作为独立分析的依据.FY与GOES卫星对比弥补了单颗卫星观测数据量不足的缺点,为各类扰动影响下高能粒子通量变化特征的分析提供了依据,同时也为多星数据同化中的应用提供了参考.

图1 FY和GOES卫星同时段≥2 MeV高能电子通量对比Fig.1 Comparison of≥2 MeV high-energy electron flux between FY and GOES satellites at the same time

2.2 小波分析方法介绍

小波分析在时域和频域内同时具有良好的局部化性质,能够抓住研究对象的局部和细节,被人们称为“数学显微镜”.小波分析与传统的时间序列模型相比具有以下3个特点:(1)能够在多尺度下进行分析;(2)能够在时域和频域进行联合局部分析;(3)能够对非线性系统进行良好的局部逼近[8].

例如高能电子通量的时间序列可以看作一组离散信号,由于高能电子通量受到太阳活动、磁暴、亚暴事件等多种扰动影响,高能电子通量的周期性波动频率处于低频部分,而扰动事件造成的波动频率处于高频部分.小波分析可以将信号中的高频部分和低频部分进行分离,低频部分代表信号的发展趋势和周期性规律,而高频部分可以代表那些由于突发因素造成的波动.本文选用Morlet小波作为小波母函数[9],主要是由于Morlet小波变换是高斯包络下的单频率复正弦函数,其时域及频域局部性均较好.表达式如下:

其中ω0表示无量纲频率,i表示虚数,t表示无量纲相位差.取ω0=6.0以满足容许性条件.在实数域信号f(t)小波变换的离散表达式为:

定义小波功率谱为:

小波总功率谱

其中,f(n∆t)为所用数据点,a为尺度(伸缩)因子,b为平移因子,∆t为采样间隔,N为采样点数,n=0,1,···,N−1.小波功率谱是否显著,可用相应红噪声标准谱进行检验[9].

基于连续小波分析的交叉小波变换是将小波变换和交叉谱相结合产生的一种新型信号分析技术[10],该方法可以从多时间尺度的角度来研究两个时间序列在时频域中的相互关系.设WXn(s)、WYn(s)分别是给定的两个时间序列X和Y的连续小波变换,则定义它们的交叉小波功率谱(XWT)为:

其中上标*表示复共轭,s为伸缩尺度,指示了两条序列(X,Y)之间协方差大小的尺度,其值越大,表明两者越具有共同的高能量区,彼此相关显著.

3 高能电子通量的周期性变化

3.1 GOES卫星高能电子通量的周期

为研究高能电子通量的周期变化,对GOES和FY卫星能量不低于2 MeV的高能电子通量均进行日平均处理.图2(a)、图2(b)分别为GOES卫星1999年3月21日至2010年12月30日高能电子通量在时频空间上的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱,小波功率谱已用Z-score标准化.

图2 GOES卫星高能电子通量的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱(图2(a)中所示颜色条,颜色范围从深蓝色渐变到深红色,对应图2(a)中功率谱图的曲线颜色,数字越大代表功率谱图此位置的功率谱越强,亮黄色以上表明高值区域,黑线包围的范围表明通过了显著性水平α=0.05的红噪声标准谱的检验;虚线范围以内高值区域是影响锥,以外的功率谱由于受到边界效应的影响而不加考虑.图2(b)中纵坐标与图2(a)相同,蓝色实线表示周期及对应的谱值,橙色虚线表明通过了95%的显著性检测).Fig.2 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of GOES satellite high-energy electron flux(the color bar shown in Fig.2(a),the color ranges from dark blue to dark red,corresponding to the curve color of the power spectrum in Fig.2(a),the larger the number,the stronger the power spectrum at this position of the power spectrum.Bright yellow and above indicate high value areas,and the range enclosed by the black line indicates that it has passed the test of the red noise standard spectrum with the significance levelα=0.05;within the range of the dashed line,the high value area is the influence cone,and the power spectrum other than that is not considered due to the influence of the boundary effect.The vertical ordinate in Fig.2(b)is the same as that in Fig.2(a),and the blue solid line represents the period and the corresponding spectrum value.The orange dashed line indicates that it has passed the significance test of 95%.)

由图2(a)可知,GOES高能电子通量小波功率谱的8–16 d、16–32 d、64–128 d、128–256 d、256–512 d、512–1024 d尺度显著.8–16 d和16–32 d尺度的高能电子通量在时域上主要出现在2003–2008年和2010年;64–128 d尺度主要出现在2004–2005年;128–256 d在2004年至2006年上半年功率谱较高,只有2004–2006年年初通过了显著性检测;256–512 d在2004年至2007年功率谱较高,但2004年上半年和2007年没有通过显著性检验.由图2(b)总体小波功率谱可看出13.9 d、27.7 d、187.0 d、342.9 d谱值最突出,但只有13.9 d、27.7 d通过了95%的显著性检测,说明这两个周期在全局范围内都很显著.

3.2 FY卫星高能电子通量周期

图3(a)、图3(b)分别为FY卫星2004年10月25日至2012年5月20日≥2 MeV电子通量在时频空间上的Morlet小波功率谱和总体小波功率谱.由图3(a)可知,FY卫星高能电子通量小波功率谱在8–16 d、16–32 d、64–128 d、128–256 d尺度显著.8–16 d尺度的高能电子通量主要出现在2004–2008年,2010年和2011年,2012年16–32 d尺度的高能电子通量在时域上主要出现在2004–2008年,2010年和2012年;64–128 d在2005年、2007–2008年功率谱较高,只在2008年通过了显著性检测;128–256 d虽然在2005–2008年功率谱较高,但只有2005年年末至2006年年初通过了显著性检测;256–512 d尽管在全时域功率谱较高,却均未通过显著性检测.由图3(b)总体小波功率谱可看出其13.9 d、27.7 d、222.3 d、374.0 d谱值最突出,不过4个周期中只有前两个通过了显著性检测.这说明地球同步轨道≥2 MeV电子通量具有半年和年周期且仅在局部时域显著.

图3 FY卫星高能电子通量的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱Fig.3 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of FY satellite high-energy electron flux

4 地磁扰动与高能电子通量

4.1 地磁指数的周期

外辐射带高能电子的通量受到地磁扰动影响,特别是大磁暴、强亚暴等来临时,往往会随之产生几个数量级的变化.对高能电子通量的时间尺度变化特征进行研究可以在一定程度上验证和预测地磁活动.

Dst指数是描述地磁暴强度的一种地磁指数,是由在中低纬度的台站每小时测得的磁场水平分量的大小确定,单位为nT.依照地磁扰动的程度可以分为:小磁暴(−50 nT

极光电急流指数集(AU、AL、AE、AO)是描述极光亚暴强度即高纬度电离层中极光区电急流强度的指数.由沿极光带均匀分布的多个观测站每分钟内的强度变化来确定.以地球自转方向为正,AU、AL指数分别是这些台站中每小时内的最大正变化和负变化,反映了东向和西向的极光带电急流的强度.AE则是AU和AL之间的绝对值之和.在发生亚暴时,AE指数会随着亚暴发生变化.因此,通常用AE指数的大小来表征亚暴的程度.同磁暴划分一致,亚暴亦可依照地磁扰动的程度划分为:小亚暴、中等亚暴和大亚暴.

图4为Dst指数的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱,表明Dst指数的8–16 d和16–32 d尺度在2000–2005年显著;64–128 d尺度在2000–2001年和2003–2005年显著;128–256 d尺度在1999–2006年功率谱较高,仅2006年未通过显著性检测;256–512 d和512–1024 d尺度虽然在1999–2008年功率谱较高,不过只有1999–2007年通过了显著性检测;从总体小波功率谱可看出9.8 d、13.9 d、27.7 d、187.0 d、264.4 d、374.0 d、629.0 d、889.5 d谱值最突出,但只有187.0 d、264.4 d、374.0 d、889.5 d通过了95%的显著性检测,说明这4个周期在全局显著.类似地,图5表明AE指数8–16 d、16–32 d、256–512 d、512–1024 d功率谱均较高,从总体小波功率谱可见,342.9 d、970.1 d谱值最高,通过了95%的显著性检测.

图4 Dst的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱Fig.4 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of Dst

4.2 高能电子通量与地磁指数

4.2.1 GOES卫星高能电子通量与地磁指数的交叉功率谱

图6(a)–(d)分别为GOES卫星高能电子通量与地磁Dst指数、GOES卫星高能电子通量与地磁AE指数、FY卫星高能电子通量与地磁Dst指数、FY卫星高能电子通量与地磁AE指数的交叉功率谱图.由图6(a)可知,GOES卫星高能电子通量与Dst的交叉小波谱和GOES小波谱相比,其8–16 d、16–32 d和64–128 d尺度通过显著性检测的时域基本相同;在128–256 d和256–512 d尺度的显著性略高于GOES小波谱,且两个尺度分别在2004–2006年上半年和2003年3、4月至2007年通过了显著性检验;而512–1024 d尺度明显高于GOES小波谱,在2003–2007年显著且通过了显著性检测.说明Dst对GOES卫星高能电子通量的半年和年周期变化存在影响.在通过显著性检测的周期中,月周期和半年周期的GOES卫星高能电子通量变化趋势与Dst指数基本呈现反相关,年周期的GOES卫星高能电子通量变化趋势领先于Dst,多年周期落后.

图5 AE的Morlet小波功率谱及总体小波功率谱Fig.5 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of AE

图6 交叉小波功率谱.箭头指向右表示同向,指向左表示反向,(a)中箭头90°垂直向下表示Dst领先GOES.Fig.6 Crossed wavelet power spectrum.The arrow pointing to the right indicates the same direction,pointing to the left indicates the reverse direction.In panel(a),the arrow 90° vertically downwards indicates that Dst leads GOES.

类似地,从图6(b)可以看出,GOES卫星高能电子通量与AE的交叉小波谱和GOES小波谱相比,在2007年AE对GOES卫星高能电子通量的月周期影响比Dst更大,年周期尺度均明显高于GOES小波谱.总的来说,AE对GOES卫星高能电子通量的月周期和年周期变化均存在影响.在通过显著性检测的各个周期中,GOES卫星高能电子通量与AE指数都基本呈现出同向关系.

4.2.2 FY卫星高能电子通量与地磁指数的交叉功率谱

由图6(c)可知,FY卫星高能电子通量与Dst的交叉小波功率谱和FY小波功率谱相比,2011年年初16–32 d尺度、2005年的64–128 d尺度、2005年年初到年末128–256 d尺度、2007–2008年的256–512 d尺度并未通过显著检测,但在交叉功率谱中显著,说明Dst对FY卫星高能电子通量的月周期、季周期、半年周期和年周期变化有影响.在通过显著性检测的周期中,FY卫星高能电子通量与Dst指数都基本呈现反相关.图6(d)表示,AE对FY卫星高能电子通量月周期和年周期存在影响,并且AE指数对FY卫星高能电子通量的月周期影响略强于Dst.在通过显著性检测的周期中,月周期的FY卫星高能电子通量变化趋势基本领先AE,小部分时间表现出同向,年周期的FY卫星高能电子通量变化趋势与AE同向.

从GOES和FY卫星高能电子通量与Dst、AE指数的交叉小波功率谱可以发现,AE对高能电子通量的月周期影响略大于Dst,Dst对高能电子通量的半年周期影响明显强于AE;而Dst和AE对高能电子通量的年周期均存在较强影响,但时域不同.

5 高能电子通量变化特征的多星对比

5.1 GOES和FY卫星高能电子通量的短周期

由以上分析可知,高能电子通量27.7 d的周期一般出现在太阳活动低年(2003–2008年以及2010年),这可能是因为在太阳活动下降年和太阳活动低年时太阳爆发活动较少,地磁扰动主要受冕洞高速流(CIR)产生的太阳风引起(重现性地磁扰动),冕洞从极区向外扩展,伸向赤道地区,有时甚至穿过赤道,由于冕洞寿命长,发展相对其他太阳活动缓慢且稳定,因此其所引起的地磁扰动具有明显的27 d周期.而太阳活动高年地磁扰动主要受行星际日冕物质抛射(CME)影响(非重现性地磁扰动)[12].图4和图5表明Dst和AE指数13.9 d、27.7 d周期在2000–2006年显著,但2000–2002年较2000–2006年出现得较少,并且在某些年里均有9 d左右的周期.诸多文献表明,除了个别年代外,在太阳活动周的所有相位里,太阳风速度几乎都存在13 d和27 d两种主要周期变化成分,在一些特殊年份中,还有9 d的周期成分存在[13],而在上述分析中地磁活动具有9 d、13.9 d和27.7 d的周期变化规律,这为地磁活动主要起源于太阳活动提供了充足证据[14–15].

对GOES和FY卫星高能电子通量进一步分析,发现很多年份的27.7 d周期中都包含着13.9 d的周期,如图7(a)所示,电子通量每13 d左右存在一个快速下降然后快速上升的过程,这也是伴随着太阳风速的变化产生的,例如从1974年冕洞观测看到经度大约相隔180°的两个极区冕洞延伸,在这样的太阳自转周内,会两次遇到太阳风高速流,形成13 d的周期变化.还有一些年份中包含着9 d的周期,如图7(b)所示,GOES和FY卫星高能电子通量27 d的周期中还具有3峰结构,这可能是在稳定磁结构之间存在另一个寿命较短的冕洞而出现9 d左右的周期[13].但在个别年份中,高能电子通量27 d的周期中没有包含其他周期(图7(c)),这也许是因为高能电子通量虽然受太阳活动的影响具有一定的周期变化因而与磁暴有关,但高能电子通量事件与磁暴并非简单的映射关系,统计发现,只有一半的磁暴会引起高能电子通量的增强.另外Reeves等[16]分析了相对论电子对1989–2000年11 yr里276个中等磁暴和强磁暴的响应,结果发现地磁暴既能使辐射带相对论电子的通量增长,也可以使其下降.仅仅大约一半的磁暴使相对论电子通量增长,25%使其通量下降,另有25%磁暴几乎没有使其通量变化.

图7 高能电子通量的短周期.其中黑线表示GOES卫星高能电子通量,蓝线表示FY卫星高能电子通量,红线表示27.7 d的周期.Fig.7 Short period of high-energy electron flux.The black line represents the high-energy electron flux of the GOES satellite,the blue line represents the high-energy electron flux of the FY satellite,and the red line represents the period of 27.7 d.

从图2 GOES卫星高能电子通量小波功率谱和图6(a)、图6(b)的交叉功率谱可以看出2000–2002年高能电子通量27 d的周期几乎消失,但图4、图5中Dst和AE的27 d周期并未消失,而在图2 GOES卫星和图3 FY卫星高能电子通量小波功率谱中2010年的27 d周期显著,图6(c)、图6(d)的Dst、AE与FY卫星高能电子通量的交叉功率谱中2011年的27 d周期显著.因为2000–2002年是太阳活动高年,上述分析可能表明CIR的地磁扰动比CME的地磁扰动对电子的27 d周期影响更大.

5.2 GOES和FY卫星高能电子通量的中长周期

GOES和FY卫星高能电子通量短周期相同,中长周期不同,GOES卫星高能电子通量具有111.1 d、187.0 d、342.9 d的周期,而FY卫星高能电子通量却存在222.3 d、374.0 d的周期.这可能与地磁指数Dst和AE的中长周期不同有关,Dst指数存在187.0 d、374.0 d的周期,AE指数仅存在342.9 d的周期.

5.2.1 GOES卫星高能电子通量的111.1 d周期和FY卫星高能电子通量的222.3 d周期

GOES和FY卫星高能电子通量同时存在13.9 d、27.7 d、55.5 d的周期,且55.5 d的周期均存在于2005年左右.如图7(d)所示,GOES和FY卫星高能电子通量存在55.5 d周期可能是连续存在2个以上27.7 d周期的原因.GOES和FY卫星高能电子通量还各自分别存在111.1 d和222.3 d的周期,推测GOES卫星高能电子通量的111.1 d周期是连续存在2个以上55.5 d周期的结果,而FY卫星高能电子通量222.3 d的周期,是因为连续存在4个以上55.5 d周期导致的.

5.2.2 GOES卫星高能电子通量的187.0 d周期

为进一步说明高能电子通量的周期性、变化趋势以及和地磁指数的关系,利用小波分析将数据中的高频部分和低频部分进行分离,通过对误差和小波类型多次比较,最后选取误差最小并且最符合信号变化特征的sym5小波函数,分解层数为5层.如图8所示,小波变换后的第5层低频系数重构数据波形与原始数据波形相比,降低了原数据波形的重叠特征,很好保留了原始数据的变化趋势以及突变特性.

图8 高能电子通量和地磁指数第5层低频系数重构对比图及电子通量的半年、年周期Fig.8 Reconstruction contrast diagram of low-frequency coefficients of the fifth layer of electron flux and geomagnetic index and the half-year and annual cycle of high-energy electron flux

如图8(a)所示,同交叉功率谱中表现的一样,GOES卫星高能电子通量与Dst大体为负相关.在2004–2005年Dst与GOES卫星高能电子通量的交叉功率谱中(图6(a)),Dst对GOES卫星高能电子通量的半年周期的影响尤为明显,且呈反相关,从图8(a)也可以看出,Dst的峰值对应GOES卫星高能电子通量的谷值,绿色竖线为Dst和GOES卫星高能电子通量的187.0 d周期,伴随着地磁指数下降到恢复的过程,电子通量存在一个周期性波动.图4表明Dst指数半年周期在2000–2003年显著,存在187.0 d的周期性,并通过了显著性检测,说明地磁活动在太阳活动峰年(2000年)和太阳活动下降年都存在较明显的准6个月周期变化特征.地磁活动的半年周期可能是由于地球绕太阳公转的黄道面与太阳赤道有7.2°倾角[17].而Li等人曾指出[18],Dst指数的半年变化可以认为是由于地球偶极轴角度变化而导致地磁场与太阳风耦合的春秋分效应和太阳风驱动效应的平均,由此推测,GOES卫星高能电子通量的半年周期变化,主要归因于太阳风的驱动.

5.2.3 GOES卫星高能电子通量的342.9 d周期

如图8(b)所示,同交叉功率谱中表现的一样,GOES卫星高能电子通量与AE指数大体呈正相关.AE指数在全时域存在342.9 d的周期,且通过了显著性检测,GOES卫星高能电子通量仅在2005年左右表现出342.9 d的周期性.但从交叉功率谱可以看出,Dst对GOES卫星高能电子通量的年周期影响明显强于AE,2001–2005年GOES卫星高能电子通量的年周期变化趋势领先Dst,而GOES卫星高能电子通量变化趋势只在2001–2003年领先于AE,2004–2005年却基本呈正相关,此时GOES卫星高能电子通量表现出和AE指数完全一致的周期性(342.9 d),交叉功率谱(图6(b))也显示仅在2005年AE指数对GOES卫星高能电子通量年周期存在显著影响.这也许表明AE指数对GOES卫星高能电子通量的年周期影响强于Dst.

5.2.4 FY卫星高能电子通量的374.0 d周期

如图8(c)、图8(d)所示,GOES卫星高能电子通量与Dst指数大体呈反相关,与AE指数呈正相关.Dst指数在全时域存在374.0 d的周期,且通过了显著性检测,FY卫星高能电子通量的年周期虽然在全局功率谱较高,但均未通过显著性检测.图6(c)中FY卫星高能电子通量和Dst指数交叉功率谱表明在2007–2008年Dst指数对FY卫星高能电子通量存在显著影响,从图8(c)也可以看出随Dst指数下降到恢复的过程,FY卫星高能电子通量也表现出374.0 d的周期性特征,但并未呈完全反相关,而是落后Dst指数90°左右.图6(d)中FY卫星高能电子通量和AE指数交叉功率谱显示2008–2012年均尺度显著,但图5中FY卫星高能电子通量的小波功率谱中并未表现出342.9 d的周期性.这极有可能是Dst指数对FY卫星高能电子通量的年周期影响强于AE指数的结果.

6 多星对比结果及高能电子通量的24 h周期

6.1 FY卫星高能电子通量大于GOES通量情况

对FY和GOES卫星高能电子通量中长周期不同进一步分析,图9为FY和GOES卫星高能电子通量日平均值第5层低频系数重构图,对比图1,在大部分时间里GOES卫星高能电子的日平均通量都大于FY,但在某些时刻,比如2007年、2008年和2010年的部分时间段里可以看到FY卫星高能电子的日平均通量大于GOES,但由于在2010年7月14日至2010年9月23日GOES卫星连续缺失72 d数据,所以此时的FY卫星高能电子通量大于GOES可能是缺失插值造成,故不作考虑.对原始数据(每日288个数据)进行分析,发现与图9中重构对比结果相同.在2006年11月29日至2007年7月14日和2008年2月11日至2008年9月2日FY与GOES卫星高能电子通量大致相同,但在2007年6月1日至2007年6月26日和2008年6月29日至2008年7月13日的FY卫星高能电子的日通量明显大于GOES.

为研究上述差异是否受到地磁扰动影响,将2007年6月1日至2007年6月26日和2008年6月29日至2008年7月13日的每日高能电子通量数据与Dst、AE指数(1 h平均值)比较,如图10(a)、图10(c)所示,在2007年6月1日至2007年6月26日Dst最小为−28 nT,每次(8日、14日、22日)Dst指数跌至−20 nT以下,就会紧接着一段时间AE指数超过400 nT且亚暴活动频繁,GOES卫星高能电子通量均低于原先水平3个数量级,然后在16 h左右恢复,并呈现24 h的周期性规律,而FY卫星高能电子通量从1日至21日一直在两个数量级呈锯齿形波动,仅6月22日Dst下降之后表现出通量减少且呈现周期性.

图9 FY与GOES卫星高能电子通量日平均第5层低频系数重构对比Fig.9 Comparison of the reconstruction of low-frequency coefficients of the fifth layer of daily average high-energy electron flux between FY and GOES satellites

图10 FY大于GOES卫星高能电子通量时间段情况Fig.10 The high-energy electron flux in the time period when FY is greater than GOES satellite

如图10(b)、图10(d)所示,在2008年7月11日发生了一次小磁暴,在此之前Dst指数一直在−10 nT以上波动,GOES卫星高能电子通量呈24 h周期变化,FY卫星高能电子通量在两个数量级呈锯齿形波动,11日22:00:00 Dst指数逐渐下降,直至低于−30 nT,AE指数也在此时达到800 nT附近,紧接着跌至400 nT左右开始波动,亚暴活动频繁.GOES和FY卫星高能电子通量分别提前了17 h、47 h下降.也就是说,FY卫星高能电子通量的下降比GOES提前了30 h,此后开始波动,但FY卫星高能电子通量的波动时间明显长于GOES.在上述两个FY卫星高能电子通量日平均值大于GOES的时间段里,地磁扰动均处于较为平静时期,GOES卫星高能电子通量大部分时间存在24 h周期,FY卫星高能电子通量一直呈锯齿形波动;仅在Dst指数跌至−30 nT左右或相对之前指数降低较为明显时亚暴活动才频繁,然后GOES和FY卫星高能电子通量开始下降,但因为FY卫星高能电子通量的环境本底为102数量级,所以变化较GOES不那么明显.

6.2 小磁暴与大磁暴

如图11(a)、图11(b),在2009年2月4日至2009年2月28日发生两次小磁暴,均在−40 nT左右.不过在2009年2月4日的小磁暴之前,FY和GOES卫星高能电子通量均已下降到环境本底,而AE指数在5日到13日相对较低,起伏并不明显,表明此时亚暴活动较弱,高能电子通量仅表现出类似锯齿形、较小幅度的起伏变化.但在14日发生的一次小磁暴中,GOES卫星高能电子通量增强3个数量级,FY卫星高能电子通量也开始增加,并都呈现出24 h左右的周期,两卫星峰值相差大于10 h,由于GOES 11卫星处于西9时区,FY 2D卫星处于东经86.5°(东6区),两颗卫星刚好也具有10 h左右的地方时差异,所以在各地方时GOES和FY卫星具有几乎一致的周期.到23日和27日,Dst指数跌至−20 nT左右,AE指数仅在磁暴下降期间上升超过500 nT,此后便低于200 nT.此时GOES卫星高能电子通量下降2个数量级,而FY卫星高能电子通量一直在1个数量级内波动,所以变化并不明显.

图11 2009年2月的两次小磁暴事件Fig.11 Two small magnetic storm events in February 2009

图12(a)为2006年12月5日至2006年12月16日Dst、AE 1 h平均值,其中包含一次小磁暴和一次强磁暴事件.小磁暴(−50 nT

图12 2006年12月的小磁暴和大磁暴事件Fig.12 Small and large magnetic storm events in December 2006

对于15日的大磁暴事件(图12(a)),12月15日00:00:00 Dst突然下降到−146 nT,大磁暴(−200 nT

图12(c)显示,12月14日13:10:00 FY 2C卫星高能电子通量经历90 min减少1个数量级到最低水平,随即持续波动25 h 45 min,历时10 h恢复,16日02:25:00到达第1个峰值,并高出原来水平1个数量级,整个过程37 h 15 min.GOES 11卫星高能电子通量比FY 2C晚1 h左右(14日14:32:30)开始下降,8 h 30 min后下降4个数量级到最低水平,接着在2–3个数量级持续波动5 h 10 min后恢复,于15日20:12:30到达第1个顶峰,略高于下降前水平,但并未达到1个数量级,整个过程29 h 40 min,比FY卫星少7 h 35 min.在大磁暴事件中,FY卫星高能电子通量的下降比磁暴时间提前了8 h,而GOES却提前了7 h.

通过对FY大于GOES卫星高能电子通量时段、小磁暴和大磁暴事件的分析,发现地磁平静期(非暴时期)的Dst下降(不低于−30 nT)可以和大磁暴一样造成GOES卫星高能电子通量的减少,并在Dst指数恢复后高能电子通量随之恢复.类似地,Schiller等[19]对非暴期间辐射带的剧烈活动(相对论电子通量增强了2.5个数量级)进行了研究,强调了在地磁宁静时期对辐射带电子研究的重要性;在大部分非扰动时间里,GOES卫星高能电子通量均呈24 h周期变化,但FY卫星高能电子通量的周期性一般仅在扰动后偶尔出现;一些小磁暴事件中,依旧发现了和大磁暴事件中相同的特征:FY和GOES卫星高能电子通量在地磁指数下降前就开始下降,而FY卫星高能电子通量比GOES更加提前,并且FY卫星高能电子通量从开始下降到恢复至原先水平持续时间明显长于GOES卫星,恢复后两卫星高能电子通量呈现地方时一致的24 h周期性变化;另一部分小磁暴事件中,例如2009年2月14日,均造成了GOES和FY卫星测得的高能电子通量出现几个数量级的增强,并且两卫星呈现地方时一致的周期性变化.Anderson等[20]对1989–2000年的342次小磁暴、孤立的91次小磁暴和234次大磁暴、孤立的71次大磁暴进行研究,结果显示:小磁暴对辐射带相对论电子通量的影响与大磁暴相当.

本文通过对1999至2012年的磁暴事件分析筛选出上述具有代表性的事件.其中部分事件由于FY卫星高能电子通量本底数量级为102,所以当GOES卫星高能电子通量变化剧烈时,FY卫星高能电子通量的变化特征并不明显,但当亚暴相当强烈时,FY卫星高能电子通量会表现出相对剧烈的变化,这可能也是两卫星高能电子通量中长周期不同的原因.总之,在地磁平静期和弱地磁扰动期对高能电子通量变化进行研究与地磁扰动剧烈时期同等重要.

7 总结

利用风云2号和GOES卫星≥2 MeV高能电子通量的观测数据,较为详尽地对相关事件磁暴、亚暴期间的高能电子通量变化进行了对比分析,本文的初步结论如下:

(1)FY和GOES卫星高能电子通量观测结果相关系数>0.7,FY卫星≥2 MeV高能电子通道观测结果合理有效,可作为独立分析的依据;

(2)地磁指数Dst和AE在太阳活动峰年(2000–2002年)和太阳活动下降年(2003–2006年)均存在13.9 d、27.7 d周期,但太阳活动峰年与下降年相比出现得较少,并且在某些年份里均有9 d左右的周期;

(3)电子的27.7 d周期一般出现在太阳活动低年(2003–2008年以及2010年),推测CIR的地磁扰动对电子通量的27 d周期比CME影响更大;

(4)很多年份高能电子通量27.7 d的周期中都包含着13.9 d(双峰结构)的周期,一些年份中包含着9 d的周期(3峰结构),这与太阳活动有关;

(5)FY和GOES卫星高能电子通量的短周期相同,但中长周期不同,55.5 d周期是连续存在2个以上27.7 d周期造成的,GOES卫星高能电子通量的111.1 d周期是连续存在2个以上55.5 d周期的结果,而FY卫星高能电子通量的222.3 d周期,是因为连续存在4个以上55.5 d周期.对于FY和GOES卫星高能电子通量分别存在374.0 d和342.9 d的周期,推测是由于Dst指数对FY卫星高能电子通量的年周期影响强于AE指数,AE指数对GOES卫星高能电子通量的年周期影响强于Dst指数;

(6)地磁平静期的Dst指数下降,可以对高能电子通量造成和大磁暴一样的效果;

(7)小磁暴可以和大磁暴一样对高能电子通量造成显著减少或者增强,并且在恢复后两卫星高能电子通量都呈现地方时一致的24 h周期性变化,但不同事件中FY和GOES卫星高能电子通量持续时间不同;

(8)FY和GOES卫星处于不同的定点位置和高度,所能捕捉的通量存在差异,FY卫星高能电子通量本底数量级为102,所以当GOES卫星高能电子通量变化剧烈时,FY卫星高能电子通量变化特征并不明显,这可能是造成FY卫星高能电子通量日平均值大于GOES以及导致中长周期不同的原因.

致谢感谢中国空间科学数据中心提供相关研究数据.