CSES卫星观测的赤道电集流特征

周云良, 杨艳艳, 朱劼, 熊超*,2, 王丰珏, 泽仁志玛, 申旭辉

1 武汉大学电子信息学院, 武汉 430072 2 湖北珞珈实验室, 武汉 430079 3 应急管理部国家自然灾害防治研究院， 北京 100085

0 引言

赤道电集流(equatorial electrojet, EEJ)是电离层E层高度上的沿磁赤道流动的东西向带状电流，其沿纬度的展布宽度约为600 km(徐文耀, 2009, 2014; Lühr et al., 2004, 2021b).EEJ的产生主要与电离层E区风发电机电场、电离层水平电导率随高度变化的各向异性，以及赤道区水平指北的地磁场等因素有关(Forbes, 1981; Yamazaki and Maute, 2017).通常而言，赤道电集流在白天表现为水平东向电流.然而，赤道电集流有时也会发生反向，表现为西向赤道电集流，称为反向赤道电集流(Gouin and Mayaud, 1967; Zhou et al., 2018a).

EEJ的存在使其高度以上的地磁场水平分量减小，而使其高度以下的地磁场水平分量增强，该现象首次在秘鲁Huancayo地磁台站被探测发现(Bartels and Johonson, 1940; Egedal, 1947; Chapman, 1951; 徐文耀，2009, 2014).随后，EEJ所引起地磁场偏离的现象被很多观测手段(如火箭上搭载的磁力计，雷达的观测，以及低轨道卫星上搭载的磁力计等)探测到(Onwumechilli, 1967; Fejer et al., 1975; Forbes, 1981; Onwumechili and Agu, 1980; Jadhav et al., 2002; Lühr et al., 2004; Zhou et al., 2016).基于早期的观测结果，学者们对EEJ的产生机制、分布特征与相关物理参量间的关系做了广泛的研究.然而，由于地基观测数据的地域限制，早期的研究很难提供EEJ的全球特征.随着低轨道卫星的成功发射，星载磁力计可实现从空中观测EEJ引起的磁效应，可获得全球EEJ的特征.特别是近20多年来，CHAMP卫星和Swarm星座提供了大量的高精度、全球覆盖的地磁场观测数据，为研究EEJ奠定了丰富的数据基础.

基于CHAMP卫星地磁观测数据和EEJ线电流模型，Lühr等(2004)从EEJ的磁场效应推算出EEJ电流密度，该方法推算的电流密度与测量高度无关，使不同测量手段观测的EEJ可以进行直接比较.利用CHAMP， Ørsted和SAC-C卫星观测的EEJ电流密度峰值数据，Alken和Maus(2007)分析了EEJ电流密度随经度、地方时、季节和太阳辐射水平变化的气候学特征.由于低轨道卫星观测的地磁数据经度覆盖广且密集，可从卫星观测的EEJ中提取非迁移潮汐分量.England等(2006)首先报道正午附近的EEJ呈现显著的随经度变化的4波结构，并将其归因于东向传播的DE3潮汐分量的影响.基于CHAMP卫星近10年的地磁观测数据， Lühr和Manoj(2013)对EEJ中的太阳潮汐分量进行了系统的分析，他们研究发现DE3分量在8月附近达到最大.随后，Xiong等(2016)报道地磁扰动期间EEJ随经度变化的4波结构也清晰可见，但相对于地磁平静期间，其幅度明显减弱.同样是利用CHAMP卫星10年的地磁观测数据，Zhou等(2018a)全面地分析了西向EEJ的幅度和发生率随经度、季节、地方时、月相、太阳辐射水平和地磁活动水平的变化特征.除了CHAMP卫星观测外，Swarm星座的地磁观测数据也广泛应用于EEJ的研究.利用Swarm A和C卫星的地磁观测数据，Zhou等(2016)详细地分析了EEJ在1.4°经度间隔的梯度特征，Lühr等(2021a)报道了EEJ中的潮汐和行星波的短期变化特征，这些研究都得益于Swarm星座独特的轨道构型.

2018年2月2日，我国自主研制的首颗用于地震观测的“张衡一号”电磁监测试验卫星(China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES)成功发射，该卫星上搭载的科学仪器可获取全球地磁场、电离层等离子体、高能粒子等空间观测数据，并广泛用于科学研究(Shen et al., 2018).近年来，利用CSES磁场探测数据，学者们做了大量的前沿研究.例如，Yang等(2021a)发展了地球主磁场模型，Wang等(2021)提取了岩石圈磁场的信息，Yang等(2020)报道了2018年8月25日磁暴事件中磁层电流所引起的磁场效应.目前，还未曾有利用CSES卫星磁场观测数据对赤道电集流进行系统性研究的报道.另一方面， CSES卫星升交点和降交点地方时(LT)固定，分别位于02∶00 和14∶00 LT，重访周期为5天，有别于CHAMP或Swarm卫星需130多天重访一个固定的地方时.在固定地方时(如14∶00 LT)上，CSES卫星具有相对连续的时间和空间采样率，可为研究14∶00 LT上的电离层电流提供持续高采样率的观测数据.本文拟利用我国自主研制的CSES卫星提供的地磁观测数据，反演14∶00 LT附近电离层赤道电集流，并在此基础上分析CSES观测的赤道电集流的特征.

1 数据及其处理方法

1.1 CSES卫星及磁场数据

CSES卫星是中国发射的第一颗用于地震监测的电磁卫星，其科学数据在地震科学、地球物理学和空间科学方面有重要的应用前景(Shen et al., 2018).该卫星于2018年2月2日在酒泉卫星发射中心成功发射升空，其轨道为圆形极轨太阳同步轨道，轨道高度为507 km，轨道倾角为97.4°.CSES卫星降交点地方时固定在14∶00 LT，重访周期为5天.CSES卫星的有效载荷包含感应式磁力计、高精度磁强计、电场探测仪、GNSS掩星接收机、等离子体分析仪、朗缪尔探针、高能粒子探测器、三频信标发射机，这些科学仪器可获取磁场、电磁波、电离层等离子体和高能粒子等各种观测参数，为科学研究奠定数据基础.

本文所用的磁场数据由CSES卫星上搭载的高精度磁力计(HPM)记录，该仪器含两个磁通门磁力计FGM-S1和FGM-S2(Cheng et al., 2018)，可测量磁场矢量；此外卫星上还搭载有一个标量磁力计CDSM(Pollinger et al., 2018)，可测量标量磁场，其观测数据可用于标定FGM-S1和FGM-S2等.本文所用的磁场数据主要由CDSM观测的标量磁场，由应急管理部国家自然灾害防治研究院张衡一号科学应用中心提供.本研究将聚焦2018年8月到2019年12月地磁平静期间(Kp≤3)赤道电集流的特征，由于日落后电离层E层电子密度急剧下降，夜间赤道电集流很弱，本文只关注CSES卫星在14∶00 LT附近观测的赤道电集流.

1.2 磁场数据的处理

为了获得EEJ所引起的磁场效应，需要从卫星所观测的标量磁场数据中去除其他磁场的贡献.为此，首先我们利用CHAOS-7模型(Finlay et al., 2020)，计算主磁场、地壳场(岩石圈磁场)和磁层电流引起的磁场效应，并从CSES卫星观测的标量磁场数据中减去上述三部分的贡献，获得电离层电流引起的磁场分量，并记为ΔB.图1a所示为2019年1月10日世界时(UT)20点32分左右， CSES卫星在一次过赤道的轨道中所观测的标量磁场的纬度剖面示例.该日地磁活动平静，全天地磁活动指数Kp≤1+.为了方便比较，图1a中也给出了Swarm A卫星几乎同时(包括世界时和地方时)过磁赤道时所观测的标量磁场.本文中所用的Swarm A卫星观测的磁场数据，以及后面所用的EEJ电流密度的纬度剖面从欧空局的网站(https:∥earth.esa.int/web/guest/swarm/data-access)下载.图1顶部也给出了CSES和Swarm A过磁赤道时的世界时(UT)，磁地方时(MLT)和所在的经度，两卫星的轨迹如图1c所示.由图1a可见，CSES观测的总磁场在赤道区达到极小值，其幅度为2.2×104nT，并随着纬度的增加，地磁场强度增大.在几乎同时过赤道的轨道上，Swarm A测量的总磁场的幅度和变化趋势与CSES观测结果几乎一致.图1b所示为去掉主磁场、地壳场和磁层电流的贡献后，电离层电流所引起的磁效应(ΔB).由图1b可见，在中低纬度区CSES和Swarm A观测的ΔB小于零，幅度在磁赤道位置达到极值，其幅度分别为-21.5和-22.8 nT；当准偶极纬度(QDlat)高于12°时，ΔB的取值约为-10 nT.已有文献(Richmond，1995；Emmert et al., 2010)报道准偶极坐标系便于解释电离层电流，因此本文所用的纬度为准偶极纬度.

为了获得EEJ引起的磁效应，除了去除主磁场、地壳场和磁层电流引起的磁场效应外，还需从上述ΔB中，去除中纬电离层太阳静日(Solar quiet, Sq)电流系的贡献.为此，我们首先将ΔB分组到以1°QDlat为分辨率的数组中.然后，我们对±13°到±40° QDlat的纬度区间中，用4阶多项式对ΔB进行拟合，估算Sq电流系的磁效应(Lühr et al., 2004).为了避开EEJ磁效应对上述拟合的影响，在用4阶多项式拟合Sq电流系磁效应的过程中，±12° QDlat之内所观测的ΔB没有参与拟合.最后，根据上述4阶多项式拟合的结果，可获得Sq电流系的磁场贡献，将这部分贡献从ΔB中去除后，剩余的磁场被认为是EEJ引起的磁场效应，也是本文推算EEJ电流密度的基础.

图1 (a) 2019年1月10日20∶32 UT左右 CSES(实线)和Swarm A(虚线)卫星几乎同时过磁赤道时所记录的标量磁场的纬度剖面示例; (b) 去掉主磁场、地壳场和磁层电流的贡献后，电离层电流所引起的磁效应(ΔB); (c) CSES和Swarm A 几乎同时过磁赤道时的轨迹Fig.1 (a) Scalar magnetic field and (b) the related residuals to CHAOS7.6 observed by CSES and Swarm A for conjunction orbits on Jan. 10, 2019; (c) The tracks of the aforementioned conjunction orbits for CSES and Swarm A

图2所示为图1中2019年1月10日20点32分左右CSES过赤道时所观测ΔB用上述方法处理后的结果，其中细实线为ΔB被分组后的结果、虚线为4阶多项式拟合的Sq电流系的磁效应、粗实线表示CSES卫星这次过赤道时观测的EEJ磁效应.由图2可见，EEJ的磁效应在磁赤道达到峰值，其幅度为9.4 nT，且符号为负，符合东向EEJ的磁效应特征(Lühr et al., 2004)；此外，在磁赤道南北两侧几度的范围内(特别是南半球)，存在清晰的磁场增加，这与西向的EEJ旁瓣相关(Zhou et al., 2018b).

图2 图1所示的CSES过赤道的轨道中由CSES观测的ΔB处理后的结果.其中细实线为ΔB被分组后的结果、虚线为4阶多项式拟合的Sq电流系的磁效应、粗实线 代表CSES卫星观测的EEJ磁效应随纬度的分布Fig.2 The magnetic contributions (ΔB) of ionospheric currents (thin curve) observed by CSES for the orbit shown in Fig.1. The fitted Sq signatures (dashed curve) and the EEJ magnetic effect (thick curve)

图3 赤道电集流和CSES轨道的示意图Fig.3 Schematic drawing of the configuration for the EEJ and CSES orbit

1.3 EEJ电流密度的反演

利用1.1和1.2节中描述的方法，可获得CSES卫星每次过赤道时观测的EEJ磁效应随纬度的变化.为了更好地理解EEJ的特征，本节将介绍由EEJ磁效应反演EEJ电流密度的纬度剖面.这里，我们先假定EEJ位于110 km高度，在±20°QDlat范围内，EEJ由41个东西向的线电流组成，两线电流之间的间隔为1°QDlat.图3所示为赤道电集流和CSES轨道的示意图，其中CSES的轨道用黑色的实弧线表示，黑色的虚弧线代表赤道区赤道电集流，其中心位置用Rcur表示.

根据文献(Lühr et al., 2004)中的(2)式可知，在卫星轨道高度上，东西向的线电流引起的磁场变化可表示为

(1)

其中，bx和bz分别表示EEJ引起的磁场的北向分量和垂直向下分量；I代表东向电流的强度；μ0为自由空间的磁导率；h代表CSES卫星轨道高度与电流所在高度的高度差，CSES卫星在电流以上时，h为正；x为CSES卫星与电流在南北方向上的距离，CSES卫星向南偏离电流时，x为正.

根据(1)式，并结合图3，如果考虑卫星的第i个观测点，则第j个线电流在该观测点产生的磁场北向分量和垂直向下分量可表示为(Zhou et al., 2020)

(2)

其中，J(j)代表第j个线电流的电流密度；Δl表示两个相邻的线电流之间的距离，本文中相邻的线电流间隔为1°，Δl取110 km；x(i,j)=Rcur·sin(Δβ(i,j))，h(i,j)=Δh+Rcur[1-cos(Δβ(i,j))]，且它们的单位为km，其中Δβ(i,j)为第i个观测点和第j个电流之间的纬度差，即Δβ(i,j)=β(j)-β(i)；Rcur代表EEJ电流的高度，离地表110 km；Δh代表CSES卫星轨道高度和电流中心高度之间的距离.

由于EEJ引起的磁场效应远小于观测点周围的磁场，EEJ所引起的标量磁场可表示为(Lühr et al., 2004)

(3)

其中b为东向EEJ引起的磁场矢量；B和|B|分别表示观测点矢量磁场和磁场强度，Bx和Bz分别为观测点周围磁场的北向和垂直向下的分量，本文中观测点周围磁场由CHAOS-7模型计算.

结合(2)式和(3)式，由41个线电流在第i个观测点所引起的标量磁场可表示为

(4)

根据(4)式和(2)式，可以得到第i个观测点EEJ所引起的标量磁场和EEJ电流密度之间的关系.在此基础上，利用CSES观测到的由EEJ所引起的磁场效应的纬度剖面，可计算得到41个线电流的电流密度.

图4 图1中所示的CSES和Swarm A卫星几乎同时过赤道时的轨道中，由两卫星观测的EEJ磁场效应 反演的EEJ电流密度随纬度的变化Fig.4 Latitudinal profile of the EEJ current density derived from EEJ effect observed by CSES and Swarm A for the conjunction orbits shown in Fig.1

图4所示为2019年1月10日20点32分左右CSES过赤道时所观测±20°QDlat范围内EEJ电流密度.由图4可见，CSES卫星在此次过赤道的轨道中，探测到EEJ峰值电流密度位于磁赤道处，幅值约为45.2 mA·m-1，电流密度的符号为正，表明EEJ的方向为东向；若以半峰值宽度衡量，EEJ主瓣的宽度约为4°QDlat.偏离磁赤道约3°处，电流的方向由东向变为西向，称为EEJ旁瓣.在南半球5°QDlat处，EEJ旁瓣达到最大幅度，约为22 mA·m-1；在北半球，本次探测的 EEJ旁瓣不明显.在±12°QDlat外，EEJ电流密度很小，其幅度在0附近变化.为了与CSES卫星这个轨道观测的EEJ对比，图4也给出几乎在同时过赤道的轨道中Swarm A卫星观测的EEJ电流密度随纬度的变化.由图4可见，Swarm A卫星在这次过赤道的过程中观测到的EEJ电流密度位于磁赤道，峰值为58.9 mA·m-1，比CSES观测的EEJ峰值密度略大，这可能与两卫星在过赤道时虽然世界时和地方时非常接近，但飞行轨迹有差异，Swarm A过赤道时观测到较大的标量磁场有关(见图1).此外，与Swarm A卫星的观测结果相比，CSES卫星观测的EEJ电流密度随纬度的分布存在明显的南北半球不对称性.尽管两卫星观测的EEJ有差异，但从图4中可见，CSES卫星观测的EEJ电流密度的纬度剖面与Swarm A卫星的观测结果基本相符.

1.4 EEJ事件的挑选

本文主要考虑2018年8月到2019年12月期间CSES观测的磁场数据.在此期间，CSES在14∶00 LT附近共有约7300次过赤道的观测数据，在这些过赤道的轨道中，利用CSES卫星磁场观测数据，结合上述EEJ电流密度的反演方法，可获得EEJ电流密度随纬度的变化.为了获得地磁平静期间EEJ的特征，我们挑选EEJ电流密度峰值出现在±1°QDlat内，且峰值幅度不小于10 mA·m-1的EEJ事件为研究对象.根据上述挑选EEJ事件的标准，共有4729个EEJ事件符合要求，是本文统计分析的数据基础.

2 观测结果

图5 CSES卫星观测的EEJ平均电流密度随纬度的变化Fig.5 Average latitudinal profile of the EEJ current density observed by CSES

由上述挑选的4729个EEJ事件中EEJ电流密度的纬度剖面，通过平均，可得到14∶00 LT附近CSES观测的EEJ电流密度随纬度变化的平均特征，见图5.由图5可见，CSES观测的EEJ主瓣的电流密度的峰值位于磁赤道处，其平均幅度约为27 mA·m-1.EEJ主瓣的宽度窄，若用半峰值宽度来衡量，其纬度展布宽度约为4°.偏离磁赤道约3°QDlat处，EEJ方向变为西向，形成西向的EEJ旁瓣，并在5°QDlat处达到峰值，其平均幅度约为10 mA·m-1；EEJ主瓣和旁瓣的峰值幅度之比约为2.7；CSES观测的EEJ旁瓣存在半球的不对称性，相比于北半球，南半球EEJ旁瓣更明显.在±12°QDlat外，EEJ几乎可以忽略，其电流密度的幅度保持在0附近变化.

图6 CSES卫星观测的EEJ峰值电流密度的分布特征Fig.6 Occurrence distribution of the peak current density observed by CSES

EEJ主瓣的峰值电流密度是EEJ的重要参数，为了了解CSES卫星观测的EEJ的整体特征，下面我们以EEJ主瓣电流密度的峰值(简称EEJ峰值电流密度)来表征EEJ.首先，我们统计分析了CSES卫星观测的EEJ峰值电流密度的分布特征，其结果见图6，这里100%代表我们所挑选的4729个EEJ事件.图6中显示EEJ峰值电流密度的符号有正有负，其中，符号为正代表东向EEJ事件，符号为负代表西向EEJ事件(即反向赤道电集流事件).CSES观测的4729个EEJ事件中，有3927个东向EEJ事件，占比约为83%，西向EEJ事件为802个，占比约为17%.不管是东向还是西向EEJ事件，EEJ峰值电流密度的最可几值为20 mA·m-1； EEJ峰值电流密度增大时，出现的概率显著降低.在我们所挑选的事件中，只有很少量的EEJ事件的峰值电流密度超过120 mA·m-1.东向和西向的EEJ事件的峰值电流密度的平均值分别为36.8和-32.7 mA·m-1.

下面我们分析CSES卫星观测的EEJ峰值电流密度随经度、季节和太阳辐射水平的变化特征.由于西向EEJ事件的样本较少，在分析EEJ对经度、季节和太阳辐射水平的依赖性时，我们主要考虑3927个东向EEJ事件.首先，将卫星观测的EEJ峰值电流密度按经度分成25组，其中经度间隔为15°；然后将各组EEJ峰值电流密度求平均，其结果如图7所示.由图7可见，EEJ峰值电流密度呈现显著的随经度变化特征，分别在经度为-165°、-75°、0°和105°的区域出现极大值.

图7 CSES卫星观测的东向EEJ峰值电流密度随经度的 变化特征Fig.7 Longitudinal variation of the peak current density for the EEJ events observed by CSES

图8 CSES卫星观测的EEJ峰值电流密度随季节的 变化特征Fig.8 Seasonal variation of the peak current density for the EEJ events observed by CSES

图8所示为在2018年8月到2019年12期间EEJ峰值电流密度的月平均值.由图8可见，EEJ峰值电流密度出现明显的季节变化特征，在4月和8月EEJ峰值电流密度较大，冬至和夏至季节附近，出现极小值，特别是2018年年末.

前人的研究也曾报道(Alken and Maus, 2007; Lühr et al., 2021b)，在太阳辐射水平高时，EEJ电流密度较大.因此，本文也检验了CSES卫星观测的EEJ峰值电流密度对太阳辐射水平的依赖性，其结果见图9.这里我们用P10.7指数表征太阳辐射水平，其中P10.7=(F10.7+F10.7A)/2，且F10.7A表示太阳10.7 cm辐射通量(F10.7指数)的81天平均值.由图9可见，在2018年8月到2019年12月期间，尽管太阳辐射水平较低，EEJ峰值电流密度随着P10.7指数的增加而增大.当P10.7指数从68到77 sfu变化时，EEJ峰值电流密度由31.3 mA·m-1增加到39.2 mA·m-1，其变化斜率约为0.7 mA·m-1·sfu-1.

图9 CSES观测的EEJ峰值电流密度对P10.7指数的依赖性Fig.9 Dependence of the EEJ peak current density observed by CSES on the solar flux index P10.7

3 讨论

本文重点分析了地磁活动平静期EEJ的特征，反演EEJ所用的磁场数据由CSES卫星上搭载的CDSM测量得到.由于CSES卫星轨道特点，CDSM在14∶00 LT附近时间和空间的采样率高，为分析EEJ的特征提供了数据基础.但也正是由于CSES卫星轨道的这个特点，与CHAMP卫星和Swarm星座的轨道不同，地磁观测数据局限于同一地方时，我们只能得到同一地方时(14∶00 LT)的EEJ，无法得到EEJ随地方时的分布特征.

基于CSES卫星观测的磁场数据，若要获得EEJ的电流密度信息，首先需准确提取EEJ所引起的磁场效应.本文1.3节中将CSES获得的EEJ电流密度与近乎同时过赤道的Swarm A卫星观测的EEJ进行了对比，发现CSES卫星观测的EEJ电流密度的纬度剖面与Swarm A卫星的观测结果基本相符，这表明我们能有效提取EEJ的磁场效应.为了进一步验证提取EEJ磁场效应的方法，我们也将CSES卫星观测的EEJ磁场效应与地基地磁台站的数据进行了对比.图10所示为CSES卫星观测的EEJ磁场效应与地基台站观测的EEJ信号的对比.图10a中所示为2018年10月22日17∶21 UT附近CSES卫星在309.6°经度(LT=14.00 h)附近过磁赤道时所观测的EEJ磁场效应随纬度的变化，在磁赤道处EEJ引起的磁场变化约为12.1 nT，CSES卫星轨道高度约为507km，因位于EEJ电流的上方，EEJ在CSES卫星处引起的磁场效应符号为负.图10b中给出了2018年10月22日TTB(1.2°S，311.5°E)地磁台站观测的EEJ磁场效应(用ΔH表示)随世界时的变化.其中ΔH计算方法如下(Soares et al., 2018；Yang et al., 2021b；Abadi et al., 2021)：由位于磁赤道处TTB台站测量的地磁场水平分量先去掉夜间的值，并记为dHequa；对于低纬台站KOU(5.2°N，307.3°E)观测的地磁场水平分量也同样处理，获得dHoff_equa；最后由dHequa减去dHoff_equa得到ΔH，即地磁台站观测的EEJ磁场效应.图10b中虚线对应TTB台站的地方时为14.00 h时刻，对应的世界时为17∶14 UT，与CSES过磁赤道时的地方时和世界时非常接近.在虚线对应的时刻，TTB台站观测的EEJ磁场效应为41.0 nT；此外，由于EEJ位于台站上方约110 km处，EEJ在TTB处引起的磁场效应的符号为正.根据(1)式，若不考虑磁场效应的符号，同一位置相同大小的东向EEJ电流，在不同位置处产生的磁场效应乘以电流与观测处之间距离的乘积不变，即ΔB1·r1=ΔB2·r2.根据图10b可知，TTB台站在17∶14 UT地面(r1=110 km)磁赤道处观测的EEJ磁场效应为ΔB1=41.0 nT，可估算同一EEJ在CSES轨道高度(r2=397 km)磁赤道处产生的磁场效应为11.4 nT.而实际上，我们提取的CSES观测的EEJ磁场效应为12.1 nT(见图10a)，与估算的结果基本相符，这也说明我们有效地提取了EEJ的磁场效应.

根据提取的EEJ磁场效应，我们计算得到了EEJ电流密度的纬度剖面.在分析EEJ特征时，本文挑选的EEJ事件电流密度的峰值位于±1°QDlat内，且幅度不小于10 mA·m-1.在2018年8月到2019年12月期间，共挑选出4729个清晰的EEJ事件，它们构成本文统计分析的数据基础.利用挑选出来的EEJ事件，我们分析了CSES卫星观测的平均EEJ电流密度随纬度的变化(见图5).CSES卫星观测的EEJ平均电流密度的峰值位于磁赤道处，这与Lühr 等(Lühr et al., 2004)报道的CHAMP卫星观测的结果相符.由图5可见，CSES卫星观测的EEJ电流密度的峰值约为27 mA·m-1，小于文献(Lühr et al., 2004)中CHAMP卫星观测的EEJ电流密度的峰值150 mA·m-1.在Lühr等(Lühr et al., 2004)研究中，主要利用的是2000年8月到2003年4月之间CHAMP卫星观测的磁场数据.在2000—2003年太阳辐射水平高，F10.7指数的平均值约为174 sfu，而我们所关注的2018—2019年间F10.7指数的平均值约为 70 sfu.CSES卫星观测的EEJ幅度较小可归因于不同时期的太阳辐射水平不同.此外，Lühr 等(Lühr et al., 2004)研究的EEJ的平均电流密度是由CHAMP卫星在10∶00—13∶00 LT之间观测的，而本文中分析的EEJ是由CSES卫星在14∶00 LT附近观测的.在10∶00—13∶00 LT期间，EEJ幅度通常达到最大值，这可以从文献(Zhou et al., 2016)中图6可见，EEJ的峰值电流密度在正午时候达到最大值70 mA·m-1，而在14∶00 LT时EEJ的峰值电流密度下降到40 mA·m-1，这也说明相对于正午而言，午后EEJ电流密度减小.因此，CSES卫星观测的EEJ幅度较小也与其所在的地方时(14∶00 LT)有关.除了EEJ电流密度峰值的幅度外，我们也检测了EEJ的宽度，CSES卫星观测的EEJ半峰值宽度约为4°QDlat，这也与文献(Lühr et al., 2004)的结果相符.但值得一提的是，CSES卫星观测的EEJ随纬度的分布存在明显的半球不对称性(见图4和5)，其原因有待深入研究.

图10 (a) 2018年10月22日世界时17点21分左右CSES卫星过赤道时观测的EEJ磁场效应的纬度剖面与 (b)2018年10月22日TTB地基地磁台站观测的EEJ信号随世界时的变化Fig.10 (a) The latitudinal profile of EEJ magnetic signature observed by CSES about 17∶21 UT on Oct. 22, 2018 and (b) the variation of EEJ magnetic effect observed by ground observatory with UT on Oct. 22, 2018

除了EEJ平均的电流密度纬度剖面外，我们也分析了EEJ峰值电流密度的分布特征(见图6).对于我们所选取的4729个事件，既包含东向EEJ事件，也包含西向EEJ事件，它们的发生率分别为83%和17%.基于CHAMP卫星近10年的地磁观测数据，Zhou等(Zhou et al., 2018a)对西向EEJ事件进行了系统的分析，他们的研究结果表明西向EEJ事件大概占到所有EEJ事件的18%.CSES观测的西向EEJ事件比例(17%)稍低，这与CSES的轨道特点有关.因为CSES轨道降交点地方时固定在14∶00 LT附近，我们在本文中所分析的EEJ事件局限在14∶00LT附近，Zhou等(Zhou et al., 2018a)的研究表明西向EEJ事件正午和午后出现概率低，而晨昏两侧出现概率高.此外，西向EEJ事件在地磁扰动期间出现的概率高，而2018—2019年期间地磁活动水平低也可能是造成CSES观测的西向EEJ事件比例较低的原因.对于CSES观测的西向EEJ事件，EEJ峰值电流密度的最可几值为-20 mA·m-1，这点与Zhou等(Zhou et al., 2018a)报道的结果相符.

利用CSES观测的东向EEJ事件，本文检验了EEJ对经度、季节和太阳辐射水平的依赖性.由图7可见，EEJ峰值电流密度随经度变化呈现4个极大值，分别位于-165°、-75°、0°和105°经度处.利用Swarm A 和C卫星观测的磁场数据，Zhou等(Zhou et al., 2016)也曾报道过这种EEJ随经度变化的4波结构.特别是在秋分季节14∶00 LT附近，由Swarm A和C卫星观测的EEJ幅度随经度变化的四个极大值所在的经度，与CSES卫星观测的结果一致.EEJ的这个随经度变化的4波结构可归因于低层大气的潮汐作用，如DE3，SW6和SPW4等潮汐分量的影响(Zhou et al., 2016).

为了进一步的比较，我们同样考虑2018年8月到2019年12月期间Swarm A卫星的观测，重点关注Swarm A卫星的轨道在13∶30—14∶30 LT时观测的EEJ事件，且要求所挑选的事件满足2.4节中所描述的标准，共挑选出442个符合条件的EEJ事件.对于这442个事件，我们也分析了Swarm A卫星所观测的EEJ随经度变化特征(见图11).由图11可见，尽管Swarm A卫星在此期间观测的EEJ事件较少，CSES和Swarm A两卫星所观测的EEJ随经度变化的主要特征非常相似.除了随经度变化表现为4波结构外，西半球EEJ峰值电流密度较大，特别是在-90°到-60°的区间，这与CHAMP卫星观测结果相符(Lühr et al., 2008).

对于CSES卫星观测的EEJ随季节变化特征方面，整体而言，在春秋分季节EEJ幅度较大，而两至季节EEJ幅度较小(见图8)，这一点也与CHAMP卫星2000—2010年的观测结果相符(Lühr et al., 2021b).CSES卫星观测的EEJ幅度随着太阳辐射水平的增加而增加，增加的斜率约为0.7 mA·m-1·sfu-1，该斜率比CHAMP卫星的观测结果大(Lühr et al., 2021b)，这可能与我们所关注的年份太阳辐射水平整体较低有关.

图11 2018年8月到2019年12月期间，Swarm A卫星在14∶00 LT附近观测的EEJ峰值电流密度随经度的变化特征Fig.11 Longitudinal variation of the peak current density for the EEJ events at 14∶00 LT observed by Swarm A during August 2018 and December 2019

4 结论

本文利用2018年8月至2019年12月期间CSES卫星测量的磁场数据，分析了地磁活动平静期14∶00 LT附近赤道电集流(EEJ)的特征，主要结果如下：

(1) 利用CHAOS-7模型，结合多项式拟合的方法，通过去除主磁场、地壳场、磁层电流和电离层Sq电流系的磁场贡献后，得到CSES卫星观测的EEJ磁场效应，与近乎同时刻相同位置地磁台站观测的EEJ磁场效应相符.在此基础上，采用线电流模型，由EEJ引起的磁场效应反演EEJ电流密度的纬度剖面.通过事件分析和统计分析结果表明，CSES卫星观测的EEJ与Swarm A卫星同期所观测的EEJ特征基本相符.

(2) CSES卫星观测的平均EEJ电流密度的峰值位于磁赤道处，其幅度为27 mA·m-1；和以前报道的CHAMP和Swarm卫星观测结果相比，CSES卫星观测的EEJ平均峰值密度较小.这可归因于2018—2019年期间太阳辐射水平较低，此外也与观测的地方时有关.CSES卫星观测的EEJ宽度窄，半峰值宽度约为4°QDlat；EEJ的主瓣和旁瓣电流密度的峰值之比约为2.7；在本文所关注的EEJ事件中，东向EEJ和西向EEJ事件的发生率分别为83%和17%.这个比例与CHAMP卫星的观测结果稍有不同，与14∶00 LT附近西向EEJ出现的概率较低有关.

(3) CSES卫星观测的EEJ对经度、季节和太阳辐射水平有显著的依赖性.东向EEJ电流的峰值电流密度随经度变化呈现明显的4波结构，其极大值分别出现在-165°、-75°、0°和105°附近，这与同时期Swarm A卫星观测的结果相符，可归因于低层大气非迁移潮汐的影响.东向EEJ电流有显著的季节变化特征，整体而言，二分季节EEJ幅度较大，二至季节幅度较小.在2018—2019年期间，尽管太阳辐射水平较低，EEJ电流密度随太阳辐射水平的增加而增加.

致谢感谢德国地学研究中心(GFZ)Hermann Lühr教授提供的帮助与讨论.本研究工作使用了国家航天局和中国地震局支持的张衡一号卫星的观测数据(https:∥leos.ac.cn/#/dataService/data BrowsingList)；Swarm卫星观测的磁场数据和相应的赤道电集流数据来自https:∥earth.esa.int/web/guest/swarm/data-access；TTB和KOU地磁台站的观测数据来自https:∥www.intermagnet.org/data-donnee/download-eng.php.