張衡一號衛星探測的赤道附近電場分布及其與電離層分布的關系*

何宏瑋 王秀英 趙國存 楊德賀 王 橋 黃建平

(應急管理部國家自然災害防治研究院 北京 100085)

0 引言

電離層電場是電離層帶電粒子運動的主要影響因素，因此電離層電場成為電離層電動力學過程研究的重要參數。電離層中的帶電粒子在電場和磁場共同作用下產生不同方向的運動，進而產生電離層在垂直和水平方向的不同結構分布。例如白天赤道附近低緯區的赤道異常（EIA）現象就是帶電離子在電磁場作用下向上運動，然后由于重力、壓力等作用沿磁力線向兩側擴散，形成類似噴泉效應的作用效果。除EIA現象外，電離層中很多現象也是借助于帶電粒子的動力學過程來分析其形成機制的，例如日落時的PRE（Pre-reversal Enhancement） 現象，以及由PRE導致的電離層等離子體氣泡現象/閃爍現象等，所以電離層電場是研究電離層動力學過程極其重要的參數。

由于受觀測技術的局限，電場觀測數據較電離層其他觀測參數要少得多。早期電離層電場主要以少量地基觀測為主[1-5]，之后開始出現衛星電場觀測，例如AE-E/AE-D衛星電場觀測[6]，但受限于當時的衛星觀測技術，電場觀測數據難以展開全球特性的研究[7]。2004年法國發射了DEMETER衛星，其上搭載了電場觀測載荷（Instrument Champ Electrique，ICE），由ICE觀測數據獲得了一些電場數據的全球性研究成果[8,9]，但該星電場只提供一個方向的數據。2008年發射的C/NOFS衛星，雖然可以產出三分量電場觀測數據，但由于該星主要目的是對低緯電離層不規則結構現象進行研究，其電場觀測載荷（Vector Electric Field Investigation，VEFI）在白天僅以低采樣率采集數據，夜間才會產出高采樣率數據[10]，所以仍不能產出比較全面的全球電場數據結果。2013年歐洲航天局發射的Swarm星座，其電場觀測儀器（Electric Field Instrument，EFI）產出的數據存在問題，一直未正式發布電場觀測數據，僅在2019年9月公布了利用其上搭載的絕對標量磁強計（Absolute Scalar Magnetometer，ASM）觀測數據反演的赤道電離層東向電場數據** https://earth.esa.int/。所以，迄今比較全面的衛星電場觀測數據仍是比較缺少的數據資源。

2018年中國發射了首顆地震電磁監測試驗衛星張衡一號（ZH-1），星上搭載的電場探測儀（Electric Field Detector，EFD）可以觀測ULF，ELF，VLF和HF頻段范圍，根據不同的采樣率產出電場時序數據和電場功率譜（Power Spectral Density，PSD）數據，是迄今衛星電離層電場觀測中產出數據最為豐富的觀測數據集。ZH-1衛星搭載了8種有效載荷[11-13]，EFD載荷是其中產出數據最多的三個載荷之一。根據Gao等[14]對EFD載荷觀測數據的統計，每天產出的數據量達30 GByte，其中僅VLF頻段每天即產出2億條數據記錄。

由于數據量巨大，雖然ZH-1衛星已觀測4年多，但目前對EFD載荷數據的研究結果比較少，而且多為基于軌道數據展開的工作。Zhang等[15]公布的ZH-1衛星與俄羅斯SURA電離層加熱裝置聯合展開的一次星地實驗結果表明：EFD載荷軌道觀測數據能夠記錄到地面人工源激發的電離層電場擾動；Zhao等[16]和Liao等[17]使用VLF頻段軌道觀測數據研究了地面VLF發射機傳播到電離層中的信號，表明EFD載荷的觀測結果與全波模擬結果具有良好的相關性；Boudjada等[18]則利用軌道觀測數據分析了VLF觀測數據記錄到的地面發射信號特征。EFD載荷觀測至今已累積近4年正式觀測數據，但還未見到對EFD載荷全球數據的檢驗結果。

本文綜合了EFD載荷VLF頻段2019年全年觀測數據，利用該數據集對赤道及附近區域電場背景分布及其季節變化特點展開分析，并將地磁赤道沿線更小區域的電場觀測數據與ZH-1衛星原位電子密度觀測數據展開相關性分析。研究結果表明EFD載荷VLF電場功率譜觀測數據在全球較大尺度以及更小空間尺度上的數據結果都與電離層結果具有一致性。所得結果可以為后續其他利用EFD載荷觀測數據的研究與應用提供參考。

1 數據與計算方法

1.1 衛星、載荷及數據

ZH-1衛星為太陽同步軌道衛星，飛行高度507 km，軌道傾角97.4°，觀測范圍為地理緯度南北65°之間，升軌和降軌地方時（衛星經過地面某點的地方時）分別集中于02:00 LT和14:00 LT前后，軌道周期94 min，每天飛行約15圈，重訪周期5 d[12,13]。

根據中國地震局衛星地震應用中心官方發布的《電磁監測試驗衛星科學數據文件規范》，ZH-1衛星坐標系的定義：x方向為衛星飛行方向，z方向指向地心，y方向與x和z方向構成右手系。衛星沿觀測軌道飛行過程中，在赤道附近區域，衛星飛行方向（x方向）大致沿南北方向，即經向。所以這時衛星坐標系的y方向大致對應東西方向，即緯向。衛星坐標系三軸關系如圖1所示，該圖引自中國地震局衛星地震應用中心《電磁監測試驗衛星科學數據文件規范》。

圖1 EFD載荷電場分量及與衛星坐標系關系（xSB，ySB，zSB箭頭方向表示衛星坐標系xyz軸的正值方向；A，B，C，D為EFD載荷4個球形探針的位置；CH1，CH2，CH3 表示實際使用的三個電場分量）Fig.1 Components of EFD payload and their relations with the satellite coordinate (The arrow directions of xSB，ySB，zSB indicate the positive direction of the satellite coordinate xyz; A, B, C,and D represent the position of the 4 sphere probes of the EFD payload; CH1, CH2, and CH3 are the three components of the payload)

ZH-1衛星EFD載荷采用雙探針式空間電場探測，其探測原理是通過雙球形探針耦合獲得相對于其周圍空間等離子體電勢，兩者電勢差除以探針間距離便可得到連線方向電場信號。EFD載荷設有四根卷筒式伸桿，其位置如圖1所示，其中的A，B，C，D分別表示四個球形探針的位置，兩兩組合取差值，選取其中的三組（紅色虛線標示）作為三分量電場觀測數據[19]，紅色虛線箭頭方向表示電場分量的正值方向。圖1中三條藍色線分別表示衛星坐標系的三個坐標軸，箭頭方向表示該軸正值方向。

由圖1可知，電場三個分量（通道）的方向與衛星坐標系不同。對于電場時序觀測數據，通過坐標轉換可以將EFD載荷坐標系數據轉換到衛星坐標系。但對于功率譜數據，即電場時序數據經過快速傅里葉變換（FFT）后得到的頻率和幅值數據，由于FFT計算過程在星上完成，進行FFT變換時直接使用的是圖1所示3個通道方向的電場時序數據，而非轉換到衛星坐標系的時序數據。

EFD 載荷設計有ULF，ELF，VLF和HF 4個探測頻段，工作模式分為巡查模式和詳查模式。巡查模式主要提供電場的功率譜數據，詳查模式（只在包含中國全境和全球兩個主要地震帶地區的特定區域啟用）可提供高采樣率波形數據和功率譜數據。各頻段不同工作模式產出的數據存在差異，在ULF頻段和ELF頻段，EFD以巡查模式沿整個軌道采集波形數據，也產出功率譜數據；在VLF頻段，EFD在巡查模式下產出功率譜數據，在詳查模式下同時產出波形和功率譜數據；在HF頻段，EFD只以巡查模式產出功率譜數據[14,19-21]。

ZH-1衛星的標準科學數據分為0～4級，其中的2級數據是科學研究及加工的常用數據。具體到EFD載荷VLF頻段的2級數據，主要包含UTC絕對時間、地理經緯度、地磁經緯度、衛星飛行高度、工作模式（詳查和巡查）、坐標系轉換矩陣和衛星狀態等屬性參量，以及三分量功率譜觀測數據、1024個頻點值等，其他頻段及類型的電場觀測數據介紹可以參考Gao等[14]的研究及《電磁監測試驗衛星數據系統設計方案》或其他相關數據** https://leos.ac.cn。

本文選用EFD載荷VLF頻段2級數據，該頻段產出功率譜觀測數據的頻率范圍為0～25 kHz。觀測數據中保留的1024個頻點依次為（0.000，24.414，48.828，···，24975.590），即頻點間等間隔，間距24.414 Hz。該頻段涵蓋了很多地面人工發射站的使用頻率范圍，是電場相關研究經常使用的頻段數據[22-24]，例如前文述及的EFD載荷數據研究結果，都采用了VLF頻段的觀測數據[15-18]。

VLF頻段，常規產出為功率譜數據，波形數據僅在詳查模式下產出。本文為完成全球數據分析檢驗目標，使用VLF的功率譜觀測數據。前述功率譜數據由載荷通道方向的時序數據轉換得到，為方便后續分析，選取通道方向與衛星坐標軸最接近的方向。根據Zhang等[15]對EFD載荷坐標系和衛星坐標系對比，圖1中CH3的方向與衛星坐標系的y方向（東西向）接近平行，所以僅使用CH3方向的功率譜數據展開后續的計算和分析工作。

1.2 研究區域選擇與參數計算

由于地磁場在地磁赤道附近僅有水平分量，沒有垂直分量，導致地磁赤道附近的電離層出現多種特殊的分布結構，所以這個區域是電離層研究的重點關注區域。另外，受限于電場功率譜數據的方向性，該數據僅在地理赤道附近才接近地理東西方向，與南北向的磁場方向聯合作用導致帶電粒子產生垂直運動，便于對數據展開分析。因此，本文也將赤道及附近區域作為研究區域。

檢驗電場觀測數據的主要研究思路：其一，從全球尺度而言，由于電離層等離子體受電磁場作用，在赤道附近會形成特殊的空間天氣現象并呈現隨季節演化的特性，EFD電場觀測數據背景呈現的特征如與之相符，可以證明電場數據相對變化的正確性；其二，在較小空間尺度上可以反映更為細節的特征，同一衛星電場與電離層觀測數據的相關性，可進一步證實電場觀測數據與其他數據集的一致性。因此，擬從這兩個方面展開計算和分析檢驗工作。

對于大尺度的比較和分析，為獲得VLF功率譜數據在地磁赤道附近的背景分布及季節變化，選取地理赤道南北兩側30°范圍的觀測數據作為研究數據集[25]，采用以經緯度劃分網格，計算每個網格內的逐月背景。網格劃分及計算方法參考了Wang等[26]的背景計算方法，具體如下。

（1） 經緯度網格參數，采用具有較高空間分辨率的2°×5°（緯度×經度）。

（2） 時間窗長參數，以自然月為時間計算單位。

（3） 頻率參數，VLF頻段功率譜數據包含1024個頻點，本文關注電場的背景分布情況，為簡化計算，采用48.828 Hz頻率觀測數據。

（4） 背景計算采用網格內一個月數據序列中1/4到3/4分位數之間的數據均值作為該窗口背景值。

相關背景計算方法參考文獻[26]。由于計算背景的方法已消除比較大的數據波動，而2019年是太陽活動低年，地磁活動事件很少，所以計算背景時沒有專門剔除地磁活動時的數據。研究采用了2019年全年數據，利用上述參數和計算方法，分別計算白天和夜間數據在研究區域內每個網格的功率譜背景值，同時給出了對較小尺度下ZH-1衛星電場和原位電子密度觀測數據相關性分析的計算方法與參數。

2 研究結果

2.1 赤道附近電場空間分布及季節變化規律

EFD載荷VLF頻段功率譜觀測數據通道3（CH3）與衛星坐標系y軸最為接近，在赤道附近區域，衛星坐標系y軸對應觀測位置所在地的東西方向。由于地磁場在地磁赤道附近只有水平分量，這時東西向電場對帶電粒子的動力學過程起主要作用，因此這里僅使用圖1中CH3的數據，后文如無特別說明，提及的電場功率譜數據即指CH3觀測數據。

為分析研究區域電場功率譜的空間分布特征及隨季節的演化特性，繪制VLF功率譜數據的逐月背景分布，結果如圖2和圖3所示。其中圖2為白天觀測數據，圖3為夜間觀測數據。

圖2 2019年白天功率譜（PSD）逐月背景分布（黑色實線表示磁傾角為0的磁赤道，白色虛線為地理赤道）Fig.2 Monthly background distributions for daytime PSD measurements in 2019 (The black solid line indicates dip equator, and the white dashed line is the geographic equator)

圖3 2019年夜間功率譜（PSD）逐月背景分布（黑色實線表示磁傾角為0的磁赤道，白色虛線為地理赤道）Fig.3 Monthly background distributions for nighttime PSD measurements in 2019 (The black solid line indicates dip equator, and the white dashed line is the geographic equator)

分析圖2所示白天電場功率譜逐月背景分布的特點如下。

（1）白天近東西向電場背景的空間分布在赤道附近存在一個明顯的高值區。高值區沿地磁赤道分布，在地磁赤道兩側的空間延伸范圍隨季節變化；春秋季在地磁赤道兩側空間分布大致對稱；夏冬季空間分布向夏季半球延伸。電場背景的這種空間分布及季節變化特點與電離層EIA現象呈現的特點一致。

（2）地磁赤道附近電場背景空間分布隨經度呈現明顯的波形結構，而且波形的數量隨季節有變化，其中春秋季4波結構比較明顯，夏冬季3波結構更顯著。這種波形結構分布及其季節演化特征與電離層EIA現象也一致。

（3）白天近東西向電場背景的數值變化也呈現出明顯的季節特征，春秋季電場背景值較大，夏冬季則背景值較小。整體表現為：春秋季峰值、秋冬季谷值；春季峰值大于秋季峰值，夏季谷值明顯小于冬季谷值。此外，電場背景的春秋季峰值還存在明顯的季節不對稱性，即秋季峰值出現的時間延后。電場背景值的這種季節變化特性與EIA現象表現的季節特點也一致。

與白天近東西向電場背景相對比較簡單及比較規律的時空分布不同，圖3所示赤道附近夜間電場的背景分布更為復雜，可以歸納如下特征。

（1）夜間近東西向電場背景在赤道附近的空間分布也能看出存在高值區，但高值區邊界較白天電場背景的分布不甚明顯。夜間電場背景的分布也是沿地磁赤道分布，但夜間電場的分布較白天向地磁赤道兩側延伸的距離更遠。夜間近東西向電場在地磁赤道兩側分布對稱性的季節變化特征規律不是很明顯，主要源于夜間電場背景值間差異較小，變化更顯復雜，規律性不強。

（2）夜間赤道附近近東西向電場背景沿經度也呈現了高值、低值相間的分布，雖然不如白天數據明顯，仍能大致看出波形結構的分布形態，波數大致為3波或4波。夜間電場的波形結構分布與之前對夜間電離層的波形結構觀測結果一致。

（3）夜間近東西向電場背景值隨季節也呈現出較為明顯的變化規律，但與白天背景數據的季節規律大相徑庭，表現為明顯的夏冬季峰值、春秋季谷值的季節規律，而且夏季峰值大于冬季、秋季谷值大于春季。相較于白天電場背景春秋季峰值的季節不對稱性，夜間電場背景的夏冬季峰值也存在明顯的不對稱性，夏季峰值的持續時間明顯長于冬季峰值。

對白天和夜間近東西向電場背景分析的結果顯示，EFD載荷的電場觀測數據在空間分布和季節演化方面都表現出較好的規律性，與EIA現象展現的特點相符。所以，電場觀測數據在全球空間尺度上和全年時間尺度上展現的特性可初步證明EFD載荷電場觀測數據相對變化的正確性。

2.2 電場與電子密度月背景相關性分析

通過綜上對近東西向電場背景在赤道附近區域的全球時空分布特征進行的分析，確認了在較大時空尺度上電場觀測數據相對變化的正確性。為進一步分析電場觀測數據在更小空間尺度上與電離層觀測數據的一致性，選擇了ZH-1衛星朗繆爾探針的原位電子密度觀測數據參與對比分析，朗繆爾探針載荷觀測數據已經過驗證分析，有關朗繆爾探針載荷原位電子密度觀測數據的詳細介紹請參閱Wang等[12,26]的研究結果。

為給出更小空間尺度的特征，對比兩個觀測量的相關性，將研究范圍縮小到地磁赤道兩側5°區域內。另外，考慮到電場與電離層隨經度的變化特性，以地理經度30°為間隔將地磁赤道附近區域分為12個小經度區，分別計算每個經度區地磁赤道南北5°區域內電場和電子密度數據的逐月背景均值。需要說明的是，計算時采用的地磁坐標為觀測數據中提供的偶極場地磁坐標，與IGRF模型中的地磁坐標有所不同。

由于電場功率譜觀測數據與電子密度觀測數據在數值上相差懸殊，為便于比較兩者，對兩組背景數據進行了最大最小值歸一化處理。表1為白天和夜間兩組數據間的皮爾遜相關系數。由不同經度區相關系數的數值可見，除個別情況外，兩組數據間的相關性隨經度區不同沒有大的差異。圖4和圖5為兩個載荷觀測數據的比較結果，其中的實線為歸一化后的近東西向電場月均值時序曲線，虛線為歸一化后的電子密度月均值時序曲線，圖4為白天數據，圖5為夜間數據，每個子圖上方的數字表示所在地理經度區，經度范圍為（-180°，180°）。

表1 不同經度區功率譜與電子密度觀測數據月背景相關系數Table 1 Pearson correlation coefficients of monthly background for PSD and electron density measurements in different longitude sectors

圖4 2019年白天功率譜（PSD）與電子密度觀測數據月背景變化趨勢對比Fig.4 Comparison of monthly background for daytime PSD and electron density measurements in 2019

圖5 2019 年夜間功率譜（PSD）與電子密度觀測數據月背景變化趨勢對比（黑色虛線橢圓表示與夜間整體情況存在差異的情況）Fig.5 Comparison of monthly background for nighttime PSD and electron density measurements in 2019(The black dashed ellipses indicate the situation that differs from the overall nighttime conditions)

分析表1中白天電場功率譜背景和電子密度背景的相關系數（rd）并對比圖4中兩者在各經度區的變化趨勢，兩者在白天整體上表現出高度一致性。具體特征概括如下。

（1）與電場逐月背景分布呈現的春秋峰值的季節特點一致，春秋峰值的季節特性出現在地磁赤道附近的所有經度區。與此對應，電子密度背景也呈現了較為明顯的春秋季峰值的季節特征，即之前研究所謂的季節異常特征。

（2）兩個觀測量的春秋峰值在時間上也具有不對稱性，春季峰值大致對應4月份，秋季峰值對應10月份甚至延遲到11月份，春季峰值與春分點比較接近，而秋季峰值比秋分點延后時間更長。兩個觀測量出現季節峰值的時間基本同步。

（3）雖然兩者整體上呈現一致的趨勢變化，但在不同經度區兩個觀測量的春秋峰值季節規律存在差異。兩個觀測量春秋季峰值在數值上也具有季節不對稱性，而且這種不對稱性隨經度有所變化。部分經度區為春季峰值大于秋季，部分經度區為春秋季峰值相當，還有部分區域為秋季峰值大于春季。春秋季峰值數值上的不對稱性隨經度的演化在電場背景值中表現更為明顯，電子密度背景的不對稱性更多表現為春季峰值較大。兩者之間的差異，導致兩個觀測量在某些經度區出現了結果不一致的時段，例如在90°—150°跨越的3個經度區，電場背景春秋峰值相當或秋季峰值大于春季，電子密度背景的春秋峰值都表現為春季峰值大于秋季。

總體而言，在地磁赤道附近，白天電場背景與電子密度背景基本同步變化，兩者呈現正相關性，其之間較高的相關性表明兩個觀測量之間在較小空間尺度上具有一致性。由于地磁赤道在不同經度區有較大差異，兩個觀測量間的相關性也隨經度不同而有所差異，具體在討論部分對此進行進一步分析。

分析表1中夜間電場功率譜背景和電子密度背景的相關系數（rn）并對比圖5中兩者在各經度區的變化趨勢，兩者在夜間大致呈反向變化，且兩者之間在多數經度區的相關程度要高于白天。具體表現為如下特征。

（1）夜間電子密度背景的季節趨勢與白天的情況類似，多數經度區仍然呈現出雙峰的季節特征，少數經度區雙峰季節特征不明顯；而且峰值出現的季節月份更趨復雜，呈現峰值出現季節隨經度變化的特征。與此相對應的電場功率譜背景變化趨勢則完全不同，主要呈現出夏冬峰值的特征，某些區域冬季峰值不明顯。夏季峰值主要出現在7月，也有少數經度區間出現在6月或8月，冬季峰值主要出現在1月和12月。

（2）電場的逐月背景變化趨勢與電子密度的變化趨勢反向變化，即兩者負相關。這種負相關性在不同經度區也有所差異，在（-90°，180°）經度區，兩個觀測量的負相關性極其明顯；而在（-180°，-90°）經度區，電子密度背景規律性較差，對應的電場規律性也不明顯，但兩者仍然一定程度上表現為負相關特性，尤其在1月和12月，兩個觀測量的反向變化更為明顯。

總結夜間數據的趨勢變化特點，電場背景和電子密度背景大致呈負相關變化，這種負相關表明電場和電子密度觀測數據具有一致性。總體上夜間數據的相關程度要高于白天數據，在夏季、冬季等電場幅值較大季節的多數經度區相關程度相對更高。

3 分析與討論

為檢驗ZH-1衛星EFD載荷電場觀測數據，綜合了2019年全年VLF頻段電場功率譜數據，得到了赤道附近近東西向電場背景的逐月分布及其變化特點。對于白天數據，電場背景無論在空間分布還是季節變化上都表現出極好的規律性，電場沿地磁赤道兩側呈現隨經度變化的波形結構分布，而且波形數隨季節變化有差異，大致呈3波、4波結構；白天電場數據的季節變化呈現出明顯的春秋峰值的特點；與白天電子密度在赤道附近的背景趨勢比較，兩者呈現一致的變化趨勢，即兩者之間正相關。對于夜間數據，電場背景分布的規律性不如白天數據明顯，但仍能呈現隨經度的波形結構分布以及隨季節的波形結構數變化；夜間電場背景的季節特點在多數經度區呈現夏冬峰值的特點，與夜間電子密度逐月趨勢對比，兩者大致呈負相關關系。兩個觀測量在全球尺度和較小空間尺度的計算分析結果均表明電場和電子密度觀測數據具有一致性。

3.1 研究數據的選取

EFD載荷的電場功率譜數據由所在通道（方向）的時序數據在星上展開FFT計算完成，轉換后的功率譜數據失去了矢量數據的部分屬性，只能反映原始數據采集方向上電場的相對幅度變化關系，具體方向信息比較模糊。由于電磁場對帶電粒子的作用與其之間的方向密切相關，因此，為更好地對功率譜數據展開分析，采用了CH3的產出數據。因為該通道方向與衛星坐標系的y軸方向近似平行[15]，所以CH3的功率譜數據可以大致反映電場在衛星坐標系y方向的相對幅度變化關系。

根據衛星飛行軌道，在赤道附近觀測時，軌道前進（衛星坐標系x軸）方向大致沿地理南北方向，此時衛星坐標系的y軸方向大致對應地理東西方向，即地理赤道延伸方向。但是圖2和圖3所示的地理赤道與地磁赤道關系表明，兩者實際上存在較大差異。由圖2和圖3可以看出，電場的空間分布明顯與地磁赤道密切相關，地磁赤道在不同地理經度，相對于地理赤道的位置有較大差異；沿地磁赤道，雖然地磁場主要為水平分量，但由于磁偏角變化范圍較大，在磁偏角較大的經度區，磁力線與地理南北方向偏離較大，其與衛星坐標系的y方向就會遠離垂直關系，進而會明顯影響近東西向電場（即CH3數據）對帶電粒子的作用，最終會影響電場與電離層觀測數據的關系，在后面分析中會有涉及。

3.2 電場與電離層相關性

3.2.1 白天數據

白天的近東西向電場功率譜與電子密度的月變化趨勢高度一致，即兩個觀測量間存在較高的正相關性。由于電離層電場是影響電離層帶電粒子運動的重要驅動源。一般認為，在赤道附近區域，電離層E區發電機效應產生的電場會映射到衛星飛行高度所處的電離層，白天電場整體上主要呈東向[2,27,28]，使帶電粒子整體產生向上運動。白天赤道附近的EIA現象就是通過電場向上搬運帶電粒子的噴泉效應而形成。結果表明，赤道附近近東西向電場的時空分布與電離層背景的時空分布高度一致，與之前的研究是一致的。

根據以往的研究[29]，白天赤道附近電離層EIA現象沿地磁赤道呈現波形結構分布，而且波數隨季節會有所變化；這些空間分布特點及其隨季節的變化特性在近東西向電場功率譜數據中都有所反映。這表明兩個觀測量之間雖然是基于不同觀測原理的分別測量，但測量結果之間具有高度一致性。

另外，對電離層觀測的很多研究結果也顯示電離層在赤道附近存在季節異常（SA）現象[30-33]；據Wang等[26]對ZH-1衛星2019年原位電子密度觀測數據的背景分析結果也清晰顯示季節異常現象僅存在于赤道附近區域。電離層的季節異常現象及其出現的區域，與本文近東西向電場數據顯示的春秋季峰值及其在空間上的分布區域是一致的。進一步表明了兩個觀測量之間在一些細節表現上也是一致的。

盡管白天電場和電子密度觀測數據間在整體趨勢、表現細節上具有較高一致性，但同時也應注意圖4中，兩者之間在10，11月份存在明顯的不一致性。由于本文使用的電子密度觀測數據與電場數據來自同一衛星，兩個觀測量具有相同的觀測高度和觀測地方時，來自外界對觀測環境的影響對兩者的影響相同。因此，對兩者的不一致性，這里盡量從兩個載荷數據間的差異來分析。

統計2019年10月和11月兩個觀測數據集之間所用數據的軌道數量，電場數據10月和11月軌道總數分別為294，386個，而根據Wang等[34]對電子密度數據可用軌道的統計，10月和11月分別僅有約260，200個，兩個觀測量之間所用軌道數據，尤其是11月軌道數據，存在較大差異，會影響兩個觀測量的背景值，從而導致兩個結果在這個季節產生較大差異。另外，由于地磁赤道與地理赤道存在較大差異，而且數據計算中使用的偶極場地磁赤道與IGRF模型的地磁赤道也存在差異，導致不同經度區東西向電場在垂直磁力線方向的分量不同，對帶電粒子的作用力不同，進而導致電場和電子密度之間產生差異。因此，參與計算的軌道數量以及地磁赤道位置差異可能共同造成圖4所示兩者之間的差異。

3.2.2 夜間數據

夜間電場功率譜數據與電離層背景的關系整體上呈現相反變化趨勢，即負相關，但變化相較于白天更加復雜；在某些經度區，兩個觀測量之間的關系不甚明確，甚至在個別經度區的部分季節，如圖5中以橢圓標識的若干區域，會出現與夜間的整體情況存在較大差異的情況。

兩者在很多經度區都存在負相關性，這表明兩個觀測量整體上密切相關。如圖3所示，夜間電場功率譜數據在赤道附近的空間分布以及隨季節的變化，整體上也是呈波形結構分布，而且波數也隨季節有所變化，雖然這種波形結構及季節變化特點沒有白天數據明顯，但是這種關系是存在的。而且這種波形結構分布特點與夜間電離層數據的空間分布特點相似。之前的電離層研究也顯示，夜間電子密度同樣存在類似波形結構的分布[29,35,36]，夜間電場背景分布與電離層觀測的背景分布結構一致性表明夜間電場觀測數據的空間相對變化以及時間相對變化基本可靠。

電場與電離層背景季節變化趨勢的對比反映的是更為細節的特征，兩者總體上表現為反向變化，但在某些經度區的趨勢不一致或者不明顯，需要進一步分析。本文所使用的近東西向電場為地理東西向，而圖5顯示出電場和電離層關系不明確的經度區主要在西半球，該區地磁赤道與地理赤道有較大差異，存在較大的偏東或偏西的磁偏角，導致（地理）東西向電場與磁場之間并非垂直關系，進而影響電場、磁場對帶電粒子的作用力。另外，雖然夜間電場整體表現為西向，但太陽活動低年，夜間電場的觀測值很小，極易發生波動而反轉[28]。兩個因素聯合作用，會導致在西半球的一些經度區，東西向電場和電離層的關系不明顯。事實上，根據Wang等[26]對夜間電子密度背景波動與白天數據的比較，夜間數據波動更大。所以，夜間電場數據波動較大的現象與夜間電子密度數據表現的波動大的情況是一致的。

赤道附近夜間電場主要為西向，西向電場導致帶電粒子夜間主要表現為向下運動[2,28]。更多的研究表明，夜間赤道區存在電離層擴展（Equatorial Spread F，ESF）現象，也稱之為等離子氣泡（Plasma Bubble）、等離子耗空（Plasma Depletion）或不規則結構（Plasma Irregularity）等。對ESF現象的相關研究顯示，ESF現象主要由電離層向上運動才得以形成[37-39]。但根據Wang等[34]對ZH-1衛星2019年電離層數據的研究結果，夜間電離層在赤道附近存在大量不規則結構，只有電離層向上的運動才能產生這些不規則結構，這表明夜間存在電場反轉（reversal）現象，即電場雖然整體為西向，但存在局部為東向的情況。實際上夜間電場的局部反轉現象在太陽活動低年非常普遍。由前述太陽活動低年時電場值較低，容易發生反轉，這種情況使得夜間電場的結構和分布更趨復雜，對應的夜間電離層的結構和分布特性也很復雜。ZH-1衛星夜間觀測時間在赤道附近的地方時在02:00 LT左右[12]，屬于午夜后，但仍發現在這個時段電離層觀測數據中存在大量不規則結構，而且不規則結構的季節變化規律為夏冬峰值[34]，與電場觀測數據夏冬峰值的季節規律一致。這表明在夏冬季節，電場經常存在反轉現象，導致大量不規則結構的產生。不規則結構在電子密度觀測數據上表現的形式為數據的劇烈上下波動，由于電場采用的是近東西向功率譜數據，僅能反映幅度相對變化大小，并不能反映具體方向，所以無論電場如何反轉，在幅值上都無法表現出來。在這種情況下，電離層背景的平均值由于數據波動會被拉低，而電場功率譜數據，其平均值總體上不會被拉低，這會導致兩者出現負相關關系在某些情況下可能相關性不明顯。

4 結論

利用ZH-1衛星EFD載荷 VLF 頻段2019全年的電場功率譜數據，對赤道及附近區域頂部電離層（衛星飛行高度）近東西向電場月均值背景時空分布及季節演化特征進行分析，并對更小空間尺度下電場與電子密度的關系進行對比，可以得到如下結論。

（1）白天電場功率譜背景在赤道附近的分布形態與電離層在這個區域的EIA分布形態類似，隨地理經度呈現波形結構的分布形態，波數隨季節有所變化，主要以3波、4波為主。白天電場背景在赤道附近呈現春秋峰值的季節變化規律，與赤道附近電離層背景呈現的季節異常現象一致。所以白天近東西向電場的空間分布和季節變化與白天電離層觀測數據具有高度一致的變化，兩者之間具有正相關性。

（2）夜間電場功率譜背景在赤道附近的時空分布特性沒有白天數據明顯，但仍可呈現波形結構的分布，以及波形隨季節變化的大致規律。赤道附近，近東西向功率譜背景與電離層背景整體呈現反向變化的特點，即兩者之間存在負相關性。夜間電場背景更多呈現了夏冬峰值的季節特性，與電離層觀測中不規則結構夏冬峰值的季節特性一致，反映了兩者之間的內在關聯性。

EFD載荷是ZH-1衛星產出觀測數據種類最為豐富、觀測數據量最大的載荷之一，觀測至今已累積海量觀測數據，但對該載荷觀測數據的研究和應用還非常有限。本文利用該載荷VLF頻段功率譜數據的分析以及與電離層觀測數據的比較結果都表明VLF頻段觀測數據基本可靠，可以服務于更多的研究和應用領域。后續將繼續利用該數據集展開更多電場數據的分析與研究。

致謝本工作使用了中國國家航天局和中國地震局支持的張衡一號觀測數據。本文研究數據從https://leos.ac.cn下載獲取。