利用小波分析研究近地空間高能電子的周期變化特征*

廖偲含 王宏偉 魯同所,2,5? 楊 興 匡 攀

(1西藏大學(xué)理學(xué)院物理系拉薩850000)

(2中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所上海201800)

(3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院北京100049)

(4中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院上海201210)

(5西藏大學(xué)珠峰研究院拉薩850000)

1 引言

高能帶電粒子環(huán)境是地球同步軌道衛(wèi)星遭遇到的重要空間輻射環(huán)境,主要來源包括輻射帶高能電子和太陽高能帶電粒子[1].在地磁活躍期間,高能電子通量在幾小時(shí)到幾天的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)好幾個(gè)量級(jí)的增強(qiáng)變化,可能會(huì)穿透衛(wèi)星屏蔽導(dǎo)致深層充電,而在長(zhǎng)時(shí)間高通量后還可能會(huì)產(chǎn)生放電損害[2],如≥1 MeV的相對(duì)論電子可能造成同步軌道衛(wèi)星計(jì)劃失敗或發(fā)生故障等.衛(wèi)星出現(xiàn)異常與粒子輻射關(guān)系的統(tǒng)計(jì)研究表明對(duì)于地球同步軌道而言,高能電子(≥2 MeV)通量的持續(xù)顯著增強(qiáng)是造成該區(qū)域衛(wèi)星異常的重要因素[3].王馨悅等人研究了同步軌道區(qū)域高能電子通量的晨昏不對(duì)稱性[4];王春琴等人給出了帶電粒子在不同擾動(dòng)程度下多星通量變化的對(duì)比結(jié)果[5];劉震等[6]對(duì)風(fēng)云(FY)4號(hào)A星和GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)13衛(wèi)星相對(duì)論電子(≥2 MeV)數(shù)據(jù)在軌交叉定標(biāo)及數(shù)據(jù)融合進(jìn)行了研究;Alania等[7]研究了地磁活動(dòng)和宇宙線27 d的周期.高能帶電粒子在地球同步軌道空間受太陽活動(dòng)、地磁活動(dòng)的影響顯著,表現(xiàn)出頻繁劇烈的動(dòng)態(tài)變化,結(jié)合地磁活動(dòng)相關(guān)參數(shù),如Dst(赤道環(huán)電流指數(shù))和AE(極光電射流指數(shù))指數(shù),對(duì)高能帶電粒子通量在磁暴、亞暴和太陽爆發(fā)等擾動(dòng)影響下的變化特征進(jìn)行分析具有重要意義.

國(guó)際上常用的地球同步軌道輻射環(huán)境數(shù)據(jù)源主要是NOAA(National Oceanic Atmospheric Adminstration)/GOES系列衛(wèi)星.GOES是美國(guó)NASA(National Aeronautics and Space Administration)研發(fā)、NOAA管理的地球靜止軌道業(yè)務(wù)衛(wèi)星,采用雙星運(yùn)行體制,GOES-East衛(wèi)星和GOES-West衛(wèi)星分別定點(diǎn)在西經(jīng)75°和西經(jīng)135°的赤道上空.GOES 10和GOES 11分別是GOES系列第2代的第3、4顆衛(wèi)星,分別位于西4時(shí)區(qū)和西9時(shí)區(qū),采用3軸穩(wěn)定系統(tǒng),均搭載了可視紅外大氣輻射計(jì),空間環(huán)境探測(cè)器(SEM),高能粒子探測(cè)器載荷包含11個(gè)能量通道、8個(gè)質(zhì)子能道、1個(gè)≥2 MeV的電子能道.FY 2號(hào)系列衛(wèi)星是我國(guó)唯一持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間開展高能帶電粒子探測(cè)的地球同步軌道系列衛(wèi)星,也是目前除GOES系列衛(wèi)星以外在該軌道高度持續(xù)開展空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的系列衛(wèi)星.其中FY 2C衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間為2004年10月19日,它在35784–35792 km高度的高軌道上飛行,軌道周期為1436.17 min、軌道傾角為4.96°、自旋穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速100 r/min,FY 2C在性能上較FY 2A/2B兩星有較大的改進(jìn)和提高.FY 2D衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間為2006年12月8日,它在35783–35788 km高度的高軌道上飛行,軌道周期為1436.04 min、軌道傾角為1.84°.FY 2C和FY 2D衛(wèi)星均定點(diǎn)在東經(jīng)86.5°赤道上空,分布在東時(shí)區(qū),自旋穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速100 r/min,搭載的空間粒子探測(cè)器有7個(gè)能量通道,均含有≥2 MeV高能電子的監(jiān)測(cè)能道.

本文主要通過對(duì)23–24太陽周(1999–2012年)GOES和FY衛(wèi)星≥2 MeV高能電子通量以及同時(shí)段的地磁指數(shù)(Dst、AE)進(jìn)行詳細(xì)分析,發(fā)現(xiàn)上述衛(wèi)星的高能電子通量變化的短周期相同,中長(zhǎng)周期有一定的差別,但均與地磁指數(shù)的周期性非常相似.進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn),不同的地磁擾動(dòng)可以對(duì)高能電子通量造成相同的結(jié)果,GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量的變化存在一定的差異.

2 數(shù)據(jù)的插值處理和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的插值處理

為詳細(xì)描述高能電子通量的變化特征,需要長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè)和多星聯(lián)合對(duì)比,故結(jié)合FY和GOES系列衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果,進(jìn)行對(duì)照、篩選和分析,可以獲得更詳盡的瞬時(shí)和長(zhǎng)期的粒子空間分布特征.本研究所使用的數(shù)據(jù)為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)衛(wèi)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)衛(wèi)星≥2 MeV電子通量資料,數(shù)據(jù)時(shí)間均為世界時(shí)(UT),精度為5 min,每日288個(gè)數(shù)據(jù),時(shí)間跨度從第23個(gè)太陽周到第24個(gè)太陽周(其中數(shù)據(jù)空缺值按國(guó)家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心專家的建議利用前后插值處理).

對(duì)同時(shí)段(2004年10月25日至2010年12月30日)GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量做日平均處理,由于GOES 10衛(wèi)星在2005年5月7日至2005年9月4日連續(xù)缺失121 d數(shù)據(jù),GOES 11衛(wèi)星在2010年7月14日至2010年9月23日連續(xù)缺失72 d數(shù)據(jù),除去缺失數(shù)據(jù)日期,在2004年10月25日至2005年5月6日GOES 10和FY 2C衛(wèi)星高能粒子通量相關(guān)系數(shù)為0.8473,2005年9月5日至2010年7月13日GOES和FY衛(wèi)星高能粒子通量相關(guān)系數(shù)為0.7988,2010年9月24日至2010年12月30日GOES 11和FY 2D衛(wèi)星高能電子通量的相關(guān)系數(shù)為0.9155.根據(jù)專家建議采取臨近插值后的高能粒子通量如圖1所示,2004年10月25日至2010年12月30日GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量的相關(guān)系數(shù)為0.7701,除處于不同磁緯原因?qū)е翯OES衛(wèi)星的高能電子通量觀測(cè)值幾乎大于FY衛(wèi)星外,其變化趨勢(shì)大致相同.由于其相關(guān)系數(shù)>0.7,因此FY衛(wèi)星對(duì)高能電子通量的探測(cè)數(shù)據(jù)可以作為獨(dú)立分析的依據(jù).FY與GOES衛(wèi)星對(duì)比彌補(bǔ)了單顆衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)量不足的缺點(diǎn),為各類擾動(dòng)影響下高能粒子通量變化特征的分析提供了依據(jù),同時(shí)也為多星數(shù)據(jù)同化中的應(yīng)用提供了參考.

圖1 FY和GOES衛(wèi)星同時(shí)段≥2 MeV高能電子通量對(duì)比Fig.1 Comparison of≥2 MeV high-energy electron flux between FY and GOES satellites at the same time

2.2 小波分析方法介紹

小波分析在時(shí)域和頻域內(nèi)同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì),能夠抓住研究對(duì)象的局部和細(xì)節(jié),被人們稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”.小波分析與傳統(tǒng)的時(shí)間序列模型相比具有以下3個(gè)特點(diǎn):(1)能夠在多尺度下進(jìn)行分析;(2)能夠在時(shí)域和頻域進(jìn)行聯(lián)合局部分析;(3)能夠?qū)Ψ蔷€性系統(tǒng)進(jìn)行良好的局部逼近[8].

例如高能電子通量的時(shí)間序列可以看作一組離散信號(hào),由于高能電子通量受到太陽活動(dòng)、磁暴、亞暴事件等多種擾動(dòng)影響,高能電子通量的周期性波動(dòng)頻率處于低頻部分,而擾動(dòng)事件造成的波動(dòng)頻率處于高頻部分.小波分析可以將信號(hào)中的高頻部分和低頻部分進(jìn)行分離,低頻部分代表信號(hào)的發(fā)展趨勢(shì)和周期性規(guī)律,而高頻部分可以代表那些由于突發(fā)因素造成的波動(dòng).本文選用Morlet小波作為小波母函數(shù)[9],主要是由于Morlet小波變換是高斯包絡(luò)下的單頻率復(fù)正弦函數(shù),其時(shí)域及頻域局部性均較好.表達(dá)式如下:

其中ω0表示無量綱頻率,i表示虛數(shù),t表示無量綱相位差.取ω0=6.0以滿足容許性條件.在實(shí)數(shù)域信號(hào)f(t)小波變換的離散表達(dá)式為:

定義小波功率譜為:

小波總功率譜

其中,f(n?t)為所用數(shù)據(jù)點(diǎn),a為尺度(伸縮)因子,b為平移因子,?t為采樣間隔,N為采樣點(diǎn)數(shù),n=0,1,···,N?1.小波功率譜是否顯著,可用相應(yīng)紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行檢驗(yàn)[9].

基于連續(xù)小波分析的交叉小波變換是將小波變換和交叉譜相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型信號(hào)分析技術(shù)[10],該方法可以從多時(shí)間尺度的角度來研究?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列在時(shí)頻域中的相互關(guān)系.設(shè)WXn(s)、WYn(s)分別是給定的兩個(gè)時(shí)間序列X和Y的連續(xù)小波變換,則定義它們的交叉小波功率譜(XWT)為:

其中上標(biāo)*表示復(fù)共軛,s為伸縮尺度,指示了兩條序列(X,Y)之間協(xié)方差大小的尺度,其值越大,表明兩者越具有共同的高能量區(qū),彼此相關(guān)顯著.

3 高能電子通量的周期性變化

3.1 GOES衛(wèi)星高能電子通量的周期

為研究高能電子通量的周期變化,對(duì)GOES和FY衛(wèi)星能量不低于2 MeV的高能電子通量均進(jìn)行日平均處理.圖2(a)、圖2(b)分別為GOES衛(wèi)星1999年3月21日至2010年12月30日高能電子通量在時(shí)頻空間上的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜,小波功率譜已用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化.

圖2 GOES衛(wèi)星高能電子通量的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜(圖2(a)中所示顏色條,顏色范圍從深藍(lán)色漸變到深紅色,對(duì)應(yīng)圖2(a)中功率譜圖的曲線顏色,數(shù)字越大代表功率譜圖此位置的功率譜越強(qiáng),亮黃色以上表明高值區(qū)域,黑線包圍的范圍表明通過了顯著性水平α=0.05的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜的檢驗(yàn);虛線范圍以內(nèi)高值區(qū)域是影響錐,以外的功率譜由于受到邊界效應(yīng)的影響而不加考慮.圖2(b)中縱坐標(biāo)與圖2(a)相同,藍(lán)色實(shí)線表示周期及對(duì)應(yīng)的譜值,橙色虛線表明通過了95%的顯著性檢測(cè)).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%.)

由圖2(a)可知,GOES高能電子通量小波功率譜的8–16 d、16–32 d、64–128 d、128–256 d、256–512 d、512–1024 d尺度顯著.8–16 d和16–32 d尺度的高能電子通量在時(shí)域上主要出現(xiàn)在2003–2008年和2010年;64–128 d尺度主要出現(xiàn)在2004–2005年;128–256 d在2004年至2006年上半年功率譜較高,只有2004–2006年年初通過了顯著性檢測(cè);256–512 d在2004年至2007年功率譜較高,但2004年上半年和2007年沒有通過顯著性檢驗(yàn).由圖2(b)總體小波功率譜可看出13.9 d、27.7 d、187.0 d、342.9 d譜值最突出,但只有13.9 d、27.7 d通過了95%的顯著性檢測(cè),說明這兩個(gè)周期在全局范圍內(nèi)都很顯著.

3.2 FY衛(wèi)星高能電子通量周期

圖3(a)、圖3(b)分別為FY衛(wèi)星2004年10月25日至2012年5月20日≥2 MeV電子通量在時(shí)頻空間上的Morlet小波功率譜和總體小波功率譜.由圖3(a)可知,FY衛(wèi)星高能電子通量小波功率譜在8–16 d、16–32 d、64–128 d、128–256 d尺度顯著.8–16 d尺度的高能電子通量主要出現(xiàn)在2004–2008年,2010年和2011年,2012年16–32 d尺度的高能電子通量在時(shí)域上主要出現(xiàn)在2004–2008年,2010年和2012年;64–128 d在2005年、2007–2008年功率譜較高,只在2008年通過了顯著性檢測(cè);128–256 d雖然在2005–2008年功率譜較高,但只有2005年年末至2006年年初通過了顯著性檢測(cè);256–512 d盡管在全時(shí)域功率譜較高,卻均未通過顯著性檢測(cè).由圖3(b)總體小波功率譜可看出其13.9 d、27.7 d、222.3 d、374.0 d譜值最突出,不過4個(gè)周期中只有前兩個(gè)通過了顯著性檢測(cè).這說明地球同步軌道≥2 MeV電子通量具有半年和年周期且僅在局部時(shí)域顯著.

圖3 FY衛(wèi)星高能電子通量的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜Fig.3 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of FY satellite high-energy electron flux

4 地磁擾動(dòng)與高能電子通量

4.1 地磁指數(shù)的周期

外輻射帶高能電子的通量受到地磁擾動(dòng)影響,特別是大磁暴、強(qiáng)亞暴等來臨時(shí),往往會(huì)隨之產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的變化.對(duì)高能電子通量的時(shí)間尺度變化特征進(jìn)行研究可以在一定程度上驗(yàn)證和預(yù)測(cè)地磁活動(dòng).

Dst指數(shù)是描述地磁暴強(qiáng)度的一種地磁指數(shù),是由在中低緯度的臺(tái)站每小時(shí)測(cè)得的磁場(chǎng)水平分量的大小確定,單位為nT.依照地磁擾動(dòng)的程度可以分為:小磁暴(?50 nT

極光電急流指數(shù)集(AU、AL、AE、AO)是描述極光亞暴強(qiáng)度即高緯度電離層中極光區(qū)電急流強(qiáng)度的指數(shù).由沿極光帶均勻分布的多個(gè)觀測(cè)站每分鐘內(nèi)的強(qiáng)度變化來確定.以地球自轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?AU、AL指數(shù)分別是這些臺(tái)站中每小時(shí)內(nèi)的最大正變化和負(fù)變化,反映了東向和西向的極光帶電急流的強(qiáng)度.AE則是AU和AL之間的絕對(duì)值之和.在發(fā)生亞暴時(shí),AE指數(shù)會(huì)隨著亞暴發(fā)生變化.因此,通常用AE指數(shù)的大小來表征亞暴的程度.同磁暴劃分一致,亞暴亦可依照地磁擾動(dòng)的程度劃分為:小亞暴、中等亞暴和大亞暴.

圖4為Dst指數(shù)的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜,表明Dst指數(shù)的8–16 d和16–32 d尺度在2000–2005年顯著;64–128 d尺度在2000–2001年和2003–2005年顯著;128–256 d尺度在1999–2006年功率譜較高,僅2006年未通過顯著性檢測(cè);256–512 d和512–1024 d尺度雖然在1999–2008年功率譜較高,不過只有1999–2007年通過了顯著性檢測(cè);從總體小波功率譜可看出9.8 d、13.9 d、27.7 d、187.0 d、264.4 d、374.0 d、629.0 d、889.5 d譜值最突出,但只有187.0 d、264.4 d、374.0 d、889.5 d通過了95%的顯著性檢測(cè),說明這4個(gè)周期在全局顯著.類似地,圖5表明AE指數(shù)8–16 d、16–32 d、256–512 d、512–1024 d功率譜均較高,從總體小波功率譜可見,342.9 d、970.1 d譜值最高,通過了95%的顯著性檢測(cè).

圖4 Dst的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜Fig.4 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of Dst

4.2 高能電子通量與地磁指數(shù)

4.2.1 GOES衛(wèi)星高能電子通量與地磁指數(shù)的交叉功率譜

圖6(a)–(d)分別為GOES衛(wèi)星高能電子通量與地磁Dst指數(shù)、GOES衛(wèi)星高能電子通量與地磁AE指數(shù)、FY衛(wèi)星高能電子通量與地磁Dst指數(shù)、FY衛(wèi)星高能電子通量與地磁AE指數(shù)的交叉功率譜圖.由圖6(a)可知,GOES衛(wèi)星高能電子通量與Dst的交叉小波譜和GOES小波譜相比,其8–16 d、16–32 d和64–128 d尺度通過顯著性檢測(cè)的時(shí)域基本相同;在128–256 d和256–512 d尺度的顯著性略高于GOES小波譜,且兩個(gè)尺度分別在2004–2006年上半年和2003年3、4月至2007年通過了顯著性檢驗(yàn);而512–1024 d尺度明顯高于GOES小波譜,在2003–2007年顯著且通過了顯著性檢測(cè).說明Dst對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的半年和年周期變化存在影響.在通過顯著性檢測(cè)的周期中,月周期和半年周期的GOES衛(wèi)星高能電子通量變化趨勢(shì)與Dst指數(shù)基本呈現(xiàn)反相關(guān),年周期的GOES衛(wèi)星高能電子通量變化趨勢(shì)領(lǐng)先于Dst,多年周期落后.

圖5 AE的Morlet小波功率譜及總體小波功率譜Fig.5 Morlet wavelet power spectrum and overall wavelet power spectrum of AE

圖6 交叉小波功率譜.箭頭指向右表示同向,指向左表示反向,(a)中箭頭90°垂直向下表示Dst領(lǐng)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.

類似地,從圖6(b)可以看出,GOES衛(wèi)星高能電子通量與AE的交叉小波譜和GOES小波譜相比,在2007年AE對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的月周期影響比Dst更大,年周期尺度均明顯高于GOES小波譜.總的來說,AE對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的月周期和年周期變化均存在影響.在通過顯著性檢測(cè)的各個(gè)周期中,GOES衛(wèi)星高能電子通量與AE指數(shù)都基本呈現(xiàn)出同向關(guān)系.

4.2.2 FY衛(wèi)星高能電子通量與地磁指數(shù)的交叉功率譜

由圖6(c)可知,FY衛(wèi)星高能電子通量與Dst的交叉小波功率譜和FY小波功率譜相比,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尺度并未通過顯著檢測(cè),但在交叉功率譜中顯著,說明Dst對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量的月周期、季周期、半年周期和年周期變化有影響.在通過顯著性檢測(cè)的周期中,FY衛(wèi)星高能電子通量與Dst指數(shù)都基本呈現(xiàn)反相關(guān).圖6(d)表示,AE對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量月周期和年周期存在影響,并且AE指數(shù)對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量的月周期影響略強(qiáng)于Dst.在通過顯著性檢測(cè)的周期中,月周期的FY衛(wèi)星高能電子通量變化趨勢(shì)基本領(lǐng)先AE,小部分時(shí)間表現(xiàn)出同向,年周期的FY衛(wèi)星高能電子通量變化趨勢(shì)與AE同向.

從GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量與Dst、AE指數(shù)的交叉小波功率譜可以發(fā)現(xiàn),AE對(duì)高能電子通量的月周期影響略大于Dst,Dst對(duì)高能電子通量的半年周期影響明顯強(qiáng)于AE;而Dst和AE對(duì)高能電子通量的年周期均存在較強(qiáng)影響,但時(shí)域不同.

5 高能電子通量變化特征的多星對(duì)比

5.1 GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量的短周期

由以上分析可知,高能電子通量27.7 d的周期一般出現(xiàn)在太陽活動(dòng)低年(2003–2008年以及2010年),這可能是因?yàn)樵谔柣顒?dòng)下降年和太陽活動(dòng)低年時(shí)太陽爆發(fā)活動(dòng)較少,地磁擾動(dòng)主要受冕洞高速流(CIR)產(chǎn)生的太陽風(fēng)引起(重現(xiàn)性地磁擾動(dòng)),冕洞從極區(qū)向外擴(kuò)展,伸向赤道地區(qū),有時(shí)甚至穿過赤道,由于冕洞壽命長(zhǎng),發(fā)展相對(duì)其他太陽活動(dòng)緩慢且穩(wěn)定,因此其所引起的地磁擾動(dòng)具有明顯的27 d周期.而太陽活動(dòng)高年地磁擾動(dòng)主要受行星際日冕物質(zhì)拋射(CME)影響(非重現(xiàn)性地磁擾動(dòng))[12].圖4和圖5表明Dst和AE指數(shù)13.9 d、27.7 d周期在2000–2006年顯著,但2000–2002年較2000–2006年出現(xiàn)得較少,并且在某些年里均有9 d左右的周期.諸多文獻(xiàn)表明,除了個(gè)別年代外,在太陽活動(dòng)周的所有相位里,太陽風(fēng)速度幾乎都存在13 d和27 d兩種主要周期變化成分,在一些特殊年份中,還有9 d的周期成分存在[13],而在上述分析中地磁活動(dòng)具有9 d、13.9 d和27.7 d的周期變化規(guī)律,這為地磁活動(dòng)主要起源于太陽活動(dòng)提供了充足證據(jù)[14–15].

對(duì)GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)很多年份的27.7 d周期中都包含著13.9 d的周期,如圖7(a)所示,電子通量每13 d左右存在一個(gè)快速下降然后快速上升的過程,這也是伴隨著太陽風(fēng)速的變化產(chǎn)生的,例如從1974年冕洞觀測(cè)看到經(jīng)度大約相隔180°的兩個(gè)極區(qū)冕洞延伸,在這樣的太陽自轉(zhuǎn)周內(nèi),會(huì)兩次遇到太陽風(fēng)高速流,形成13 d的周期變化.還有一些年份中包含著9 d的周期,如圖7(b)所示,GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量27 d的周期中還具有3峰結(jié)構(gòu),這可能是在穩(wěn)定磁結(jié)構(gòu)之間存在另一個(gè)壽命較短的冕洞而出現(xiàn)9 d左右的周期[13].但在個(gè)別年份中,高能電子通量27 d的周期中沒有包含其他周期(圖7(c)),這也許是因?yàn)楦吣茈娮油侩m然受太陽活動(dòng)的影響具有一定的周期變化因而與磁暴有關(guān),但高能電子通量事件與磁暴并非簡(jiǎn)單的映射關(guān)系,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),只有一半的磁暴會(huì)引起高能電子通量的增強(qiáng).另外Reeves等[16]分析了相對(duì)論電子對(duì)1989–2000年11 yr里276個(gè)中等磁暴和強(qiáng)磁暴的響應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)地磁暴既能使輻射帶相對(duì)論電子的通量增長(zhǎng),也可以使其下降.僅僅大約一半的磁暴使相對(duì)論電子通量增長(zhǎng),25%使其通量下降,另有25%磁暴幾乎沒有使其通量變化.

圖7 高能電子通量的短周期.其中黑線表示GOES衛(wèi)星高能電子通量,藍(lán)線表示FY衛(wèi)星高能電子通量,紅線表示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.

從圖2 GOES衛(wèi)星高能電子通量小波功率譜和圖6(a)、圖6(b)的交叉功率譜可以看出2000–2002年高能電子通量27 d的周期幾乎消失,但圖4、圖5中Dst和AE的27 d周期并未消失,而在圖2 GOES衛(wèi)星和圖3 FY衛(wèi)星高能電子通量小波功率譜中2010年的27 d周期顯著,圖6(c)、圖6(d)的Dst、AE與FY衛(wèi)星高能電子通量的交叉功率譜中2011年的27 d周期顯著.因?yàn)?000–2002年是太陽活動(dòng)高年,上述分析可能表明CIR的地磁擾動(dòng)比CME的地磁擾動(dòng)對(duì)電子的27 d周期影響更大.

5.2 GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量的中長(zhǎng)周期

GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量短周期相同,中長(zhǎng)周期不同,GOES衛(wèi)星高能電子通量具有111.1 d、187.0 d、342.9 d的周期,而FY衛(wèi)星高能電子通量卻存在222.3 d、374.0 d的周期.這可能與地磁指數(shù)Dst和AE的中長(zhǎng)周期不同有關(guān),Dst指數(shù)存在187.0 d、374.0 d的周期,AE指數(shù)僅存在342.9 d的周期.

5.2.1 GOES衛(wèi)星高能電子通量的111.1 d周期和FY衛(wèi)星高能電子通量的222.3 d周期

GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量同時(shí)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.如圖7(d)所示,GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量存在55.5 d周期可能是連續(xù)存在2個(gè)以上27.7 d周期的原因.GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量還各自分別存在111.1 d和222.3 d的周期,推測(cè)GOES衛(wèi)星高能電子通量的111.1 d周期是連續(xù)存在2個(gè)以上55.5 d周期的結(jié)果,而FY衛(wèi)星高能電子通量222.3 d的周期,是因?yàn)檫B續(xù)存在4個(gè)以上55.5 d周期導(dǎo)致的.

5.2.2 GOES衛(wèi)星高能電子通量的187.0 d周期

為進(jìn)一步說明高能電子通量的周期性、變化趨勢(shì)以及和地磁指數(shù)的關(guān)系,利用小波分析將數(shù)據(jù)中的高頻部分和低頻部分進(jìn)行分離,通過對(duì)誤差和小波類型多次比較,最后選取誤差最小并且最符合信號(hào)變化特征的sym5小波函數(shù),分解層數(shù)為5層.如圖8所示,小波變換后的第5層低頻系數(shù)重構(gòu)數(shù)據(jù)波形與原始數(shù)據(jù)波形相比,降低了原數(shù)據(jù)波形的重疊特征,很好保留了原始數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)以及突變特性.

圖8 高能電子通量和地磁指數(shù)第5層低頻系數(shù)重構(gòu)對(duì)比圖及電子通量的半年、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

如圖8(a)所示,同交叉功率譜中表現(xiàn)的一樣,GOES衛(wèi)星高能電子通量與Dst大體為負(fù)相關(guān).在2004–2005年Dst與GOES衛(wèi)星高能電子通量的交叉功率譜中(圖6(a)),Dst對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的半年周期的影響尤為明顯,且呈反相關(guān),從圖8(a)也可以看出,Dst的峰值對(duì)應(yīng)GOES衛(wèi)星高能電子通量的谷值,綠色豎線為Dst和GOES衛(wèi)星高能電子通量的187.0 d周期,伴隨著地磁指數(shù)下降到恢復(fù)的過程,電子通量存在一個(gè)周期性波動(dòng).圖4表明Dst指數(shù)半年周期在2000–2003年顯著,存在187.0 d的周期性,并通過了顯著性檢測(cè),說明地磁活動(dòng)在太陽活動(dòng)峰年(2000年)和太陽活動(dòng)下降年都存在較明顯的準(zhǔn)6個(gè)月周期變化特征.地磁活動(dòng)的半年周期可能是由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的黃道面與太陽赤道有7.2°傾角[17].而Li等人曾指出[18],Dst指數(shù)的半年變化可以認(rèn)為是由于地球偶極軸角度變化而導(dǎo)致地磁場(chǎng)與太陽風(fēng)耦合的春秋分效應(yīng)和太陽風(fēng)驅(qū)動(dòng)效應(yīng)的平均,由此推測(cè),GOES衛(wèi)星高能電子通量的半年周期變化,主要?dú)w因于太陽風(fēng)的驅(qū)動(dòng).

5.2.3 GOES衛(wèi)星高能電子通量的342.9 d周期

如圖8(b)所示,同交叉功率譜中表現(xiàn)的一樣,GOES衛(wèi)星高能電子通量與AE指數(shù)大體呈正相關(guān).AE指數(shù)在全時(shí)域存在342.9 d的周期,且通過了顯著性檢測(cè),GOES衛(wèi)星高能電子通量?jī)H在2005年左右表現(xiàn)出342.9 d的周期性.但從交叉功率譜可以看出,Dst對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的年周期影響明顯強(qiáng)于AE,2001–2005年GOES衛(wèi)星高能電子通量的年周期變化趨勢(shì)領(lǐng)先Dst,而GOES衛(wèi)星高能電子通量變化趨勢(shì)只在2001–2003年領(lǐng)先于AE,2004–2005年卻基本呈正相關(guān),此時(shí)GOES衛(wèi)星高能電子通量表現(xiàn)出和AE指數(shù)完全一致的周期性(342.9 d),交叉功率譜(圖6(b))也顯示僅在2005年AE指數(shù)對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量年周期存在顯著影響.這也許表明AE指數(shù)對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的年周期影響強(qiáng)于Dst.

5.2.4 FY衛(wèi)星高能電子通量的374.0 d周期

如圖8(c)、圖8(d)所示,GOES衛(wèi)星高能電子通量與Dst指數(shù)大體呈反相關(guān),與AE指數(shù)呈正相關(guān).Dst指數(shù)在全時(shí)域存在374.0 d的周期,且通過了顯著性檢測(cè),FY衛(wèi)星高能電子通量的年周期雖然在全局功率譜較高,但均未通過顯著性檢測(cè).圖6(c)中FY衛(wèi)星高能電子通量和Dst指數(shù)交叉功率譜表明在2007–2008年Dst指數(shù)對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量存在顯著影響,從圖8(c)也可以看出隨Dst指數(shù)下降到恢復(fù)的過程,FY衛(wèi)星高能電子通量也表現(xiàn)出374.0 d的周期性特征,但并未呈完全反相關(guān),而是落后Dst指數(shù)90°左右.圖6(d)中FY衛(wèi)星高能電子通量和AE指數(shù)交叉功率譜顯示2008–2012年均尺度顯著,但圖5中FY衛(wèi)星高能電子通量的小波功率譜中并未表現(xiàn)出342.9 d的周期性.這極有可能是Dst指數(shù)對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量的年周期影響強(qiáng)于AE指數(shù)的結(jié)果.

6 多星對(duì)比結(jié)果及高能電子通量的24 h周期

6.1 FY衛(wèi)星高能電子通量大于GOES通量情況

對(duì)FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量中長(zhǎng)周期不同進(jìn)一步分析,圖9為FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量日平均值第5層低頻系數(shù)重構(gòu)圖,對(duì)比圖1,在大部分時(shí)間里GOES衛(wèi)星高能電子的日平均通量都大于FY,但在某些時(shí)刻,比如2007年、2008年和2010年的部分時(shí)間段里可以看到FY衛(wèi)星高能電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衛(wèi)星連續(xù)缺失72 d數(shù)據(jù),所以此時(shí)的FY衛(wèi)星高能電子通量大于GOES可能是缺失插值造成,故不作考慮.對(duì)原始數(shù)據(jù)(每日288個(gè)數(shù)據(jù))進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)與圖9中重構(gòu)對(duì)比結(jié)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與GOES衛(wèi)星高能電子通量大致相同,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衛(wèi)星高能電子的日通量明顯大于GOES.

為研究上述差異是否受到地磁擾動(dòng)影響,將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日的每日高能電子通量數(shù)據(jù)與Dst、AE指數(shù)(1 h平均值)比較,如圖10(a)、圖10(c)所示,在2007年6月1日至2007年6月26日Dst最小為?28 nT,每次(8日、14日、22日)Dst指數(shù)跌至?20 nT以下,就會(huì)緊接著一段時(shí)間AE指數(shù)超過400 nT且亞暴活動(dòng)頻繁,GOES衛(wèi)星高能電子通量均低于原先水平3個(gè)數(shù)量級(jí),然后在16 h左右恢復(fù),并呈現(xiàn)24 h的周期性規(guī)律,而FY衛(wèi)星高能電子通量從1日至21日一直在兩個(gè)數(shù)量級(jí)呈鋸齒形波動(dòng),僅6月22日Dst下降之后表現(xiàn)出通量減少且呈現(xiàn)周期性.

圖9 FY與GOES衛(wèi)星高能電子通量日平均第5層低頻系數(shù)重構(gòu)對(duì)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

圖10 FY大于GOES衛(wèi)星高能電子通量時(shí)間段情況Fig.10 The high-energy electron flux in the time period when FY is greater than GOES satellite

如圖10(b)、圖10(d)所示,在2008年7月11日發(fā)生了一次小磁暴,在此之前Dst指數(shù)一直在?10 nT以上波動(dòng),GOES衛(wèi)星高能電子通量呈24 h周期變化,FY衛(wèi)星高能電子通量在兩個(gè)數(shù)量級(jí)呈鋸齒形波動(dòng),11日22:00:00 Dst指數(shù)逐漸下降,直至低于?30 nT,AE指數(shù)也在此時(shí)達(dá)到800 nT附近,緊接著跌至400 nT左右開始波動(dòng),亞暴活動(dòng)頻繁.GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量分別提前了17 h、47 h下降.也就是說,FY衛(wèi)星高能電子通量的下降比GOES提前了30 h,此后開始波動(dòng),但FY衛(wèi)星高能電子通量的波動(dòng)時(shí)間明顯長(zhǎng)于GOES.在上述兩個(gè)FY衛(wèi)星高能電子通量日平均值大于GOES的時(shí)間段里,地磁擾動(dòng)均處于較為平靜時(shí)期,GOES衛(wèi)星高能電子通量大部分時(shí)間存在24 h周期,FY衛(wèi)星高能電子通量一直呈鋸齒形波動(dòng);僅在Dst指數(shù)跌至?30 nT左右或相對(duì)之前指數(shù)降低較為明顯時(shí)亞暴活動(dòng)才頻繁,然后GOES和FY衛(wèi)星高能電子通量開始下降,但因?yàn)镕Y衛(wèi)星高能電子通量的環(huán)境本底為102數(shù)量級(jí),所以變化較GOES不那么明顯.

6.2 小磁暴與大磁暴

如圖11(a)、圖11(b),在2009年2月4日至2009年2月28日發(fā)生兩次小磁暴,均在?40 nT左右.不過在2009年2月4日的小磁暴之前,FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量均已下降到環(huán)境本底,而AE指數(shù)在5日到13日相對(duì)較低,起伏并不明顯,表明此時(shí)亞暴活動(dòng)較弱,高能電子通量?jī)H表現(xiàn)出類似鋸齒形、較小幅度的起伏變化.但在14日發(fā)生的一次小磁暴中,GOES衛(wèi)星高能電子通量增強(qiáng)3個(gè)數(shù)量級(jí),FY衛(wèi)星高能電子通量也開始增加,并都呈現(xiàn)出24 h左右的周期,兩衛(wèi)星峰值相差大于10 h,由于GOES 11衛(wèi)星處于西9時(shí)區(qū),FY 2D衛(wèi)星處于東經(jīng)86.5°(東6區(qū)),兩顆衛(wèi)星剛好也具有10 h左右的地方時(shí)差異,所以在各地方時(shí)GOES和FY衛(wèi)星具有幾乎一致的周期.到23日和27日,Dst指數(shù)跌至?20 nT左右,AE指數(shù)僅在磁暴下降期間上升超過500 nT,此后便低于200 nT.此時(shí)GOES衛(wèi)星高能電子通量下降2個(gè)數(shù)量級(jí),而FY衛(wèi)星高能電子通量一直在1個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)波動(dòng),所以變化并不明顯.

圖11 2009年2月的兩次小磁暴事件Fig.11 Two small magnetic storm events in February 2009

圖12(a)為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強(qiáng)磁暴事件.小磁暴(?50 nT

圖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

對(duì)于15日的大磁暴事件(圖12(a)),12月15日00:00:00 Dst突然下降到?146 nT,大磁暴(?200 nT

圖12(c)顯示,12月14日13:10:00 FY 2C衛(wèi)星高能電子通量經(jīng)歷90 min減少1個(gè)數(shù)量級(jí)到最低水平,隨即持續(xù)波動(dòng)25 h 45 min,歷時(shí)10 h恢復(fù),16日02:25:00到達(dá)第1個(gè)峰值,并高出原來水平1個(gè)數(shù)量級(jí),整個(gè)過程37 h 15 min.GOES 11衛(wèi)星高能電子通量比FY 2C晚1 h左右(14日14:32:30)開始下降,8 h 30 min后下降4個(gè)數(shù)量級(jí)到最低水平,接著在2–3個(gè)數(shù)量級(jí)持續(xù)波動(dòng)5 h 10 min后恢復(fù),于15日20:12:30到達(dá)第1個(gè)頂峰,略高于下降前水平,但并未達(dá)到1個(gè)數(shù)量級(jí),整個(gè)過程29 h 40 min,比FY衛(wèi)星少7 h 35 min.在大磁暴事件中,FY衛(wèi)星高能電子通量的下降比磁暴時(shí)間提前了8 h,而GOES卻提前了7 h.

通過對(duì)FY大于GOES衛(wèi)星高能電子通量時(shí)段、小磁暴和大磁暴事件的分析,發(fā)現(xiàn)地磁平靜期(非暴時(shí)期)的Dst下降(不低于?30 nT)可以和大磁暴一樣造成GOES衛(wèi)星高能電子通量的減少,并在Dst指數(shù)恢復(fù)后高能電子通量隨之恢復(fù).類似地,Schiller等[19]對(duì)非暴期間輻射帶的劇烈活動(dòng)(相對(duì)論電子通量增強(qiáng)了2.5個(gè)數(shù)量級(jí))進(jìn)行了研究,強(qiáng)調(diào)了在地磁寧靜時(shí)期對(duì)輻射帶電子研究的重要性;在大部分非擾動(dòng)時(shí)間里,GOES衛(wèi)星高能電子通量均呈24 h周期變化,但FY衛(wèi)星高能電子通量的周期性一般僅在擾動(dòng)后偶爾出現(xiàn);一些小磁暴事件中,依舊發(fā)現(xiàn)了和大磁暴事件中相同的特征:FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量在地磁指數(shù)下降前就開始下降,而FY衛(wèi)星高能電子通量比GOES更加提前,并且FY衛(wèi)星高能電子通量從開始下降到恢復(fù)至原先水平持續(xù)時(shí)間明顯長(zhǎng)于GOES衛(wèi)星,恢復(fù)后兩衛(wèi)星高能電子通量呈現(xiàn)地方時(shí)一致的24 h周期性變化;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衛(wèi)星測(cè)得的高能電子通量出現(xiàn)幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng),并且兩衛(wèi)星呈現(xiàn)地方時(shí)一致的周期性變化.Anderson等[20]對(duì)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次大磁暴進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:小磁暴對(duì)輻射帶相對(duì)論電子通量的影響與大磁暴相當(dāng).

本文通過對(duì)1999至2012年的磁暴事件分析篩選出上述具有代表性的事件.其中部分事件由于FY衛(wèi)星高能電子通量本底數(shù)量級(jí)為102,所以當(dāng)GOES衛(wèi)星高能電子通量變化劇烈時(shí),FY衛(wèi)星高能電子通量的變化特征并不明顯,但當(dāng)亞暴相當(dāng)強(qiáng)烈時(shí),FY衛(wèi)星高能電子通量會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)劇烈的變化,這可能也是兩衛(wèi)星高能電子通量中長(zhǎng)周期不同的原因.總之,在地磁平靜期和弱地磁擾動(dòng)期對(duì)高能電子通量變化進(jìn)行研究與地磁擾動(dòng)劇烈時(shí)期同等重要.

7 總結(jié)

利用風(fēng)云2號(hào)和GOES衛(wèi)星≥2 MeV高能電子通量的觀測(cè)數(shù)據(jù),較為詳盡地對(duì)相關(guān)事件磁暴、亞暴期間的高能電子通量變化進(jìn)行了對(duì)比分析,本文的初步結(jié)論如下:

(1)FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量觀測(cè)結(jié)果相關(guān)系數(shù)>0.7,FY衛(wèi)星≥2 MeV高能電子通道觀測(cè)結(jié)果合理有效,可作為獨(dú)立分析的依據(jù);

(2)地磁指數(shù)Dst和AE在太陽活動(dòng)峰年(2000–2002年)和太陽活動(dòng)下降年(2003–2006年)均存在13.9 d、27.7 d周期,但太陽活動(dòng)峰年與下降年相比出現(xiàn)得較少,并且在某些年份里均有9 d左右的周期;

(3)電子的27.7 d周期一般出現(xiàn)在太陽活動(dòng)低年(2003–2008年以及2010年),推測(cè)CIR的地磁擾動(dòng)對(duì)電子通量的27 d周期比CME影響更大;

(4)很多年份高能電子通量27.7 d的周期中都包含著13.9 d(雙峰結(jié)構(gòu))的周期,一些年份中包含著9 d的周期(3峰結(jié)構(gòu)),這與太陽活動(dòng)有關(guān);

(5)FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量的短周期相同,但中長(zhǎng)周期不同,55.5 d周期是連續(xù)存在2個(gè)以上27.7 d周期造成的,GOES衛(wèi)星高能電子通量的111.1 d周期是連續(xù)存在2個(gè)以上55.5 d周期的結(jié)果,而FY衛(wèi)星高能電子通量的222.3 d周期,是因?yàn)檫B續(xù)存在4個(gè)以上55.5 d周期.對(duì)于FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量分別存在374.0 d和342.9 d的周期,推測(cè)是由于Dst指數(shù)對(duì)FY衛(wèi)星高能電子通量的年周期影響強(qiáng)于AE指數(shù),AE指數(shù)對(duì)GOES衛(wèi)星高能電子通量的年周期影響強(qiáng)于Dst指數(shù);

(6)地磁平靜期的Dst指數(shù)下降,可以對(duì)高能電子通量造成和大磁暴一樣的效果;

(7)小磁暴可以和大磁暴一樣對(duì)高能電子通量造成顯著減少或者增強(qiáng),并且在恢復(fù)后兩衛(wèi)星高能電子通量都呈現(xiàn)地方時(shí)一致的24 h周期性變化,但不同事件中FY和GOES衛(wèi)星高能電子通量持續(xù)時(shí)間不同;

(8)FY和GOES衛(wèi)星處于不同的定點(diǎn)位置和高度,所能捕捉的通量存在差異,FY衛(wèi)星高能電子通量本底數(shù)量級(jí)為102,所以當(dāng)GOES衛(wèi)星高能電子通量變化劇烈時(shí),FY衛(wèi)星高能電子通量變化特征并不明顯,這可能是造成FY衛(wèi)星高能電子通量日平均值大于GOES以及導(dǎo)致中長(zhǎng)周期不同的原因.

致謝感謝中國(guó)空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供相關(guān)研究數(shù)據(jù).