2014–2016年北半球日侧极盖区的场向Poynting通量数据集

其他数据论文 II 区论文（已发表） • 版本 ZH2 Vol 8 (2) 2023

A dataset of field-aligned Poynting flux in the dayside polar cap of the northern hemisphere during 2014-2016

王建平，张北辰，黄春明，刘瑞源，刘勇华，胡泽骏，刘建军

WANG Jianping, ZHANG Beichen, HUANG Chunming, LIU Ruiyuan, LIU Yonghua, HU Zejun, LIU Jianjun

DOI: 10.11922/11-6035.csd.2022.0096.zh
CSTR: 32001.14.11-6035.csd.2022.0096.zh
: 10.57760/sciencedb.o00009.00076

： 2022 - 10 - 26

： 2023 - 05 - 21

： 2022 - 11 - 22

： 2023 - 06 - 21

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摘要&关键词

摘要：电磁能在极区高层大气中的传输以及时空分布是当前的热点问题，也是研究极区高层大气环境和空间天气预报模式的重要课题。通常采用低高度极轨卫星的观测数据来估算电磁能的幅度和方向。不断积累电磁能数据，将有利于支撑我国极区电磁能的传输和变化特性研究。本文以北半球2014–2016年DMSP F17卫星的等离子体速度和磁场探测数据为基础，估算出日侧极盖区场向Poynting通量、水平对流电场和磁场扰动的分布数据。本数据所用的初始DMSP F17卫星数据质量高，估算过程严谨合理，数据记录完整，可为极区电离层/热层的能量传输和耗散研究提供重要的数据支持。

关键词：DMSP卫星；极区电离层；电磁能；场向Poynting通量

Abstract & Keywords

Abstract: The transport of electromagnetic energy in the polar upper atmosphere and its spatial and temporal distribution are current hot issues and important topics for studying the polar upper atmospheric environment and space weather forecasting models. Researchers usually adopted the observations from low-altitude polar-orbiting satellites to estimate the magnitude and direction of electromagnetic energy. The continuous accumulation of electromagnetic energy data will be beneficial to the study on the transmission and variation characteristics of electromagnetic energy in the polar ionosphere in China. In this paper, we estimated the distribution of field-aligned Poynting flux, horizontal convection electric field and magnetic field perturbation in the dayside polar cap based on the plasma velocity and magnetic field data of DMSP F17 satellite in the northern hemisphere during 2014-2016. The initial DMSP F17 satellite data included in this dataset are of high quality. The estimation process is rigorous and reasonable, and the data records are complete. The dataset can provide important data support for the study on energy transport and dissipation in the ionosphere/thermosphere in the polar region.

Keywords: DMSP satellite; polar ionosphere; electromagnetic energy; field-aligned Poynting flux

数据库（集）基本信息简介

数据库（集）名称	2014–2016年北半球日侧极盖区的场向Poynting通量数据集
数据通信作者	张北辰（zhangbeichen@pric.org.cn）
数据作者	王建平、张北辰、黄春明、刘瑞源、刘勇华、胡泽骏、刘建军
数据时间范围	2014–2016
地磁区域	地磁坐标系中，磁纬大于70°范围内，磁地方时06至18点之间的日侧
数据量	468.4 KB
数据格式	*.txt
数据服务系统网址	http://doi.org/10.57760/sciencedb.o00009.00076
基金项目	国家自然科学基金（42130210，41774166），科技部国际合作项目（2021YFE0106400），陕西省2023年自然科学基础研究计划项目（2023-JC-YB-008），宝鸡文理学院项目（ZK2017023）
数据库（集）组成	数据集包括不同条件下场向Poynting通量、水平对流电场和磁场扰动数据。在所有地磁活动和行星际磁场条件下，将这3个物理量保存为3个数据文件；在2种不同地磁活动条件下，共6个数据文件；在4种不同行星际磁场方向条件，以及3种行星际磁场幅度条件下，将这3个物理量共保存为36个数据文件；还有1个场向Poynting通量数据覆盖文件，总共46个数据文件。说明文档注释了物理量的缩写词和单位，以及简要描述了数据。

Dataset Profile

Title	A dataset of field-aligned Poynting flux in the dayside polar cap of the northern hemisphere during 2014-2016
Data corresponding author	ZHANG Beichen(zhangbeichen@pric.org.cn)
Data authors	WANG Jianping, ZHANG Beichen, HUANG Chunming, LIU Ruiyuan, LIU Yonghua, HU Zejun, LIU Jianjun
Time range	2014–2016
Geomagnetic scope	In the geomagnetic coordinate system, the magnetic latitude is more than 70° in the range of magnetic local time between 06:00 and 18:00 on the dayside.
Data volume	468.4 KB
Data format	*.txt
Data service system	http://doi.org/10.57760/sciencedb.o00009.00076
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (42130210, 41774166), International Cooperation Project of the Ministry of Science and Technology, PRC (2021YFE0106400), the Natural Science Basic Research Program Project of Shaanxi Province in 2023 (2023-JC-YB-008), Project of Baoji University of Arts and Sciences (ZK2017023)
Dataset composition	The dataset includes field-aligned Poynting flux, horizontal convection electric field and magnetic field perturbation data under different conditions. There are a total of 46 data files: 3 data files for these three physical quantities under all geomagnetic activity and interplanetary magnetic field conditions; 6 data files under two different geomagnetic activity conditions; 36 data files for these three physical quantities under three different interplanetary magnetic field amplitude conditions and 4 different interplanetary magnetic field direction conditions; and one data coverage file for field-aligned Poynting flu. The description document annotates the abbreviations and units of physical quantities in the dataset, with a brief introduction of the data.

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引言

极区是地球开向太空的天然窗口，太阳风携带大量的物质、动量和能量沿磁力线进入地球高层大气，在极区电离层产生了大尺度的能量注入。在磁层-电离层-热层耦合系统中，能量注入以焦耳热、粒子热和存储在环电流中的能量的形式沉淀下来^[1]。电磁能是高纬电离层/热层来自磁层和太阳风的非常重要的能量来源。电磁能的注入则以焦耳热的形式耗散在极区高层大气中^[2]。高层大气是中性大气成分和等离子体共存区域。电磁能的注入将使得中性大气加热膨胀，从而改变不同高度中性大气的密度，以及通过电离层等离子体与中性大气成分的相互碰撞，改变电离层等离子体的温度和密度。

基于Dynamics Explorer 2(DE-2)观测数据，Sugiura推导出在卫星高度以下，由电磁能转换的焦耳热与Poynting通量的大小相等^[3]。利用Poynting通量方法，Olsson等人基于Astrid-2卫星数据详细评估了极区电离层的焦耳热^[4]。Poynting通量分为两种，一种是大尺度的直流Poynting通量，另一种是小尺度的交流Poynting通量，也称为阿尔芬波Poynting通量。直流Poynting通量主要对应着电离层的焦耳热^[5]。沿磁力线方向（场向）进入或流出电离层/热层的电磁能，则以场向的直流Poynting通量表示。

极区电离层直流场向Poynting通量一般采用低高度极轨卫星的观测数据计算而来^[6-14]。美国**气象卫星计划(Defense Meteorological Satellite Program, DMSP)被广泛应用于极区顶部电离层等离子体和磁场的观测。DMSP卫星在近圆形太阳同步轨道上运行，轨道高度约为850 km，轨道倾角约为96°，轨道周期约为101分钟^[15-18]。每个卫星都搭载着探测电离层电子、离子密度，温度和速度的热等离子体探测仪(Special Sensor for Ions Electrons and Scintillations, SSIES)，以及探测地球磁场扰动的磁力计(Special Sensor for Magnetic Fields, SSM)，还有测量沉降电子和离子的仪器(Precipitating Electron and Ion Detectors, SSJ)。目前正常运行的有F15、F16、F17、F18卫星。热等离子体探测仪SSIES可提供等离子体速度（V）数据^[19]，三轴磁通门磁力计SSM可提供磁场（B）数据^[20]，从而可计算出电离层的对流电场E（E=-V×B）。通过卫星测量的地磁场与国际参考地磁场(International Geomagnetic Reference Field, IGRF)作差，可以推导出卫星所在位置的地磁场扰动（\(\mathrm{\delta }\mathrm{B}\)）。由电离层的对流电场和磁场扰动数据，通过Poynting通量S（\(S=\mathrm{E}×\mathrm{\delta }\mathrm{B}/{\mathrm{\mu }}_{\mathrm{o}}\)），估算出场向电磁能分布。

通过DMSP F17卫星对日侧顶部电离层的等离子体速度和磁场的观测，我们获得约850 km高度上的水平对流电场、水平磁场扰动和Poynting通量分布。利用这些数据，我们已经得到了顶部电离层的水平对流电场、水平磁场扰动和电磁能的空间变化特征以及它们之间的相互关系，并且发现顶部电离层的电磁能分布具有晨昏不对称性特征，而且这种不对称性主要与水平对流电场分布相关，此外，这些分布数据为极区电离层的电磁能传输和耗散研究打开了一扇新的大门，也可利用这些数据研究电磁能随地磁活动和行星际磁场的变化规律，以及电磁能对中性大气和等离子体的加热效应。

基于2014–2016年北半球极盖区的DMSP F17观测数据，本数据集提供了不同行星际磁场和地磁扰动条件下日侧极盖区的场向Poynting通量，水平对流电场和水平磁场扰动等数据，这些数据将为极区电离层/热层的电磁能或焦耳热研究提供一定的数据保障。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

本数据集使用的初始DMSP F17卫星观测数据均来自Madrigal数据库（http://madrigal.iggcas.ac.cn）。选用的初始观测数据参数包括：Year（年）、MONTH（月）、DAY（日）、HOUR（时）、MIN（分）、SEC（秒）、SAT_ID（卫星编号）、MLT（磁地方时）、MLAT（磁纬度）、NE（电子密度）、HOR_ION_V（水平等离子体速度）、VERT_ION_V（垂直等离子体速度）、BD（垂直向下的磁场）、B_FORWARD（轨道方向的磁场）、B_PERP（逆阳侧磁场）、DIFF_BD（垂直向下的磁场扰动）、DIFF_B_FOR（轨道方向的磁场扰动）、DIFF_B_PERP（逆阳侧磁场扰动），数据的时间分辨率为1 s。电子密度单位为el/m³，速度单位为m/s，磁场及其扰动单位为T。由于沿轨道方向等离子体速度测量的不确定性，通常忽略该速度分量，使用水平等离子体速度代替水平越轨速度^[21]。为便于矢量运算，图1提供了等离子体速度和磁场测量坐标系的示意图。

图1 DMSP数据中等离子体速度和磁场数据对应的坐标系示意图

Figure 1 Schematic diagram of the coordinate system corresponding to plasma velocity and magnetic field in DMSP satellite data

若要计算磁纬大于70°的极盖区Poynting通量，首先需要将两者的坐标系统一。为了便于计算，这里将等离子速度的坐标转换到磁场观测坐标系中。场向Poynting通量（\({\mathrm{S}}_{x}\)）计算公式则表示为：

\[{S_x}=\left(\left({B}_{z}{\bullet V}_{x}-{B}_{x}\bullet {V}_{z}\right)\bullet d{B}_{z}+{B}_{y}\bullet {V}_{x}\bullet d{B}_{y}\right)/{\mathrm{\mu }_0}\]

(1)

其中，\({\mathrm{\mu }}_{0}\)为真空磁导率。正的场向Poynting通量（\({\mathrm{S}}_{x}>0\)）代表电磁能沿磁力线流向地球，负的场向Poynting通量（\({\mathrm{S}}_{x}<0\)）则表示电磁能流出地球。根据公式（1）可以估算出DMSP F17卫星所在位置处，在地磁坐标系中间隔为1 s的场向Poynting通量的数据分布。

1.2 数据处理方法

首先将估算的场向Poynting通量数据点投影到磁纬(MLAT)/磁地方时(MLT)坐标系中，再将数据区域进行1°× 0.5 h网格划分，对网格内数据处理后，整个极盖区对应的数据点就会生成20行48列的数据列表。由于夜侧极盖区的数据分布较少，因此只能分析日侧极盖区的场向Poynting通量。

2014–2016年场向Poynting通量在日侧极盖区的数据点分布如图2所示，每个网格数值为该网格内所有估算数据点个数的总和，其中空白处表示没有数据覆盖，不同颜色表示估算数据量的大小。从图中可以看出，除了磁极附近和磁纬70°–75°之间的中午扇区附近，日侧极盖区基本都有数据覆盖，而且估算的数据量非常丰富，每个网格的估算数据个数都在5000个以上。

图2 2014–2016年DMSP F17卫星的场向Poynting通量数据点分布

Figure 2 Distribution of field-aligned Poynting flux data points for DMSP F17 satellite during 2014–2016

选取网格内估算点物理量的平均值作为网格值，场向Poynting通量、水平对流电场和水平磁场扰动在所有地磁活动和行星际磁场条件下分布如图3所示，Poynting通量、电场和磁场的单位分别为mW/m²，mV/m和nT。

图3 场向Poynting通量Field-aligned PF(a)，水平对流电场E_hor(b)和磁场扰动dB_hor(c)数据分布

Figure 3 Data distribution of Field-aligned PF (a) for the Poynting flux, E_hor (b) for the horizontal convection electric field, and dB_hor (c) for the horizontal magnetic field perturbation

同时对数据进行了分类处理，首先按地磁活动指数K_p分类，K_p>2和K_p≤2分别表示地磁扰动、平静时期，分类数据在不同地磁条件下的分布如图4所示。

图4 不同地磁活动条件下的数据分布，EPF表示地球向Poynting通量

Figure 4 Distribution under different geomagnetic activities (EPF refers to the earthward Poynting flux)

再者，按行星际磁场IMF的方向B_z+/-和B_y+/-，以及幅度B_T\((=\sqrt{{{B}_{y}}^{2}+{{B}_{z}}^{2}})\) 分类，幅度分为B_T≤5 nT，5 nT<B_T≤10 nT和B_T>10 nT条件。以B_T≤5 nT条件为例，不同IMF B_y和B_z方向下数据分布如图5所示，其他条件下的数据分布与图5相似，不再一一列出。

数据文件以*.txt文本文件保存，每个数据文件名对应着存储内容名称和分类条件。

图5 B_T≤5 nT以及不同IMF方向条件下的数据分布，EPF子图右上角标注的是平均太阳风速度

Figure 5 Distribution for B_T≤5 nT and different IMF directions, with the average solar wind speed marked in the upper right corner of the EPF subplot

2 数据样本描述

现以Field-aligned PF data coverage.txt文件为例，描述数据样本的内容及格式，如图6所示。该文件表示场向Poynting通量的数据点覆盖，共21行49列，其中前20行和前48列为数据样本，第21行和第49列是为方便Matlab作图而增加的空白数据。其中，行表示磁纬度，第1行表示70.5°，每行磁纬度增加1°，递增至89.5°，共20行。列表示磁地方时，第1列表示0.25 h，每列磁地方时增加0.5 h，递增至23.75 h，共48列，“nan”表示无数据。样本中每个位置上的数字表示该地磁坐标的场向Poynting通量数据点个数。Poynting通量数据、水平对流电场和水平磁场扰动数据文件与这个数据覆盖样本的描述基本一致，分别代表不同分类条件下的数据参数。数据文件命名采用数据参数名称与分类条件相结合的方式，即Field-aligned PF/EPF/E/dB（数据参数名称） for IMF/K_p condition（分类条件），例如dB for B_t_5-10 nT and IMF B_y-&B_z-.txt数据文件代表行星际磁场IMF B_y-&B_z-以及5 nT<B_T≤10 nT条件下水平扰动磁场dB的数据分布。

图6 场向Poynting通量数据点个数分布格式示例

Figure 6 Example of the point distribution format for field-aligned Poynting flux data

3 数据质量控制

DMSP卫星上搭载的离子漂移计需要工作在富含O⁺的环境中才能较为准确得到等离子体速度等参数，因而通常采用等离子体密度参数，以及O⁺在等离子体中的占比，来判断这些初始观测数据参数的质量。DMSP漂移数据本身通常分为3个质量等级：等级1具有较高的可信度，其要求等离子体密度大于10³ions/cm³以及O⁺占比大于85%；等级2数据可用，其要求等离子体密度在10²–10³ions/cm³之间以及O⁺占比大于85%，或等离子体密度高于10³ions/cm³以及O⁺占比在75%–85%；等级3数据质量较差，其要求等离子体密度低于10²ions/cm³或O⁺占比低于75%，等离子体密度和O⁺占比参数均可在Madrigal数据库中获得。为了确保较好的数据质量，本数据集选取等级1的初始观测数据。另外，为了确保在数据分类时，每个网格有足够的数据点，以及得到较好的数据分布，在对每个网格数据的物理参数平均处理时，我们要求至少保证每个网格有2条卫星飞掠，也就是该网格至少有28个估算数据点。

4 数据价值及使用方法

本研究基于DMSP F17卫星2014–2016年北半球的观测数据，获取了场向Poynting通量在日侧极盖区分布的数据集。本数据集曾用来研究不同太阳风磁场和地磁活动条件下Poynting通量晨昏不对称分布规律^[22]。该数据集为认识日侧极盖区电磁能的空间分布规律，以及电磁能与对流电场和磁场扰动之间的关系提供了依据。数据集可为深入研究电磁能的传输机制以及焦耳热的耗散机制等提供参考。数据集保存为文本文件，为了方便阅读和常用作图软件的读取和操作，读者可以通过科学数据银行（https://www.scidb.cn/）进行数据浏览和下载。

致谢

本论文的完成感谢Madrigal数据库提供的初始观测数据支持。

[1]

RODGER A S, WELLS G D, MOFFETT R J, et al. The variability of Joule heating, and its effects on the ionosphere and thermosphere[J]. Annales Geophysicae, 2001, 19(7): 773–781. DOI: 10.5194/angeo-19-773-2001.