李暉，劉子謙

1.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

環(huán)電流是地球磁層中一個(gè)特別重要的自東向西的電流系統(tǒng)，主要由10–200 keV 的高能粒子組成，并在地表感應(yīng)形成與地球磁場(chǎng)方向相反的南向磁場(chǎng)[1]。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)增強(qiáng)，更多粒子注入內(nèi)磁層導(dǎo)致環(huán)電流增強(qiáng)，使得地表磁場(chǎng)水平分量顯著減弱，引發(fā)地磁暴（簡(jiǎn)稱(chēng)磁暴）現(xiàn)象。磁暴會(huì)嚴(yán)重影響地球的電磁環(huán)境，并可能造成廣泛的重大影響，包括通信問(wèn)題、衛(wèi)星故障、電網(wǎng)和輸油管道的感應(yīng)電流等[2]。

環(huán)電流造成的地表磁場(chǎng)擾動(dòng)，可以通過(guò)暴時(shí)擾動(dòng)指數(shù)（Dst）來(lái)表征[3]。Dst 指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)版本從1957 年開(kāi)始計(jì)算，由世界地磁數(shù)據(jù)中心提供，通常以納特斯拉（nT）為單位。所用地磁場(chǎng)水平分量數(shù)據(jù)來(lái)自4 個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的低緯度臺(tái)站：Hermanus（HER）、Kakioka（KAK）、Honolulu（HON）和SANA Juan（SJG）。這4 個(gè)臺(tái)站受極光電集流和赤道電集流影響比較小，并且經(jīng)度分布非常均勻。每個(gè)觀測(cè)站的小時(shí)平均值減去太陽(yáng)靜日變化，剩余地磁場(chǎng)變化值進(jìn)行加權(quán)平均，并加上時(shí)間戳作為Dst 指數(shù)的數(shù)值。

Dst 指數(shù)作為衡量地磁活動(dòng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以清晰反映磁暴的發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō)，在磁暴發(fā)展過(guò)程中，環(huán)電流的增強(qiáng)導(dǎo)致地表低緯地區(qū)地磁水平分量強(qiáng)度降低。相應(yīng)地，Dst 指數(shù)從磁暴前的零值左右開(kāi)始下降為負(fù)值[4]。Dst 指數(shù)的下降可以作為磁暴開(kāi)始的標(biāo)志[5]，Dst 指數(shù)也作為環(huán)電流先增強(qiáng)后減弱的表征[6]，反映磁暴的發(fā)生和恢復(fù)。

環(huán)電流具有明顯的晨昏不對(duì)稱(chēng)性[7-9]，昏側(cè)的環(huán)電流強(qiáng)度大于晨側(cè)，相應(yīng)地，昏側(cè)的地磁擾動(dòng)劇烈程度也應(yīng)該大于晨側(cè)，而Dst 指數(shù)是全球范圍地磁擾動(dòng)的平均值，無(wú)法表現(xiàn)這種不對(duì)稱(chēng)性。為了更好地反映中國(guó)區(qū)域的地磁擾動(dòng)特征，利用中國(guó)地區(qū)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)構(gòu)建類(lèi)似Dst 指數(shù)非常必要。子午工程在東經(jīng)120o經(jīng)線和北緯30o緯線建設(shè)有地磁臺(tái)站。我們利用拉薩、成都、武漢、杭州的地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)（cDst），應(yīng)該可以更好地描述中國(guó)區(qū)域的地磁擾動(dòng)。本數(shù)據(jù)集基于子午工程的地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算cDst 指數(shù)，提供從2010 年7 月到2022 年12 月的cDst 指數(shù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

子午工程一期沿東經(jīng)120°經(jīng)線和北緯30°緯線——北起漠河，經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站；東起上海，經(jīng)武漢、成都，西至拉薩——布局了15 個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，構(gòu)建一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的大型空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用地磁（電）、無(wú)線電、光學(xué)和探空火箭等多種手段，連續(xù)監(jiān)測(cè)地球表面20–30 公里以上到數(shù)百公里直至十幾個(gè)地球半徑以外的地磁（電）場(chǎng)、中高層大氣、電離層、磁層和行星際空間中的有關(guān)參數(shù)。

子午工程一期利用磁通門(mén)磁力儀探測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)方向的強(qiáng)度，可以確定地磁場(chǎng)的大小和方向。磁通門(mén)磁力儀數(shù)據(jù)的時(shí)間分割為1 天，時(shí)間分辨率為1 秒，包括的物理量為地磁場(chǎng)H、Z、D 三分量和溫度T。

子午工程一期在15 個(gè)站點(diǎn)中的14 個(gè)站點(diǎn)部署了磁通門(mén)磁力儀，從2010 年7 月開(kāi)始生成數(shù)據(jù)。為了計(jì)算中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)，本文使用拉薩、成都、武漢、杭州4 個(gè)臺(tái)站的地磁數(shù)據(jù)。這些臺(tái)站的選擇是有依據(jù)的：首先，這些臺(tái)站的位置距離極區(qū)和赤道都足夠遠(yuǎn)，避免了赤道電集流和極區(qū)電集流的影響；其次，這些臺(tái)站在經(jīng)度上較為均勻分布，并基本覆蓋中國(guó)區(qū)域；最后，這些臺(tái)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量和連續(xù)性都較好。這4 個(gè)臺(tái)站基本上在同一緯度，從西向東依次是拉薩、成都、武漢、杭州，其經(jīng)緯度信息見(jiàn)表1。利用從2010 年7 月到2022 年12 月的地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)。

表1 觀測(cè)站點(diǎn)經(jīng)緯度信息Table 1 Longitude and latitude of observatories

1.2 構(gòu)建中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)

本文參考Dst 指數(shù)的計(jì)算方法，來(lái)構(gòu)建中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)（cDst）。首先，獲取每個(gè)臺(tái)站的小時(shí)分辨率的地磁H 分量。對(duì)于時(shí)間分辨率為1 秒的地磁H 分量，去掉缺失值和異常值，以世界時(shí)（UT）小時(shí)底部（00:30、01:30 等）為中心，計(jì)算地磁H 分量的小時(shí)平均值。

然后，計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的平均太陽(yáng)靜日變化（the solar quiet daily variation, Sq）。選取每月地磁活動(dòng)最平靜的5 天，利用時(shí)序疊加法計(jì)算得到平均地磁H 分量的日變化曲線作為該月的平均太陽(yáng)靜日變化Sq。

接下來(lái)，計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的地磁H 分量擾動(dòng)值。將地磁H 分量，按照小時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，減去平均太陽(yáng)靜日變化Sq，得到磁場(chǎng)擾動(dòng)值?H：

最后，計(jì)算得到cDst 指數(shù)。得到4 個(gè)臺(tái)站的磁場(chǎng)擾動(dòng)值之后，計(jì)算它們的平均值?=∑?Hi?4，和4 個(gè)臺(tái)站的地磁緯度余弦的平均值c=∑cos φi?4，然后將磁場(chǎng)擾動(dòng)歸算成赤道值。以此方法，就能得到cDst 指數(shù)（單位nT）：

1.3 數(shù)據(jù)處理流程

根據(jù)臺(tái)站地磁緯度，選擇拉薩、成都、武漢、杭州四個(gè)臺(tái)站從2010 年到2022 年的地磁數(shù)據(jù)。篩選地磁數(shù)據(jù)，去掉缺失值和異常值，對(duì)地磁H 分量進(jìn)行小時(shí)平均，得到小時(shí)平均值。挑選每月地磁活動(dòng)最平靜5 天的地磁H 分量，計(jì)算平均太陽(yáng)靜日變化。從地磁H 分量中消除平均太陽(yáng)靜日變化，得到磁場(chǎng)擾動(dòng)值。利用4 個(gè)臺(tái)站的磁場(chǎng)擾動(dòng)值和地磁緯度，計(jì)算cDst 指數(shù)。cDst 指數(shù)處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 cDst 指數(shù)處理流程圖Figure 1 Flow chart of cDst index processing

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集收集了2010 年7 月至2022 年12 月的中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)（cDst），文件名為“cDst.dat”，總數(shù)據(jù)量為2.6 MB。文件中的物理量包括年、月、日、時(shí)、cDst 值（單位nT）。

2010 年7 月至2022 年12 月期間共發(fā)生了4 次cDst < -200 nT 的磁暴，如圖2 所示，其中深色線為cDst 指數(shù)，淺色線為Dst 指數(shù)，藍(lán)色虛線對(duì)應(yīng)的值為-100 nT，紅色虛線為-200 nT。可以看出，這4 次磁暴的cDst 指數(shù)和Dst 指數(shù)變化趨勢(shì)大體相同，但極值（cDstm和Dstm）有所區(qū)別，具體如表2 所示。其中2012 年3 月和2018 年8 月的磁暴主相時(shí)，我國(guó)位于昏側(cè)（北京時(shí)間15:00），cDstm明顯小于Dstm，比值分別為1.40 和1.26。2015 年6 月的磁暴主相時(shí)，我國(guó)位于正午（北京時(shí)間12:00），cDstm略小于Dstm，比值為1.13。2015 年3 月的磁暴主相時(shí)，我國(guó)位于午夜略偏晨側(cè)（北京時(shí)間1:00），cDstm略微大于Dstm，比值為0.99。

圖2 2012 年3 月、2015 年3 月、2015 年6 月、2018 年8 月的cDst 指數(shù)和Dst 指數(shù)Figure 2 cDst indexes and Dst indexes in Mar 2012, Mar 2015, Jun 2015, and Aug 2018

表2 磁暴基本信息Table 2 General information of storms

2010 年7 月至2022 年12 月期間發(fā)生的cDstm在-100～-200 nT 之間磁暴數(shù)目比較多，本文選擇2015 年12 月和2017 年5 月的磁暴為例進(jìn)行展示。圖3 展示了這2 次磁暴的cDst 指數(shù)和Dst 指數(shù)隨時(shí)間的變化，詳細(xì)信息如表3 所示。其中2015 年12 月的磁暴主相時(shí)，我國(guó)位于晨側(cè)（北京時(shí)間7:00），cDstm大于Dstm，比值為0.87；2017 年5 月的磁暴主相時(shí)，我國(guó)位于昏側(cè)（北京時(shí)間15:00），cDstm小于Dstm，比值為1.24。綜合圖2 和圖3、表2 和表3 可以看出，我國(guó)位于昏側(cè)時(shí)cDst 指數(shù)小于Dst 指數(shù)，位于晨側(cè)時(shí)cDst 指數(shù)大于Dst 指數(shù)，和環(huán)電流晨昏不對(duì)稱(chēng)性相符合。

圖3 2015 年12 月（左）和2017 年5 月（右）的cDst 指數(shù)和Dst 指數(shù)Figure 3 cDst indexes and Dst indexes in Oct 2015 (left) and May 2017 (right)

表3 磁暴基本信息Table 3 General information of storms

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本數(shù)據(jù)集是基于子午工程地磁數(shù)據(jù)計(jì)算得到的中國(guó)區(qū)域Dst指數(shù)產(chǎn)品，為了保證結(jié)果的可靠性，使用的4 個(gè)臺(tái)站的地磁緯度均在20 度左右，避免了赤道電集流和極光電集流的影響，經(jīng)度從西向東均勻分布，基本覆蓋了中國(guó)的經(jīng)度范圍，保證指數(shù)產(chǎn)品適用于中國(guó)區(qū)域。

數(shù)據(jù)質(zhì)量方面，設(shè)備在故障停機(jī)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)缺失；在受到強(qiáng)干擾時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)異常，表現(xiàn)為地磁H 分量劇烈變化，同樣無(wú)法使用。在計(jì)算cDst 指數(shù)過(guò)程中，當(dāng)某臺(tái)站數(shù)據(jù)出現(xiàn)缺失或者異常時(shí)，則利用剩余臺(tái)站數(shù)據(jù)計(jì)算cDst 指數(shù)。當(dāng)4 個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)都缺失或異常時(shí)，則無(wú)法獲得cDst 指數(shù)，用nan 表示。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

Dst 指數(shù)作為衡量地磁活動(dòng)的一項(xiàng)指標(biāo)，可以提供全球范圍地磁擾動(dòng)的定量變化，但對(duì)區(qū)域性地磁擾動(dòng)特征的刻畫(huà)存在一定的偏差。本研究基于子午工程地磁數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)。相對(duì)于Dst 指數(shù)，中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)可以更好地反映中國(guó)區(qū)域的地磁活動(dòng)，可為中國(guó)區(qū)域空間天氣效應(yīng)的評(píng)估和預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)和決策支持。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

2010–2022 中國(guó)區(qū)域Dst 指數(shù)數(shù)據(jù)集相關(guān)資料的保存格式為dat 格式，可使用IDL、Matlab、Python、R 等編程語(yǔ)言讀取、查看、分析、處理及應(yīng)用。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

李暉（1985—），男，安徽樅陽(yáng)人，博士，研究員，研究方向?yàn)榭臻g天氣學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)集整體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理及論文撰寫(xiě)。

劉子謙（1984—），男，河南安陽(yáng)人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g天氣學(xué)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理與論文撰寫(xiě)。