基于Swarm卫星观测的非洲区域低中纬度跨半球场向电流建模

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Modelling of the Inter-Hemispheric Field-Aligned Currents over the Low- and Mid-Latitudes of the African Sector using Swarm Satellite Observations

　　•利用奇异谱分析提取了大尺度静稳期跨半球场向电流信号
•对非洲扇区的跨半球场向电流应用了谐波模型
•阻尼最小二乘拟合在每个半球达到了0.88的相关系数
•谐波模型再现了跨半球场向电流的地方时、纬度和季节特征

引言

跨半球场向电流是沿地磁力线在南北半球电离层之间流动的电流，分布于低纬和中磁纬地区。当磁共轭点在相反半球的电位不同时，就会产生沿连接磁力线流动的闭合电流（van Sabben，1966；Fukushima，1979）。这种电位差源于太阳静日电流系统，该电流系统由电离层E层的热层风发电机作用驱动，在日侧形成两个以约±30°至±35°磁纬为中心的水平电流涡旋（Richmond，1995；Yamazaki和Maute，2017）。由于两个半球的太阳照射随季节变化，南北电离层电导率不同，Sq涡旋强度不等，由此产生的不平衡驱动电流沿磁力线流动以使其平衡。Maeda（1974）通过数值模拟表明，中性风强迫和电导率梯度均对这一过程有贡献。Fukushima（1979）预测跨半球场向电流在黎明时从夏季半球流向冬季半球，在地方时正午附近反向，从冬季流向夏季，傍晚时保持相同的冬季到夏季方向。

van Sabben（1966）首次根据地面Sq磁场测量值的南北差异提出了跨半球场向电流的存在。首次卫星探测由Olsen（1997）完成，他利用Magsat数据估算了中低纬F区电流。Yamashita和Iyemori（2002）利用?rsted卫星数据证实了季节和地方时依赖性。随后Park等（2011）利用CHAMP九年的观测数据生成了首个全球跨半球场向电流气候学，证实了Fukushima（1979）预测的极性反转，并发现电流密度随地理经度变化。他们用纬向波数描述这种变化，纬向波数是指场向电流模式沿经度绕地球一圈时重复的次数。波数为1的模式在经度一整圈内有一个最大值和一个最小值，波数为2的模式有两个最大值和两个最小值，波数为4的模式有四个。这些模式源于迁移性太阳潮汐（跟随太阳运动）与由海陆热力对比和地形产生的非迁移性潮汐之间的相互作用。在低纬地区，波数为4的模式最强，与热带对流层中非迁移性日潮有关。在区域尺度上，Bolaji等（2012）利用尼日利亚地面磁力计数据发现，该地区的跨半球场向电流特征与全球平均值不同，具有全球气候学无法捕捉的局地特征。Owolabi等（2018）考察了非洲扇区跨半球场向电流的纬度分布。

欧洲空间局于2013年11月发射的Swarm卫星星座（基于Friis-Christensen等（2006）提出的任务概念）通过其双星编队推进了跨半球场向电流研究。Swarm A和C的并排编队使得在不需单卫星方法所要求的时间平稳性假设的情况下估算径向电流密度成为可能（Ritter等，2013）。Lühr等（2015）利用Swarm将跨半球场向电流与F区发电机电流分离，Lühr等（2019）生成了精细气候学，表明中纬跨半球场向电流与赤道附近不同，且冬季不镜像夏季。Fathy等（2019）考察了完整低中纬带内场向电流随地方时、经度和季节的变化。结果表明，场向电流密度在不同扇区随经度变化。Wang等（2023）通过将电流密度归一化到E区足印点以考虑背景磁场几何效应，将纬度范围扩展到±60°磁纬。他们发现中纬地区纵向结构以波数为1和2的模式为主，与低纬地区的波数为4模式形成对比。Park等（2020）分析了Swarm在±60°磁纬范围内的径向电流，识别出±35°磁纬附近电流改变极性的边界，将其归因于太阳潮汐强迫，并得到TIME-GCM模拟的支持。Fillion等（2021，2023）从Swarm星座发展了低中纬F区电离层电流的全球经验描述，用球谐函数表示环向磁场。

跨半球场向电流行为的若干方面仍有待解决。黄昏扇区存在分歧：Fukushima（1979）预测傍晚为冬季到夏季方向流动，但Park等（2011）和Fathy等（2019）在卫星数据中观测到相反的极性。正午扇区是第二个分歧点。Fukushima（1979）预测地方时正午附近反转流向冬季到夏季，但Fathy等（2019）在Swarm低中纬数据中未观察到这种反转，Wang等（2023）则报告12月正午电流振幅减弱而非反转。Archana等（2026）利用地面磁力计和Swarm联合观测对印度扇区得出了相同结论。Archana和Arora（2024）分析了印度扇区两个太阳活动周期的地面磁力计记录，发现黎明和正午跨半球场向电流振幅与半球间Sq电流不对称性相关，但黄昏扇区没有这种相关性，表明存在超出Sq电导率机制之外的额外过程。Jadhav等（2024）在Swarm观测的跨半球场向电流中识别出准16天振荡，并将其与行星波活动联系起来，揭示了季节平均无法捕捉的变率。

所有这些研究都通过将多年积累的卫星或地面分箱数据平均来表征跨半球场向电流，产生了平均电流密度的图谱和剖面，但对跨半球场向电流进行建模能提供更多视角来表征它并量化其振幅以供进一步分析。谐波展开已广泛应用于其他电离层电流系统：地磁主磁场自Gauss（1839）以来就用球谐函数表示，Sq电流系统用谐波级数描述（Richmond，1995），赤道电集流最近由Olsen等（2025）建模为地方时、经度和季节的谐波函数。谐波展开产生连续函数，其系数量化每个空间和时间模态的强度，并允许在模型域内任意点评估电流密度。Fillion等（2023）通过用球谐函数表示环向磁场，对全球低中纬F区电流进行了建模，但尚未有关于跨半球场向电流密度在地方时、磁纬和季节方面的谐波展开的报道。

因此，跨半球场向电流仍存在两个主要研究空白。第一，现有低中纬跨半球场向电流描述是分箱平均值。第二，跨半球场向电流尚未被描述为地方时、纬度和季节的连续函数。因此，开发谐波展开模型可以同时解决这两个问题，其系数量化每个空间和时间模态，可在模型域内任意位置求值，这对空间科学界将极具价值。该模型将作为描述跨半球场向电流随地方时、纬度和季节变化的基线背景模型。本研究针对非洲扇区（地理经度-20°至52°）开发了这样的展开式。对每个半球独立拟合从Swarm A和C二级双星场向电流数据中获得的跨半球场向电流，数据覆盖2014至2020年，地磁条件为静稳期（Kp ≤ 2）。所得系数描述了静稳条件下域内任意点观测到的跨半球场向电流。

本文的组织如下。第2节描述数据选择、信号提取过程、谐波模型公式化和正则化反演。第3节介绍模型性能以及模拟跨半球场向电流的空间和季节结构。第4节在先前研究的背景下讨论结果。第5节总结结论。

章节片段

数据与选择标准

Swarm星座是欧洲空间局于2013年11月22日发射的任务，运行于近极地低地球轨道。该任务由三颗相同的卫星组成：Swarm A、B和C。Swarm A和C在约460公里高度并排飞行，赤道处经向间隔约1.4°，而Swarm B在约510公里的较高轨道运行。Swarm A和C的并排编队使得能够估计电离层径向电流密度，方法为

结果

谐波模型独立拟合南北半球，与分箱观测的相关系数分别为北半球R = 0.85，南半球R = 0.86，均方根误差分别为2.61和1.82 nA/m2。在呈现模拟的跨半球场向电流模式之前，先检验正则化参数α的选择。图3显示了将α从10?3变化到103所描绘的L曲线，绘制了解范数‖c‖2与

讨论

先前对低中纬跨半球场向电流系统的研究通过将观测电流密度按地方时和纬度分箱并多年平均来生成气候学图谱（Park等，2011；Lühr等，2015，2019；Fathy等，2019；Wang等，2023）。这些图谱描述了空间结构及其季节变化，但结果是离散的分箱值，而非可在任意点求值的函数。本研究开发的模型将跨半球场向电流表示为

结论

本研究利用2014至2020年Swarm A和C双星观测数据，开发了非洲扇区跨半球场向电流密度的谐波模型。该模型将通过Wang等（2023）磁通管映射得到的跨半球场向电流密度表示为太阳地方时、磁纬和季节的连续函数，对每个半球在静稳地磁条件（Kp ≤ 2）下独立拟合分箱平均观测值。在每半球378个名义系数中

CRediT作者贡献声明

Adel Mohammed：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、验证、监督、软件、方法学、正式分析、数据管理、概念化。Edwin Beshel Ayabie：撰写——审阅与编辑、撰写——原稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、调查、正式分析、数据管理。Ali Kandil：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件、方法学、调查。Ayman

数据可用性

Swarm二级双星场向电流产品可通过ESA的VirES for Swarm平台公开获取（https://vires.services/）。用于评估磁场的IGRF-14系数由IAGA发布（https://doi.org/10.5281/zenodo.14218973），通过pyIGRF14 Python包访问。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们要感谢埃及-日本科学技术大学、日本国际协力机构和TICAD8奖学金计划对本研究的资助支持。我们还要感谢欧洲空间局提供Swarm任务并通过VirES for Swarm平台免费提供二级双星场向电流产品。

Edwin Beshel Ayabie|Ali Kandil|Ayman Mahrous|Adel Fathy