电离层是因太阳紫外线、X射线等辐射作用，在约60~1000 km高度上大气的中性成分发生部分电离形成的，其中从500~1000 km这个空间称为顶部电离层.目前许多对地观测的低轨道卫星飞行在顶部电离层空间，如在660~710 km高度上法国DEMETER卫星(Parrot，2002; Parrot et al., 2006)，800~900 km高度美国的气象卫星NOAA系列卫星，以及我国2018年2月最新发射的在507 km高度上的张衡一号试验卫星(Shen et al., 2018).这些低轨道卫星无一例外地携带了能量粒子载荷，为研究波粒相互作用，分析各种尺度的扰动，提供了重要的观测结果.

近20年以来，越来越多的卫星观测到了地震电离层扰动现象，表现为电磁场扰动(泽仁志玛等，2012)、等离子体密度变化(刘静等，2011)、高能粒子通量变化(黄建平等，2010)等，特别是法国DEMETER卫星在顶部电离层积累了详实的观测数据，研究地震电离层扰动现象的学科迅猛发展.前人基于DEMETER卫星能量粒子观测发现了多个地震前高能粒子通量的变化情况，如黄建平等(2010)发现2010年2月27日智利M_W8.8地震前后高能粒子通量在震前出现了较明显的变化，李新桥等(2010)发现在2008年5月12日M_W8.0汶川地震前后，90~600 keV能区的电子通量在地震当天与地震前后几天的能谱有明显差别，而且在VLF发射站引起的电子集中区上的能谱在地震前有显著低能段涨高.基于多个震例的统计分析也发现高能电子通量变化与强震有一定的关联，张学民等(Zhang et al., 2013)根据DEMETER卫星2004到2010年的高能电子数据，统计分析了多个强震震例，发现了低能带季节性变化，以及在浅源强震前电子通量出现暴增现象.

对观测数据进行电离层扰动分析之前，首先要做的就是要对多颗卫星观测数据的稳定性和差异性进行评价，各颗卫星在相同区域、相同时间段内观测的数据在趋势上应当是一致的，但是目前还鲜有这方面的研究.因此，对比同一时段、相近高度、多颗卫星的空间粒子背景特征，将同一时段的多颗卫星观测数据作对比分析，获得背景方面的认识，为进一步分析粒子动力学运动特征及其地震期间的沉降现象的物理机制提供背景依据，是本文的工作重点和亮点.

选择NOAA系列卫星的原因是因为该系列有多颗卫星同时在轨，可以弥补单颗卫星观测在时间上分辨率不足的缺点.其次，目前国际上对同一类载荷有连续观测的卫星不多，其中时间比较长、载荷相对稳定的是NOAA卫星系列.基于NOAA卫星数据，国内外学者也做了一定研究.基于NOAA系列卫星观测数据对高能粒子暴、地磁活动指数和地震之间相关性的统计分析，发现高能粒子暴和11年太阳活动周期具有负相关性(Fidani and Battiston, 2008; Fidani et al., 2010, 2012).万剑华等(2012)利用NOAA卫星MEPED数据统计分析了汶川震前异常，发现在震前的5月9日NOAA卫星观测到了可能与地震活动有关的粒子爆发现象.这些研究都是在时间范围内探讨，大都是基于地震前后短时间内的数据变化而进行的.

目前，电磁监测02卫星工程正在实施，03星的星座计划正在设计论证.通过本论文的研究，将为更好地利用张衡一号卫星的观测数据，构建能量粒子的全球背景特征，研究地震前兆提供更基础的设计依据.

本文选择了NOAA系列第五代卫星NOAA-15到NOAA-19的粒子探测器数据(MEPED). NOAA卫星是美国国家海洋大气局发射的系列极轨太阳同步低高度气象观测卫星，从第一代NOAA卫星到现在一共经历了五代(Rodger et al., 2010).表 1给出了本次研究的NOAA卫星相关参数.

表 1 (Table 1)

表 1 NOAA系列卫星及其相关能量粒子观测参数 Table 1 NOAA series satellites and related energetic particle parameters 卫星名称 载荷名称 时间范围 轨道高度/km 轨道倾角(°) 探测能段 NOAA-15 MEPED 1998-07—至今 807 98.5 电子：30 keV~2.5 MeV质子：30 keV~6.9 MeV NOAA-16 MEPED 2001-01—2014-06 849 99 同上 NOAA-17 MEPED 2002-07—2013-04 810 98.7 同上 NOAA-18 MEPED 2005—至今 854 98.74 同上 NOAA-19 MEPED 2009—至今 870 98.7 同上

表 1 NOAA系列卫星及其相关能量粒子观测参数 Table 1 NOAA series satellites and related energetic particle parameters

自NOAA-15之后，NOAA系列卫星所携带的空间环境监测器SEM(Space Environment Monitor)改为SEM-2, 主要是用来探测离子和电子的辐射通量.SEM-2由以下几个探测仪器组成：高能质子和α粒子探测器HEPAD(High Energy Proton and Alpha Detector)、总能量探测器TED(Total Energy Detector)和中等能量质子电子探测MEPED(Whittaker et al., 2014; Asikainen and Mursula, 2005).

本文采用NOAA-15至19号卫星的MEPED粒子数据.MEPED由8个固体探测器组成，包括两个质子探测器和两个电子探测器及四个全方位探测器，主要探测30 keV至200 MeV(包括辐射带内的)的高能电子、质子、太阳质子事件粒子和低能段的宇宙射线，其中质子探测器主要探测30 keV至6.9 MeV五个能谱段的高能质子，电子探测器主要探测30 keV至2.5 MeV三个能谱段的高能电子.两种探测器都有两个方向探测，一个是0°方向探测器，安装在地球与卫星连线的背离地球的方向上；另一个则是90°方向探测器，与0°探测器近乎垂直，安装在与卫星飞行方向反平行的方向上.

首先构建全球观测值统计背景场.将全球划成2°×2°的均匀网格，分别把NOAA五颗卫星在2010年的高能粒子观测值，根据轨道参数分布到各个小网格中，统计每个网格中的粒子通量中值.为方便数据处理，在网格出现空值时用一个非零的极小值10^-6来代替. NOAA-15至NOAA-19共5颗卫星的高能电子在顶部电离层的分布特征如图 1和图 2所示.图 1和图 2中(a—e)分别显示了NOAA-15到NOAA-19观测的地磁活动平静时期100~300 keV电子全球分布以及80~2500 keV质子全球分布，横坐标是经度，纵坐标是纬度，色标代表的是取对数后的粒子通量值，单位(cm^-2·s^-1·sr^-1)，图中白色点表示在这个区域数据缺失.

图 1

Fig. 1

图 1 NOAA-15到NOAA-19 90°探测器对2010年100~300 keV电子能段观测结果 Fig. 1 The 100~300 keV electron energy flux in 2010 observed by the 90° telescope of NOAA-15 to NOAA-19

从图 1和图 2中可以看出，NOAA-15到NOAA-19卫星的观测结果所反映的高能粒子的全球分布基本相同, 通量高值区主要聚集在三个区域：南、北辐射带和南大西洋异常区.在其他区域，粒子通量显著降低，但是局部地区仍存在差异.

图 2

Fig. 2

图 2 NOAA-15到NOAA-19 90°探测器对2010年80~2500 keV能段质子观测结果 Fig. 2 The 80~2500 keV proton energy flux in 2010 observed by the 90°telescope of NOAA-15 to NOAA-19

南北辐射带的高能电子分布特征：由图 1发现高能电子主要分布南北半球高纬地区，且南北半球分布具有不对称性.从纬度上看，南北辐射带在南北半球均呈现两条明显的集中带，其范围分别在南纬45°至南纬60°，南纬60°至南纬80°，北纬45°至北纬60°，北纬60°至北纬80°之间，其中纬度60°—80°集中带的通量比45°—60°集中带的通量要高，在北半球要高一个数量级.从经度上看，北半球60°—80°的集中带分布连续，经度范围从西经180°到东经180°，并且观测到的通量强度均匀分布.而纬度45°—60°的集中带在经度上分布呈现明显的不连续现象，西半球比东半球观测到的通量高，且在西经75°到东经90°范围出现一个低值区；在南半球，纬度60°—80°集中带呈现连续均匀分布，经度从西经180°至东经180°，在纬度45°—60°集中带西半球观测到的通量比东半球观测到的通量高于两个数量级.与北半球低值区的共轭区域，即南纬30°至南纬60°，西经50°至东经50°区域呈现一个明显的高值区域，其边界与南大西洋异常区接近.

南大西洋异常区的高能电子分布特征：NOAA-15至NOAA-19清晰观测到南大西洋异常区，其形状和地区分布呈现出较好的一致性，范围分布在南纬30°至北纬20°，西经90°至东经30°地区，越靠近中心区域通量观测值越高，其中NOAA-16在南大西洋异常区的中心部分观测值要高于其他几颗卫星.

南北辐射带的高能质子分布特征：从图 2可以看出，与电子不同，质子在南北半球南北辐射带各呈现一条明显的集中区.从纬度上看，其分布在南纬60°至南纬80°之间和北纬60°至北纬80°之间.从经度上看，在南北半球分布均呈连续分布，在西经30°至0°之间，北半球的观测值较低，南半球观测值较高.同时在南半球西经30°至东经50°区域，呈现一个高值区.

南大西洋异常区的高能质子分布特征：根据图 2还发现，NOAA-15至NOAA-19能够清晰地观测到南大西洋异常区，其形状和地区分布呈现出较好的一致性，范围分布在南纬30°至北纬20°，西经90°至东经30°地区，越靠近中心区域通量观测值越高，这与电子观测结果较为相近.

为了进一步评估这5颗卫星的观测差异，进而评估单个卫星的观测误差范围，我们以NOAA-16为基准，在相同网格中分别计算其他卫星观测中值与NOAA-16的差值.图 3显示了NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19的100~300 keV电子全球观测减去NOAA-16的全球差值图，其中横坐标是经度，纵坐标是纬度，色标代表的是取对数后的通量值，单位(cm^-2·s^-1·sr^-1).

图 3

Fig. 3

图 3 NOAA系列卫星与NOAA-16卫星100~300 keV电子全球分布差值图 Fig. 3 Global distribution map of the difference of 100~300 keV electron flux between NOAA Series Satellites and NOAA-16 Satellites

从图 3中可以看出，在全球大部分区域，几颗卫星的观测结果基本一致，但在辐射带和南大西洋区等典型区域存在一些差异.NOAA-15和NOAA-17在南大西洋异常区的观测值低于NOAA-16的，NOAA-18和NOAA-19在南大西洋异常区的观测值与NOAA-16较为接近，但总体上还是低于NOAA-16.在北辐射带，NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18和NOAA-19与NOAA-16的100~300 keV电子观测结果相比普遍较低，它们在每个网格的差值中，正数所占比例分别为46%，38%，44%和41%，其中NOAA-17和NOAA-16的差异比较明显，正数比例低于40%.在南辐射带，NOAA-15，NOAA-17，NOAA-18，NOAA-19的观测结果与NOAA-16之间每个网格的差值中正数占比分别为51%，52%，62%和51%, 均大于50%，可见在南辐射带，其他各颗卫星观测值普遍大于NOAA-16，且NOAA-18明显高于NOAA-16，其差值中正数比例达到60%以上.

图 4显示了NOAA-15、NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19的80~2500 KeV质子减去NOAA-16的全球差值图，从图 5中可以看出：在南大西洋异常区，NOAA-15、NOAA-17的观测值都低于NOAA-16的，而NOAA-18、NOAA-19在南大西洋异常区的观测值接近于NOAA-16的；在南北辐射带，NOAA-15、NOAA-17的80~2500 KeV质子通量与NOAA-16较为接近，而NOAA-18、NOAA-19明显比NOAA-16高1~2个数量级.

图 4

Fig. 4

图 4 NOAA系列卫星与NOAA-16卫星80~2500 keV质子全球分布差值图 Fig. 4 Global distribution map of the difference of the 80~2500 keV proton flux between NOAA Series Satellites and NOAA-16 Satellites

图 3和图 4比较了不同卫星粒子全球观测的差异，可以看出这些差异体现在电子沉降集中的区域，主要是南大西洋异常区和南北辐射带.为更好地研究各颗卫星的数据稳定性和差异性，进一步了解粒子在这一区域的分布形态，本文进一步提取了南大西洋异常区和南北辐射带的数据，统计了各颗卫星2010年在两极地区和南大西洋异常区的观测结果，从概率密度分析研究了各颗卫星在南大西洋异常区和两极地区粒子通量的分布规律.

图 5和图 6显示了南大西洋异常区的高能电子和质子通量的分布规律.图 5和图 6中，a图表示的是NOAA-15卫星在南大西洋异常区观测结果的数据分布直方图，b图表示的是根据NOAA-15在南大西洋异常区观测结果数据分布所拟合的概率密度曲线，c图表示的是以NOAA-15到NOAA-19在南大西洋异常区观测结果数据分布所拟合的概率密度曲线，其中(a)、(b)、(c)的横坐标均表示对卫星观测结果取以10为底的对数，单位(cm^-2·s^-1·sr^-1).a图纵坐标表示的是测量值的个数, b图和c图的纵坐标表示的是概率密度.

图 5

Fig. 5

图 5 NOAA-15到NOAA19卫星在南大西洋异常区电子观测的直方图和概率密度曲线 Fig. 5 Histogram distribution and probability density of electron flux in the South Atlantic anomalous region observed by NOAA-15 to NOAA19 satellites

图 6

Fig. 6

图 6 NOAA-15到NOAA19卫星在南大西洋异常区质子观测结果 Fig. 6 Histogram distribution and probability density of proton flux in the South Atlantic anomalous region revealed by NOAA-15 to NOAA19 satellites

从图 5c中可以看出，NOAA系列卫星在南大西洋异常区观测到的电子通量概率密度曲线形态基本相同，5颗卫星的概率密度曲线都出现先上升后下降的情况，其形态基本呈正态分布.其差异性也比较清晰：NOAA-16的概率密度曲线比其他卫星总体上向右偏移，在10^3.5附近达到最大值；其他几颗卫星，除NOAA-19外，最大值均小于10^3.5.这一现象表明NOAA-16卫星在南大西洋异常区的观测值要普遍高于其他几颗卫星，与图 3中的观测结果一致.NOAA-15卫星的概率密度曲线比其他的曲线都向左偏移，表明NOAA-15是这几颗卫星中观测值普遍偏小的.NOAA-17和NOAA-18概率密度曲线高度重合，NOAA-19与NOAA-17、NOAA-18在曲线范围上也高度接近，在10³至10^3.5出现小范围波动.

从图 6c中可以看出，NOAA系列卫星在南大西洋异常区观测到的质子通量概率密度曲线与电子的概率密度曲线是相似的，总体上看同样先上升后下降，呈正态分布，而且各曲线形态更趋于一致，具体表现在横轴上最大值在10^4.5左右，且5颗卫星质子观测结果较为一致，其概率密度曲线重合性较高.

为了更好地表示各颗卫星概率密度曲线的相似程度，选用两条曲线之间在各个点的残差平方和来表示两条曲线的接近程度.假设曲线a在各点x_i的对应的值为y_a, 曲线b在各点x_i对应的值为y_b, 则它们的残差平方和为∅=(y_a-y_b)².表 2和表 3给出了在南大西洋地区5颗卫星观测数据概率密度曲线的残差平方和∅，∅值越大，表示两个卫星之间的数据差异越大，其中表 2表示的是电子概率密度曲线的残差平方和，表 3是质子概率密度曲线的残差平方和.

表 2 (Table 2)

表 2 NOAA系列各颗卫星在SAA地区电子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 2 Sum of squared residuals sum of the electron flux probability density of NOAA series satellites over the SAA Area NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 NOAA-18 NOAA-19 NOAA-15 0 5.3771 0.9602 1.6970 1.4493 NOAA-16 5.3771 0 2.3547 1.5960 1.5560 NOAA-17 0.9602 2.3547 0 0.1429 0.1620 NOAA-18 1.6970 1.5960 0.1429 0 0.1065 NOAA-19 1.4493 1.5560 0.1620 0.1065 0

表 2 NOAA系列各颗卫星在SAA地区电子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 2 Sum of squared residuals sum of the electron flux probability density of NOAA series satellites over the SAA Area

表 3 (Table 3)

表 3 NOAA系列各颗卫星在SAA地区质子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 3 Sum of squared residuals of the proton flux probability density of NOAA series satellites over the SAA Area NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 NOAA-18 NOAA-19 NOAA-15 0 0.6972 0.0503 0.4305 0.4783 NOAA-16 0.6972 0 1.1032 0.0373 0.0385 NOAA-17 0.0503 1.1032 0 0.7607 0.8275 NOAA-18 0.4305 0.0373 0.7607 0 0.0142 NOAA-19 0.4783 0.0385 0.8275 0.0142 0

表 3 NOAA系列各颗卫星在SAA地区质子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 3 Sum of squared residuals of the proton flux probability density of NOAA series satellites over the SAA Area

由表 2发现NOAA-17、NOAA-18和NOAA-19三颗卫星在南大西洋地区电子观测值差异较小，它们之间的其残差平方和∅均小于0.2，可以认为这三颗卫星的观测数据是一致的.NOAA-15和NOAA-16在南大西洋异常区电子观测值差异相对较大，它们之间残差平方和∅为5.3771，远高于其他卫星之间的残差平方和.同时，NOAA-15与NOAA-17、NOAA-19之间残差平方和均小于1.5，和NOAA-18之间的残差平方和为1.69，而NOAA-16与NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19之间残差平方和均大于1.5，最大值为2.3547，因此，NOAA-15观测结果与NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19之间的差异比NOAA-16的小.这与图 5c中所反映的，NOAA-15在南大西洋异常区的观测数据总体上小于NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19的观测值，NOAA-16南大西洋异常区的观测数据总体上大于NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19的观测值能很好地对应起来.

从表 3中看出NOAA系列卫星在南大西洋异常区对80~2500 keV的质子的观测结果相近，其中NOAA-15与其他几颗卫星观测结果之间差异最小，除NOAA-16外，其与各卫星之间的残差平方和均小于0.5，与NOAA-16之间的残差平方和为0.6972.NOAA-17与其他各颗卫星之间的观测结果差异最大，除NOAA-15外，其与各卫星之间的残差平方和均大于0.7以上.NOAA-16，NOAA-18，NOAA-19的观测结果最为接近，它们之间的残差平方和均小于0.1，可以认为NOAA-16、NOAA-18、NOAA-19在南大西洋异常区的80~2500 keV质子观测结果之间几乎没有差异.

图 7和图 8分别比较了电子和质子在辐射带地区的通量分布特征，其中各图横纵坐标意义同图 5.图 7给出了南北辐射带的高能电子通量的分布.从图 7中，可以看出，NOAA系列卫星在两极辐射带观测到的电子通量趋势一致，整体上呈正态分布，这与在南大西洋异常区的观测结果相同.从图 7c中可以看出，各曲线都在横轴上4.5附近取得最大值，与在南大西洋异常区的观测结果相比，要高出一个数量级.同时，NOAA系列卫星在两极辐射带观测到的电子通量分布一致.表 4给出了在两极辐射带地区5颗卫星观测数据概率密度曲线的残差平方和，可以看出各颗卫星之间的残差平方和均小于0.02，表明各颗卫星在两极辐射带的观测结果具有高度的一致性.

图 7

Fig. 7

图 7 NOAA-15到NOAA19卫星在两极辐射带100~300 keV电子观测结果的分布 Fig. 7 Histogram distribution and probability density of electron flux over the polar radiation belt observed by NOAA-15 to NOAA19 satellites

图 8

Fig. 8

图 8 NOAA-15到NOAA-19卫星在两极辐射带80~2500 keV质子观测结果的分布 Fig. 8 Histogram distribution and probability density of electron flux in the polar radiation belt observed by NOAA-15 to NOAA19 satellites

表 4 (Table 4)

表 4 NOAA系列各颗卫星在两极辐射带地区电子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 4 Sum of squared residuals of the electron flux density of NOAA series satellites over the polar radiation belt NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 NOAA-18 NOAA-19 NOAA-15 0 0.0087 0.0062 0.0305 0.0133 NOAA-16 0.0087 0 0.0180 0.0097 0.0046 NOAA-17 0.0062 0.0180 0 0.0456 0.0222 NOAA-18 0.0305 0.0097 0.0456 0 0.0059 NOAA-19 0.0133 0.0046 0.0222 0.0059 0

表 4 NOAA系列各颗卫星在两极辐射带地区电子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 4 Sum of squared residuals of the electron flux density of NOAA series satellites over the polar radiation belt

图 8给出了南北辐射带的高能质子通量的分布，图中横纵坐标均与图 5相同.从图 8中反映了总体上NOAA系列卫星在南北辐射带质子通量趋势相同，其概率密度曲线均呈现正态分布，各卫星观测的最大值差别比较显著，NOAA-15在横轴3左右取得最大值，NOAA-16、NOAA-17在横轴3.5附近取得最大值，而NOAA-18和NOAA-19在横轴上3.9附近取得最大值，说明在南北辐射带，NOAA-18和NOAA-19观测的质子通量最高，NOAA-16和NOAA-17次之，NOAA-15最低，其中NOAA-18、NOAA-19比NOAA-15观测到的质子通量要高一个数量级左右.表 5给出了两极辐射带地区5颗卫星质子观测数据概率密度曲线的残差平方和，可以看出NOAA-15与NOAA-18、NOAA-19之间的残差平方和都较大，达到1.75以上，NOAA-16、NOAA-17卫星之间结果较为接近，NOAA-18、NOAA-19卫星之间观测结果也较为接近.

表 5 (Table 5)

表 5 NOAA系列各颗卫星在两极辐射带地区质子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 5 Sum of squared residuals of the proton flux density of NOAA series satellites over the polar radiation belt NOAA-15 NOAA-16 NOAA-17 NOAA-18 NOAA-19 NOAA-15 0 0.5595 0.9044 1.7568 1.9071 NOAA-16 0.5595 0 0.0863 0.5034 0.5974 NOAA-17 0.9044 0.0863 0 0.1884 0.2525 NOAA-18 1.7568 0.5034 0.1884 0 0.0078 NOAA-19 1.9071 0.5974 0.2525 0.0078 0

表 5 NOAA系列各颗卫星在两极辐射带地区质子观测数据概率密度曲线的残差平方和 Table 5 Sum of squared residuals of the proton flux density of NOAA series satellites over the polar radiation belt

上述分析是基于一个较长时间范围的数据来比较各卫星数据分布差异.为比较数据的实时变化情况，这里分析高能电子在磁暴事件前后的观测结果，进而评估不同卫星对空间天气事件的响应情况.磁暴事件选择2011年10月25日的一次强磁暴.图 9a给出了2011年10月24日至31日的时间范围内全球Dst指数时间序列.Dst指数是描述磁暴时变化的指数, 是将地磁赤道附近几个台站所测得的地磁指数的每个小时的平均值计算得出的，这几个地磁台站分布于北纬30°至南纬30°之间，该指数单位为纳特(nT)，主要是用于描述赤道环电流的强度(罗小荧等，2014).

图 9

Fig. 9

图 9 2010年10月24日至31日Dst指数变化和同时段NOAA15-19系列卫星100~300 keV高能电子变化 Fig. 9 Variations of Dst Index and 100~300 keV electron fluxes of NOAA 15-19 Satellites from October 24 to 31, 2010

图 9b、c、d、e、f分别代表在同时间段，NOAA-15、NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18、NOAA-19观测的电子通量时间序列图，紫色虚线表示Dst指数达到最大值的时刻，随后Dst指数开始快速下降，在红色虚线处达到最小值(小于-100 nT)，随后Dst指数缓慢上升直至逐渐恢复到磁暴发生前的水平.从图 9中可以看出，NOAA系列卫星均对磁暴事件有响应，总体趋势一致，演化呈现同步变化，即磁暴初始和主相期间，各卫星均能观测到磁暴发生所造成的高能电子扰动，由台站观测到的地磁指数(Dst)和空间上由卫星观测到的磁暴在时间上具有同步性；磁暴恢复相期间，各卫星的观测结果也逐渐回落，其恢复到磁暴发生前的水平或较高，所用时间也比Dst的恢复时间更长.从这次磁暴事件中，发现地面上其中在初相阶段，几颗卫星均呈现出单点脉冲增强现象，其中NOAA15幅度最大，NOAA16幅度最小，NOAA17-NOAA19比较接近；在主相阶段，5颗卫星仍呈现单点脉冲增强现象，其中NOAA15幅度最强，NOAA17幅度最小，其他比较接近；在恢复相期间，整体观测水平抬升，各卫星的观测幅度增强水平相当.

通过对2010年的NOAA系列卫星观测资料的研究，统计分析了100~300 keV高能电子和80~2500 keV质子的全球分布特征；以南大西洋异常区和两极辐射带为例，比较了各卫星观测的区域分布特征；结合磁暴事件，探究了5颗卫星对磁暴事件的瞬时响应特点，初步结论如下：

(1) 100~300 keV高能电子和80~2500 keV质子在全球主要有三个集中区域，分别是两极辐射带和南大西洋异常区.对于100~300 keV电子，在两极辐射带观测到的电子通量比在南大西洋异常区观测的大几倍到一个数量级.在空间分布上，两极辐射带的电子分布呈现出南北半球不对称性，在北辐射带，西半球比东半球观测到的电子通量要高，且在西经5°到东经90°范围出现一个低值区；在南辐射带，西半球观测到的电子通量比东半球高于两个数量级.与北半球低值区的共轭区域，即南纬30°至南纬60°，西经50°至东经50°区域存在一个明显的高值区域，其边界与南大西洋异常区接近.对于80~2500 keV质子，在两极辐射带观测到的质子通量比在南大西洋异常区观测到的质子通量通常小几倍到一个数量级，空间上总体呈南北半球对称分布，但在南半球，西经30°到东经50°地区出现一个高值区.

(2) 对南大西洋异常区和两极辐射带的数据分析结果表明，NOAA系列卫星在这两个区域的观测结果总体上趋势相同，呈正态分布.对100~300 keV电子，在南大西洋异常区NOAA-15的观测结果最低，NOAA-16观测结果最高，NOAA-17，NOAA-18，NOAA-19的观测结果基本相同；而在两极辐射带，NOAA系列卫星的100~300 keV电子观测结果非常接近，可以认为没有差异.对80~2500 keV质子，在两极辐射带各卫星观测结果有所不同，NOAA-18和NOAA-19观测的质子通量最高，NOAA-16和NOAA-17次之，NOAA-15最低，其中NOAA-18、NOAA-19比NOAA-15、NOAA-16和NOAA-17观测到的质子通量要高一个数量级左右，而在南大西洋异常区，各卫星观测结果非常接近.电子和质子表现出了不同的观测规律，即各卫星的电子观测在两级辐射带保持一致，质子观测在南大西洋区保持一致.这将为ZH-1后续卫星的轨道分布和载荷接续性设计提供观测支撑.

(3) 结合NOAA系列卫星对磁暴事件的响应情况，发现NOAA系列卫星对磁暴事件均有很好的一致性响应.在磁暴初相-主相-恢复相的整个过程，各个卫星均在初相和主相阶段表现出单点的跳跃，在主相开始还表现出整体增强特征.由于Dst参数的时间分辨率(1 h)和NOAA卫星的数据分辨率(16 s)的限制，从目前结果尚不足以分辨各个卫星对同一个事件响应的时间先后顺序差异.目前，ZH-1卫星上搭载了高精度磁强计载荷，根据已有研究结果(Yang, et al, 2020)表明星上磁场观测到了和Dst同样的，但时间分辨率更高的磁暴过程.那么，未来在有多颗卫星同时在轨的条件下，从观测上识别并建立磁暴传播过程将成为可能.

值得注意的是，NOAA系列卫星观测资料结果表明，100~300 keV电子在北辐射带西经75°到东经90°存在一个低值区，在其磁共轭区，观测到一个高值区，其边界和南大西洋异常区相交，而80~2500 keV质子在南半球经度0°至东经50°之间也出现一个高值区，这一现象目前还没有相关的理论解释，背后的物理机制值得进一步探究.本文还验证了NOAA系列卫星数据的稳定性和一致性，由于卫星本身的特点，决定了卫星对某个地区的观测在时间上不连续的，利用系列卫星进行多点观测在某种程度上弥补了卫星这一短板.对于长期观测而言，使用多颗具有相同载荷的系列卫星进行多点观测更有利于获取稳定可靠的数据.此分析，将从卫星星座设计的角度，对于我国目前正在开展设计的电磁监测02卫星和后续03星的星座方案提供科学借鉴价值.