[论文解读] On the Coordinate System of Space-Weather HMI Active Region Patches (SHARPs): A Technical Note

Xudong Sun|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2013

Geophysics and Gravity Measurements被引用 18

一句话总结

本技术说明澄清了HMI SHARPs数据中使用的坐标系统，区分了空间网格的二维重映射与磁场分量的三维矢量变换。它详细说明了hmi.sharp_720s保留了原始的太阳系球面直角坐标系，而hmi.sharp_cea_720s则应用了圆柱等积（CEA）投影和径向磁场计算，从而实现在太阳活动区之间一致的磁通量与矢量分析。

ABSTRACT

We describe the coordinate systems of two streams of HMI active region vector data. A distinction is made between (a) the 2D grid on which the field vector is measured (or sampled), and (b) the 3D coordinate established at each grid point, in which the field vector is presented. The HMI data reduction can involve coordinate changes on both, with those performed on the former termed "remapping", the latter "vector transformation". Relevant pipeline procedures are described. Useful examples are given for data analysis.

研究动机与目标

• 澄清HMI SHARPs数据中空间网格重映射与矢量场变换之间的区别。
• 记录hmi.sharp_720s（原始太阳系球面直角坐标系）和hmi.sharp_cea_720s（CEA投影）数据流所使用的坐标系统。
• 通过提供明确的变换方程和处理流程，实现准确的磁场分析。
• 解决SSW工具与HMI处理流程之间在坐标转换上的不一致，特别是关于太阳半径和观测者距离的问题。

提出的方法

• hmi.sharp_720s使用太阳系球面直角坐标系（ξ, η, ζ），其中ζ与视线方向对齐，磁场矢量通过B、γ、ψ表示。
• hmi.sharp_cea_720s应用圆柱等积（CEA）投影，通过x = φ，y = (180/π) sinλ将太阳地理经度φ和纬度λ映射到(x,y)。
• 使用方程(3)进行逆向CEA映射，从CEA网格坐标(x,y)推导出(φ, λ)，参考点为拼接区域中心(φc, λc)。
• 通过方程(1)执行矢量变换，将(B, γ, ψ)转换为太阳系球面坐标系中的笛卡尔分量(Bξ, Bη, Bζ)。
• 使用方程(7)通过太阳地理纬度λ和经度φ，从(Bξ, Bη, Bζ)计算径向磁场分量Br。
• 使用SSW的wcs_convert_from_coord验证转换结果，并与HMI处理流程的值进行比较，将太阳半径(Rsun)调整为6.96×10⁸ m以保持一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 HMI SHARPs数据流（hmi.sharp_720s与hmi.sharp_cea_720s）的坐标系统如何定义并加以区分？
• RQ2 重映射（如CEA投影）对空间网格坐标的影响与对磁场分量矢量变换的影响有何不同？
• RQ3 为何SSW与HMI处理流程之间的坐标转换存在差异？如何解决？
• RQ4 如何利用标准坐标变换，从HMI矢量磁场数据准确计算径向磁场分量（Br）？

主要发现

• hmi.sharp_720s数据流保留了原始的太阳系球面直角坐标系(ξ, η, ζ)，磁场矢量以B、γ、ψ表示，并通过方程(1)进行变换。
• hmi.sharp_cea_720s数据流应用了圆柱等积（CEA）投影，确保像素面积相等，从而实现一致的磁通量与外推计算。
• 从(φ, λ)到CEA(x,y)的坐标转换通过方程(3)精确计算，以拼接区域中心为参考点，当λc = 0°时简化为标准CEA形式。
• SSW与HMI处理流程之间的转换差异主要源于太阳半径的差异（6.955×10⁸ m vs. 6.96×10⁸ m），调整后一致性提升至百分之几以内。
• 径向磁场分量Br通过方程(7)计算，该方程将(Bξ, Bη, Bζ)转换为日心球坐标系中的(Br, Bθ, Bϕ)，其中Bθ正方向为向南。
• HMI处理流程中的径向磁场分量（Br）在数学上等价于Gary和Hagyard（1990）所定义的太阳地理分量（Bzh, -Byh, Bxh），通过方程(12)至(14)的变换矩阵得到验证。