基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.     

内磁层电流体系的地磁效应

对Ⅱ区场向电流及其伴随的部分环电流和电离层电流组成的内磁层三维电流体系（PRFI电流系）的磁场效应进行了数值计算.这一三维电流体系在中低纬度地面产生的磁场呈现出特殊的纬度分布:X分量几乎不随纬度变化,Y分量随纬度增高近似呈线性变化.这些特征明显不同于对称环电流的磁场分布特征（X∝ cosφ,φ是纬度,Y=0）,也不同于DP2、S_q、L等电流体系的磁场分布特征.利用这一特征我们可以从地磁台子午链观测到的磁场扰动中分离出PRFI电流系的贡献.用1989年3月磁暴的实例检验了上述模型,观测结果与理论结果符合得很好.分析结果还表明,最大的D_st指数并不一定对应着最强的对称环电流.     

基于CM4模型的中国大陆地区地磁场时空分布特征分析

本文利用第四代地磁场综合模型（Comprehensive Model 4,CM4）,计算了1982-2001年中国大陆地区同一经度链和同一纬度链上地磁台站的磁层源磁场及其感应场、电离层源磁场及其感应场的地磁北向分量X、东向分量Y、垂直分量Z的模型值,分析了各场源磁场随时间和空间的变化特征。结果表明:在时间上,经度链和纬度链台站的磁层源磁场及其感应场均呈现出11年和27天周期性变化。电离层源磁场及其感应场具有明显的季节变化,不同年份相同季节变化形态一致但幅度不同。在空间分布上,经度链和纬度链台站磁层源磁场及其感应场的年变化幅度呈现出不同变化特征,电离层源磁场及其感应场在经度链上变化特征不同,而纬度链台站的数值基本一致。日变化分析显示,磁静日和磁扰日期间,模型数据与台站实测数据变化一致性较好,相关性较高。     

基于地磁台站数据对磁暴期间环电流和场向电流的分布特征研究

磁暴的发生与环电流的变化密切相关.除了对称环电流外,部分环电流在磁暴的发展过程中也起到了重要的作用,同时部分环电流通过场向电流与极区电离层中的电流形成回路.本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬区域地磁台站数据,对不同强度4个磁暴事件主相和恢复相期间部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.对于每一个磁暴事件,在低纬地区（地磁纬度约0°—40°N）选用地磁经度上大致均匀的8个台站,通过坐标转换计算平行于磁偶极轴的地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动;在低纬地区8个台站的基础上增加中纬地区（地磁纬度约40°N—60°N）地磁经度上大致均匀的6个台站,计算地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析磁暴期间场向电流在中低纬地区引起的磁场扰动.结果表明,磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时昏侧和夜侧扇区,并且主相和恢复相期间部分环电流引起的磁场变化随着磁暴级别的增大而增大;磁暴主相期间向下的场向电流多出现在夜侧至晨侧扇区,向上的场向电流多出现在昏侧至午后扇区,且中纬地区向下和向上场向电流的展布范围明显大于低纬地区;恢复相期间弱、中磁暴事件的场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势,而强、大磁暴事件在恢复相末期场向电流引起的磁场变化明显不同于恢复相的其他时刻,这可能与高纬较强的亚暴活动有关.     

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料,分析了１９９４年４月１６-１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时,台站所处的地方时位置不同,则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说,扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展,极光区范围会向南北扩展,电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区,二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动,并引起反向的电流及地磁变化．由此,中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场,又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体,并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面,磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．     

行星际扰动对地磁活动的影响

利用第23太阳活动周中WIND和ACE资料,统计分析行星际扰动对不同水平地磁活动的影响,研究磁暴强度与不同行星际参数之间的相关性,结果发现:①从长期来看,地磁活动指数Dst与太阳风速度的相关性最好,相关性在太阳活动谷年时最高;②多磁暴时序叠加结果证实了导致小、中、强磁暴开始的经验行星际南向磁场条件,磁暴过程中行星际磁场...     

廊坊、富克地磁台观测数据分析

通过将廊坊、富克地磁台站数据与国内地磁台站十三陵、三亚台以及国际标准地磁台站MMB台的观测数据对比分析,发现各地磁台站数据变化幅度相近、相关性高,对地磁暴有明显响应,且磁暴期间各时段扰动幅度相近。同时,以高质量地磁数据为基础,采用快速傅里叶变换,对廊坊与富克地磁台站的地磁观测数据开展地磁脉动提取,研究发现,两个台站在地磁暴期间均能观测到明显的Pi1、Pi2、Pc5地磁脉动,且Pc5的持续时间、平均强度、变化幅度和Pi1的持续时间、变化幅度及Pi2的变化幅度均有明显增加,为今后开展地磁脉动与高能电子增强事件相关性研究奠定了基础。     

南向行星际磁场事件与磁暴关系的研究

利用172-182年IMP-8飞船的太阳风观测资料和相应地磁活动性指数Dst和AE,研究了43个南向行星际磁场事件期间太阳风和磁层的耦合问题. 与这43个事件对应的地磁暴是中等的和强的磁暴(Dst＜-50nT). 结果表明:(1) 在43个事件中有11个(约占25.6髎)紧随激波之后,18个处于激波下游流场中(占42髎),其余14个(占33髎)和激波没有关连. 绝大多数事件都伴有太阳风动压和总磁场强度的增加;(2) 当行星际晨昏向电场强度EI＞-4mV/m时,只引起磁亚暴,对Dst指数没有明显影响. 仅当EI＜-5mV/m时,磁亚暴和磁暴才会同时出现;(3) 太阳风动压的增加会增强能量向环电流的输入,但不是密度和速度单独起作用,而是以PK=ρV2的组合形式影响能量的输入;(4) 虽然行星际磁场(IMF)南向分量BZ对太阳风和磁层的耦合起着关键作用,但IMF的BX和BY分量相对于BZ的大小对太阳风向磁层的能量传输也有一定影响. 当BX、BY相对BZ较大时能量耦合加强.     

我国部分台站的高K指数检验

为考察我国地磁台站高K指数纬度分布的同一性,选择北京台,佘山台和广州台磁暴时H分量上最大地磁活动8小时K_(max)≥5时段作样本,按其磁纬分别与国外相应的地磁台站结成对比组。对比发现,我国3个台站K≥6的指数存在不同程度的系统偏高趋势,进一步与K_P指数对比确认,反映我国3个台站上的K≥6高K指数及其相应磁场变幅的系统偏高是一种表观现象,原因是这3个台站的H磁变仪都存在着定向差和其它磁变仪的磁系附加磁场影响的缘故。     

磁层系统的能量输入、输出与日地耦合

用１９７８年和１９８２年３６个磁暴期间的太阳风、行星际磁场（ＩＭＦ）和地磁资料，分析和检验已有的两类太阳风－磁层能量耦合函数．结果表明：Ａｋａｓｏｆｕ提出的耦合函数ε能大致地预报亚暴和磁暴的发生。ε开始起重要作用时即出现亚暴；电离层能耗达到饱和值是发生磁暴的标志。ε与磁层体系能耗之间有接近于对数量的线性关系．用１９７８－１９８６年的资料，分析环电流和极光区电离层能耗在１２１个太阳自转周内的分布表明，日面上可能存在相对持久的活动区域     

2007-2012年Dstmin≤-50nT的中等以上地磁暴的行星际源统计

地磁暴的行星际源研究是了解及预报地磁暴的关键因素之一.本文研究了2007-2012年间的所有Dst_min ≤-50 nT的中等以上地磁暴,建立了这些地磁暴及其行星际源的列表.在这6年中,共发生了51次Dst_min≤-50 nT的中等以上地磁暴,其中9次为Dst_min≤-100 nT的强地磁暴事件.对比上一活动周相同时间段发现,在这段太阳活动极低的时间,地磁暴的数目显著减少.对这些地磁暴行星际源的分析表明,65%的中等以上地磁暴由与日冕物质抛射相关的行星际结构引起,31%的地磁暴由共转相互作用区引起,这与以前的结果一致.特别的,在这个太阳活动极低时期内,共转相互作用区没有引起Dst_min≤-100 nT的强地磁暴,同时,日冕物质抛射相关结构也没有引起Dst_min≤-200 nT的超强地磁暴.以上结果表明极低太阳活动同时导致了共转相互作用区和日冕物质抛射地磁效应的减弱.进一步,分析不同太阳活动期间地磁暴的行星际源发现:在太阳活动低年(2007-2009年),共转相互作用区是引起地磁暴的主要原因; 而在太阳活动上升期和高年(2010-2013年),大部分(75%,30/40)的中等以上地磁暴均由日冕物质抛射相关结构引起.     

Extended main phase of some sudden commencement great geomagnetic storms with double SSCs

Hourly equatorial Dst (H) values for a few sudden commencement great geomagnetic storms recorded during the solar cycle 22 are plotted for 72 h of storm time and critically examined. Magnetic records taken at selected low latitude Indian stations are also scrutinised for finer details like SSCs, SIs and other fluctuations. Unusually prolonged main phases lasting more than 20 h characterize the two great storms of 13 March 1989 and 24 March 1991. A second SSC/SI pair, occurring some hours after the first main SSC, has also been identified in these storms. Only the great storm of 28 October 1991, with two SSCs and a main phase duration of 21 h, could be studied in conjunction with simultaneous interplanetary data, including Bz changes. Double negative Bz changes correlate well with the extended and enhanced main phase of this storm. Successive magnetic clouds preceded by interplanetary shock waves could generate such great magnetic storms in association with southward IMF changes.     

Geomagnetic storm intensity forecast caused by magnetic clouds of solar wind

Method of short-term forecast intensity of geomagnetic storms, expected by effect Solar wind magnetic clouds in the Earth’s magnetosphere is developed. The method is based calculation of the magnetic field clouds distribution, suitable to the Earth, the initial satellite measurements therein components of the interplanetary magnetic field in the solar ecliptic coordinate system. Conclusion about the magnetic storm intensity is expected on the basis of analysis of the dynamics of the reduced magnetic field Bz component clouds and established communication intensity of geomagnetic storms on Dst-index values and Bz component of the interplanetary magnetic field vector.     

中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析

本文利用中低纬日本地区(131°E,35°N)GPS-TEC格点化数据,分析了2001—2009年间109个共转相互作用区(CIR)事件、45个日冕物质抛射(CME)事件引起的地磁扰动期间电离层的响应.结果表明,电离层暴的类型随太阳活动的变化而有不同的变化,CIR事件引发的电离层正相暴、正负双相暴多发生在太阳活动下降年,负相暴多发生在高年,负正双相暴多发生在低年;CME事件引发的电离层正相暴和负相暴多发生在高年.CIR和CME引发的不同类型的电离层暴的季节性差异不大,在夏季多发生正负双相暴.电离层暴发生时间相对地磁暴的时延大部分在-6~6h之间,但CIR引发的电离层暴时延范围更广,在-12~24h之间,而CME引发的电离层暴时延主要在-6~6h之间.中低纬的电离层暴多发生在主相阶段,其中CIR引发的双相暴也会发生在初相阶段.电离层负暴多发生在AE最大值为800~1200nT之间.CIR引起的电离层扰动持续时间较长,一般在1~6天左右,而CME引起的电离层扰动持续时间一般在1~4天左右.     

不同起源地磁扰动期间极光沉降能量的统计研究

尽管对极光沉降能量(HP)的研究已经开展很久,但是关于不同行星际扰动源对HP影响的研究仍然很少.本文基于2001—2008年NOAA极轨卫星数据,对三类不同扰动源,即盔状冕流共转相互作用区(CIRs)、伪冕流CIRs和行星际日冕物质抛射(ICMEs)驱动的中等磁暴期间HP的变化进行时序叠加统计分析,讨论了相关太阳风背景参数、地磁活动强度以及耦合函数的有效性;研究了三类磁暴事件期间HP的南北半球不对称性.结果表明,在磁暴之前盔状冕流CIR磁暴的HP明显低于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,盔状冕流"磁暴前的平静期"与Newell耦合函数关系密切,而与Russell-McPherron效应关系较小.盔状冕流CIR磁暴主相HP高于伪冕流CIR磁暴和ICME磁暴,可能与盔状冕流相应行星际|B_z|和太阳风数密度均较高有关.此外,在Kp≤4时,冬夏季半球HP的差别随着Kp增加而增加,相应的变化规律符合电导率反馈机制的预测;在Kp>4时,盔状冕流磁暴和ICME磁暴冬季半球的HP大于夏季半球的,伪冕流磁暴事件夏季半球的HP大于冬季半球的或与冬季半球的相近.     

Energy balance during intense and super-intense magnetic storms using an Akasofu ε parameter corrected by the solar wind dynamic pressure

Geomagnetic storms are large disturbances in the Earth's magnetosphere caused by enhanced solar wind–magnetosphere energy transfer. One of the main manifestations of a geomagnetic storm is the ring current enhancement. It is responsible for the decrease in the geomagnetic field observed at ground stations. In this work, we study the ring current dynamics during two different levels of magnetic storms. Thirty-three events are selected during the period 1981–2004. Eighteen out of 33 events are very intense (or super-intense) magnetic storms (Dst ⩽−250 nT) and the remaining are intense magnetic storms (−250<Dst ⩽−100 nT). Interplanetary data from spacecraft in the solar wind near Earth's orbit (ACE, IMP-8, ISEE-3) and geomagnetic indices (Dst and Sym-H) are analyzed. Our aim is to evaluate the interplanetary characteristics (interplanetary dawn–dusk electric field, interplanetary magnetic field component B_S), the ε parameter, and the total energy input into the magnetosphere (Wε) for these two classes of magnetic storms. Two corrections on the ε energy coupling function are made: the first one is an already known correction in the magnetopause radius to take into account the variation in the solar wind pressure. The second correction on the Akasofu parameter, first proposed in this work, accounts for the reconnection efficiency as a function of the solar wind ram pressure. Geomagnetic data/indices are also employed to study the ring current dynamics and to search for the differences in the storm evolution during these events. Our corrected ε parameter is shown to be more adequate to explain storm energy balance because the energy input and the energy dissipated in the ring current are in better agreement with modern estimates as compared with previous works. For super-intense storms, the correction of the Akasofu ε is on average a scaling factor of 3.7, whilst for intense events, this scaling factor is on average 3.4. The injected energy during the main phase using corrected ε can be considered a criterion to separate intense from very intense storms. Other possibilities of cutoff values based on the energy input are also investigated. A threshold value for the input energy is much more clear when a new classification on Dst=−165 nT is considered. It was found that the energy input during storms with Dst<−165 nT is double of the energy for storms with Dst>−165 nT.     

Great geomagnetic storms in 1841–1870 according to the data from the network of Russian geomagnetic observatories

Great magnetic storms (geomagnetic index C9 is ≥8 for St. Petersburg, which can correspond to Kp ≥ 8 or Dst < ?200 nT), registered from 1841 to 1870 at the St. Petersburg, Yekaterinburg, Barnaul, Nerchinsk, Sitka, and Beijing (at the Russian embassy) observatories are analyzed. A catalog of intensive magnetic storms during this period, which includes solar cycles 9–11, has been compiled. The statistical characteristics of great magnetic storms during this historical period have been obtained. These results indicate that high solar activity played a decisive role in the generation of very intense magnetic storms during the considered period. These storms are characterized by only one peak in a solar cycle, which was registered in the years of the cycle minimum (or slightly earlier): the number of great geomagnetic storms near the solar activity maximum was twice as large as the number of such storms during less active periods. A maximum in September–October and an additional maximum in February are observed in the annual distribution of storms. In addition, the storm intensity inversely depends on the storm duration.     

特大地磁暴的一种行星际源:多重磁云

2001年3月31日观测到的大的多重磁云(Multi MC)事件造成了第23周太阳峰年(2000～2001)最大的地磁暴(Dst=-387nT). 通过分析ACE飞船的观测数据, 描述了这个多重磁云在1AU处的磁场和等离子体特征. 并且根据SOHO和GOES卫星的观测资料, 认证了它的太阳源. 在这次事件中, 由于多重磁云内部异常增强的南向磁场, 使之地磁效应变得更强, 它大大的延长了地磁暴的持续时间. 观测结果与理论分析表明, 多重磁云中子磁云的相互挤压使磁云内的磁场强度及其南向分量增强数倍, 从而加强了地磁效应. 因此, 研究认为多重磁云中子磁云之间的相互压缩是造成特大地磁暴的一种机制. 此外, 研究发现形成多重磁云的日冕物质抛射(CMEs)并不一定要来自同一太阳活动区.