高分辨率地磁场指数计算及有效性检验

正地磁活动非常复杂,为全面描述地磁场整体活动水平和地磁扰动强度,需要根据实测资料对地磁活动特征进行定性和定量的描述,并加以综合解读,于是产生了各种地磁指数。目前应用最广泛的为描述单台地磁活动水平的K指数、全球地磁活动水平K_p指数以及磁暴环电流的D_(st)指数,但K和K_p指数存在不自洽、非线性、不协调和不精细等问题。     

极光沉降粒子能量与AE、Dst指数的相关分析

对NOAA的POES系列极轨卫星观测得到的1978年以来近30年的极光沉降粒子半球能量的估算值EPI(Estimated Power Input)数据进行了分析,结果表明,极光沉降粒子有显著的春秋分峰值的年变化特征,并且有冬季半球沉降能量较大的南北半球不对称性.对EPI的时均值Pa与地磁指数AE、D_(st)的相关分析得到.Pa与AE的相关系数为0.76,Pa与D_(st)的相关系数为-0.55.把南北半球的时均值SPa,NPa数据分别与AE,D_(st)指数做相关,发现SPa与AE的相关性稍高于NPa的,SPa和NPa与D_(st)的相关性近似.当时延τ=0时,AE与Pa的相关最好,表明全球极光沉降粒子和极光电集流的变化同步;当D_(st)滞后于Pa,时延τ=1～2 h,Pa与D_(st)的相关最好,并且时延τ为6～8 h,Pa与D_(st)的相关都好于无时延的水平.     

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...     

第23太阳活动周期太阳风参数及地磁指数的统计分析

日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,简称CME)和共转相互作用区(Corotating Interaction Region,简称CIR)是造成日地空间行星际扰动和地磁扰动的两个主要原因,提供了地球磁暴的主要驱动力,进而显著影响地球空间环境.为深入研究太阳风活动及受其主导影响的地磁活动的时间分布特征,本文对大量太阳风参数及地磁活动指数的数据进行了详细分析.首先,采用由NASA OMNIWeb提供的太阳风参数及地磁活动指数的公开数据,通过自主编写matlab程序对第23太阳活动周期(1996-01-01—2008-12-31)的数据包括行星际磁场Bz分量、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压等重要太阳风参数及Dst指数、AE指数、Kp指数等主要的地磁指数进行统计分析,建立了包括269个CME事件和456个CIR事件列表的数据库.采用事例分析法和时间序列叠加法分别对两类太阳活动的四个重要太阳风参数(IMF Bz、太阳风速度、太阳风质子密度、太阳风动压)和三个主要地磁指数(Dst、AE、Kp)进行统计分析,并研究了其统计特征.其次,根据Dst指数最小值确定了第23太阳活动周期内的355个孤立地磁暴事件,并以Dst指数最小值为标准将这些磁暴进一步分类为145个弱磁暴、123个中等磁暴、70个强磁暴、12个剧烈磁暴和5个巨大磁暴.最后,采用时间序列叠加法对不同强度磁暴的太阳风参数和地磁指数进行统计分析.统计分析表明,对于CME事件,Nsw/Pdyn(Nsw表示太阳风质子密度,Pdyn表示太阳风动压)线性拟合斜率一般为正;对于CIR事件,Nsw/Pdyn线性拟合斜率一般为负,这可作为辨别CME和CIR事件的一种有效方法.从平均意义上讲,相较于CIR事件,CME事件有更大的南向IMF Bz分量、太阳风动压Pdyn、AE指数、Kp指数以及更小的Dstmin.一般情况下,CME事件有更大的可能性驱动极强地磁暴.总体而言,对于不同强度的地磁暴,Dst指数的变化呈现出一定的相似性,但随着地磁暴强度的增强,Dst指数衰减的速度变快.CME和CIR事件以及其各自驱动的地磁暴事件有着很多不同,因此,需要将CME事件驱动的磁暴及CIR事件驱动的磁暴分开研究.建立CME、CIR事件及地磁暴的数据库以及获取的统计分析结果,将为深入研究地球磁层等离子体片、辐射带及环电流对太阳活动的响应特征提供有利的帮助.     

太阳γ及β_γ黑子磁埸区大耀斑的地磁效应

本文研究了1938-1958年间,太阳γ及βγ黑子磁場区的3級与3~+級大耀斑的地磁效应。用相关及迴归分析法,計算了太阳赤緯、日軸方位角及耀斑的日面經緯度等因素对于磁扰的彭响。根据分析結果,繪出了日面地磁扰动等值图。利用水手2号飞船上量譜仪測出的太阳风速度和相应的地磁A_p指数,算出了相关关系,并用此和上述日面地磁扰动等值图配合,推算了在耀斑发生以后,太阳风的径向分量沿地球軌道的分布。参考文內各相应的曲线,可以約略估計出耀斑发生后地磁A_p指数的大小。     

耀斑-行星际激波结构与相应地磁扰动结构间关系的分析（Ⅰ）

利用297个耀斑-行星际激波-地磁扰动事件,统计研究了耀斑-行星际激波等离子体结构与相应磁扰结构间的关系,新的发现是:当激波面后的磁场南、北分量不大时,激波等离子体结构决定着相应磁扰的基本结构形态,特别是等离子体热状态与相应磁扰的恢复相关系十分密切.由本文定义的激波能量传输指数--FS指数对相应地磁扰动能给出较好的描述.推论:除磁重联这类能量传输机制外,对于行星际磁场南、北分量较小时,还可能存在以等离子体过程为基础的决定磁扰变化结构的太阳风-磁层能量传输机制,应进一步研究.     

与磁扰K_P类型对应的行星际扰动的初步分析

本文分析了有太阳耀斑系统观测资料以来(1936年至1978年)太阳特大耀斑与磁扰的对应关系。并对不同K_p 类型所对应的行星际空间扰动结构进行了初步分析。讨论了决定磁扰形态特性的行星际传播因素。     

日球层扰动变化的高纬地磁场响应

本文简要地论述了行星际过程与高纬地磁场扰动的关系,并对高纬极区地磁场变化对行星际过程的响应和地磁变化场的特点进行了分析研究和评述。     

1998年8月6日亚暴期间极光电集流指数AE的特征分析

极光电集流指数(AE)被广泛用来定量描述由电离层电流引起的极光带地磁活动.AE指数也是宏观描述亚暴事件强度和发展过程的一个主要指标,它的优点在于简单直观和快速.本文对1998年8月6日系列亚暴事件的极光活动、电流体系和AE指数的形态特征进行了分析.结果表明,伪亚暴期间虽然AE指数大于500 nT 且有快速增长和缓慢恢复的形态,但是极光没有明显的极向或者赤道向的扩展,极区电流体系主要呈现对流特征;伪亚暴和亚暴期间AE指数的形态变化没有本质区别,但电集流中心的位置有很大差异.我们进一步分析了台站分布对AE指数计算的影响,探讨了伪亚暴和亚暴期间磁场扰动最大值所处的磁地方时的差异.     

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.     

暴时场向电流及磁层—电离层耦合过程

本文综述了不同类型电离层场向电流(亦称为Birkeland电流)及其在地磁扰动(磁暴和亚暴)期间的时空分布特征.首先简述了场向电流近70年的研究历程,总结了各种与太阳风—行星际磁场(interplanetary magnetic field,IMF)、电离层电导率空间分布不均匀相关的1区和2区场向电流,北向、晨昏向IM...     

地球内磁层场向电流的统计特征

利用ISEE－1和ISEE-2飞船观测的磁场数据，分析了地球内磁层场向电流的统计特征，包括场向电流的空间（L值和地方时）分布；流进和流出电离层的场向电流随地方时的变化；场向电流发生率与地磁活动水平（以AL指数表征）、行星际磁场（IMF）Bz的关系，电流强度和密度随地磁活动水平的变化等．发现，场向电流大都发生在夜间，且集中在L为6-10区域内，场向电流发生率，强度和密度随地磁活动增强而增大，行星际磁场南向时的发生率远远高于北向时的发生率．这些结果表明，内磁层场向电流的产生是太阳风和磁层、电离层间电动耦合增加的结果．     

第21太阳活动周地磁活动峰值的预计

1.计算并确定第21周地磁活动A_p的峰值 第21周太阳活动峰年已来到,国际上组织SMY联测活动。本文利用极值分布数学方法与经验规律相结合,对21周地磁活动A_p指数年均值的峰值及峰值时间作一定量预报,其结果与国外的预报作一比较。     

IMF Bz周期震荡期间日间热层扰动风的经度差异分析

基于磁层-电离层-热层耦合模型(Coupled Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere Model,CMIT),本文探究了当行星际磁场Bz分量(Interplanetary magnetic field,IMF) 60 min周期震荡时,白天热层扰动风的经度差异特征.由于地磁构型、热...     

行星际激波的传播及其相应的地磁效应

基于 2.5 维理想磁流体力学（Magnetohydrodynamic,MHD）方程组分析了行星际激波在日球层子午面内的传播过程及其相应的地磁效应.日球层电流片（Heliospheric Current Sheet,HCS）-日球层等离子体片（Heliospheric Plasma Sheet,HPS）对于行星际激波的传播具有一定的阻碍作用.当行星际激波相对于HCS 倾斜传播时,相对于扰动源位于HCS 异侧的激波强度较同侧的明显减弱.局地激波面的法线（或形状）对通过激波阵面的磁力线发生偏转的程度和方向起决定性作用.沿激波传播方向其为准平行激波,磁场偏转程度较小,而其两侧部分则为斜激波,磁场偏转程度较大.位于HCS-HPS 位置处的波前形成凹槽,磁力线偏转程度明显加强.行星际激波对磁场的偏转效应是其驱动地磁暴的重要机制,而且地磁效应的强度与地球相对于HCS 的角距离Δθ_p有明显关系.数值模拟结果表明：任何行星际激波,Δθ_p=0°处均无法形成较大强度的地磁效应;沿HCS 传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 两侧;相对于HCS 倾斜传播的行星际激波,地磁效应最强的区域位于HCS 异侧.     

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.     

中国西南区域孕震区电离层TEC变化长时间序列分析

通过中国地壳运动网络提供的GPS观测数据,获取了高精度电离层TEC分布,采用滑动四分位法分析了中国西南区域2008年4—10月(太阳和地磁活动平静时段)6次连续的MW6.0以上地震期间孕震区电离层TEC长时间变化及其异常分布;并在此基础上利用GIM数据对比分析了全球TEC变化特征。鉴于电离层主要受到太阳和地磁等空间天气的影响,将TEC变化与太阳EUV辐射、行星际磁场南向分量IMF Bz以及地磁活动指数Dst和Kp进行了比较。结果发现,该时段内电离层TEC异常扰动与太阳和地磁活动有很好的相关性;除汶川地震外,其他地震前没有发现明显的跟地震相关的TEC异常扰动现象。同时,对比分析了与上述研究区位于同一地磁纬度的"检验区"(30°~50°E,15°~35°N)的GPS TEC随时间变化和异常分布情况,结果显示TEC异常分布的时空特征与研究区域较为一致。由于电离层是一个复杂的系统,其扰动具有多源性,而且地震电离层扰动现象是复杂多变的,因此需要联合地基和天基手段共同观测,并加强其机理研究。     

2003年10～11月的大磁暴

分析了引起2003年10～11月发生的3个特大磁暴的太阳活动、行星际扰动以及中国东部地磁台链记录到的地面磁场变化。结果表明,这3个特别大的磁暴是由太阳质量抛射事件引起的。太阳向着地球喷发出的大量等离子体引起的强烈太阳风扰动和持续长时间的南向行星际磁场与磁层相互作用形成了特别大的磁暴。ACE卫星、GOES卫星以及地面地磁台站较完整地记录了这3次日地扰动传输过程。对于每一个磁暴,中国东部地磁台链记录到的H分量变化形态一致,纬度最高的满洲里地磁台H幅度最大,而其他台站的幅度与纬度无明显关系,这表明磁暴的发展不完全由赤道环电流引起,在这样强烈的磁暴期间,磁层内的电流体系非常复杂。     

基于空间加权法的地磁数据重构精度与D_(st)指数的关系

为了研究磁场活动水平对地磁重构数据的影响,以云南省内11个地磁台站地磁记录分数据为研究对象,利用空间加权法进行数据重构,并分析Dst指数与重构数据精度之间的关系。结果表明,Dst指数绝对值与地磁数据重构精度呈明显负相关,即Dst指数绝对值越大,数据重构精度越低。当D_(st)-30时,D分量重构数据与原始数据的绝对残差值小于0.05′的比例为97.1%, H、Z分量重构数据与原始数据的绝对残差值小于0.5 nT的比例分别为97.1%、97.9%,重构精度较高。当弱磁暴、中等磁暴发生时,D、H、Z三分量重构数据与原始数据的绝对残差值随Dst指数绝对值的增大而增大,重构精度减小。本研究成果可为因观测异常或记录缺失的地磁数据重构提供参考。     

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.