北半球电离层中纬槽发生率及其槽极小位置变化的统计研究

本文利用2014年9月到2017年8月全球高时空分辨率TEC数据对北半球四个经度带电离层中纬槽的发生率和槽极小位置的变化进行了统计研究.基于Kp指数,我们引入了一个包含地磁活动变化历史效应的地磁指数(Kp 9)来分析中纬槽位置变化与地磁活动水平的关系.通过与其他地磁活动指数的对比,发现槽极小纬度与Kp 9指数的相关性最好.此外,本文重点分析了中纬槽发生率及槽极小纬度的经度差异、季节变化、地方时变化以及与地磁活动强度等的关系.结果表明,中纬槽的发生率与经度关系不大,主要受到季节、地方时与地磁活动的影响.午夜中纬槽发生率在夏季较低,其随地方时的变化则呈现出负偏态分布的特点,在后半夜发生率更高,而地磁活动增强对中纬槽的发生具有明显的促进作用.对于槽极小纬度,其在四个经度带的分布差异不大,但月变化各不相同,其中-120°经度带呈单峰分布,在夏季槽极小纬度更高,而0°经度带夏季槽极小纬度更低.槽极小的位置显著依赖于地磁活动、地方时以及季节变化.一般说来,地磁活动越强,中纬槽纬度越低.中纬槽位置随地方时的变化有明显的季节差异,冬季昏侧槽极小纬度随地方时变化较快,弱地磁活动条件下22∶00 LT前即达到最低纬度,其后位置几乎保持不变,而两分季槽极小纬度从昏侧至午夜都在降低,夏季槽极小纬度从昏侧连续下降至03∶00 LT左右.     

磁偏角和热层风对中纬电离层TEC经度分布的影响

本文利用北美、南美和大洋洲三个地区的电离层TEC数据,分析了磁偏角为零的经度线两侧中纬电离层TEC的差异.结果表明,在2001年至2010年的几乎所有季节,在磁偏角为零的经度东西两侧,北美、南美和大洋洲中纬电离层TEC都存在规则性的差异;中纬电离层TEC的这种经度差异显著地依赖地方时,对季节和太阳活动水平也有不同程度的依赖.地磁场影响下电离层与热层动力学耦合的分析表明,磁偏角的经度变化和热层风的地方时变化两者的共同作用是引起磁偏角为零的经度两侧中纬电离层TEC差异的重要原因之一.     

中纬电离层的低频等离子体不稳定性

本文研究了中纬电离层Rayleigh-Taylor不稳定性和漂移不稳定性的基本性质.如果不存在中性风和背景电场,中纬Rayleigh-Taylor不稳定性的增长率比赤道相应条件下的小.中性风和电场对中纬Rayleigh-Taylor不稳定性有重要影响.当中性风速度达到10m/s时,其作用就超过了重力.漂移不稳定性也受到重力、中性风和电场的影响,离子-中性粒子碰撞能降低漂移不稳定性的增长率.本文的分析表明,在赤道电离层容易产生大尺度的Rayleigh-Taylor不稳定性,在中纬电离层易产生小尺度的漂移不稳定性.     

中纬电离层大尺度扰动的数值模拟

利用计算机模拟研究了不同条件下中纬电离层F区大尺度扰动的时空演变.当存在幅度约为5％的初始扰动时,Perkins不稳定性能发展成为大尺度电离层不均匀体.大气重力波能触发Perkins不稳定性,在更短时间内增长成为大幅度电离层振荡.非均匀局部电场结构也能产生局部电离层的大幅度扰动.本义的模拟表明,中纬电离层大尺度扰动主要表现为磁通管内等离子体沿磁力线的振荡.模拟结果与观测现象符合得很好.     

太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率研究

本文利用2008年至2013年厦门电离层垂测仪的观测数据,分析了太阳活动中低年厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化特征和太阳活动对厦门电离层扩展F发生率的影响,结果显示:(1)厦门电离层扩展F主要出现在地方时18时至次日8时的时间段内,扩展F发生率最大值出现在午夜后;(2)厦门电离层扩展F主要出现在5—8月的夏季月份,扩展F发生率最大值一般出现在6月份(2009年出现在5月份);(3)厦门电离层扩展F发生率的日变化、季节变化中存在明显的逐年变化;(4)厦门电离层扩展F年出现次数与太阳10.7 cm射电流量年平均值在2008年到2011年正向相关,而在2012年、2013年却负向相关;在每一年中(除了2012年外),厦门电离层扩展F月发生率与太阳10.7 cm射电流量月平均值负向相关.太阳活动和厦门电离层扩展F发生率之间的复杂关系表明,太阳活动可能通过赤道电离层扩展F和中纬电离层扩展F两种机制影响了厦门电离层扩展F发生.     

中纬热层大气质量密度经向结构差异研究

本文利用CHAMP卫星以及全球电离层-热层模型(GITM)来研究太阳活动低年(2007—2009年)中纬热层大气质量密度(ρ)的经度结构变化.结果如下:(1)ρ存在明显的经度单波结构(单峰和单谷),且南北半球反相,波峰和波谷随着地方时增加而向东移动;(2)模拟表明离子拖曳效应在ρ结构差异的形成中起到了重要的作用,欧亚地区电子密度经度差异性较弱,不足以影响ρ经度分布,导致该地区ρ经度差异不明显;(3)在磁中纬地区,太阳天顶角的经度差异可达20°~30°,太阳光加热的经度不均匀性是导致ρ经度差异的另一个主要原因.     

顶部电离层电子密度和温度的统计背景及其地磁活动变化

通过对DEMETER卫星从2004年11月7日至2005年11月30日期间探测到的710 km高度顶部电离层的电子数据进行网格化(纬度2°×经度4°)统计平均,本文分析了不同地磁条件下顶部电离层电子密度和温度的全球分布情况.不论是在地磁宁静还是地磁活动期间,顶部电离层电子密度的分布都存在着一个巨大的威德尔海异常(夜间电...     

基于修正K_p指数的中纬区单站电离层暴预报方法研究

对电离层暴进行有效预报具有很重要的实际应用价值,但目前这一工作还存在着许多方面有待改进.本文假设电离层扰动的季节性规律占主导地位,借鉴Kutiev and Muhtarov构建修正K_p指数表示地磁活动的方法,建立了一个适用于中纬地区Yakutsk单台站电离层暴预报的线性经验模型.检验表明,该模型对Yakutsk站夏季和春秋季电离层扰动的预测效果明显优于IRI中的STORM模型,模型改善度平均可达35%左右;能很好地反映磁暴连续发生的情况下δfoF₂分阶段下降的形态;能反映出一定的电离层正相扰动及其持续时间,但是正扰动的预报精度有待进一步提高.     

2002～2003年SSW期间东亚扇区电离层南北赤道异常峰经向运动

研究2002~2003年平流层突然增温(SSW)期间,东亚扇区电离层赤道异常南北峰位置的变化特征.通过与该期间平流层再分析数据(温度、风速)、电离层赤道电激流(EEJ)强度、地磁活动指数以及太阳辐射指数比较,分析了赤道异常南北峰变化的机理.结果表明,在SSW期间,南北峰均出现大尺度的准16日周期性经向运动,这种经向运动(赤道异常峰位置的周期振荡)与EEJ强度变化相关,两者在准16日周期振荡上存在同相关系,而与太阳活动和地磁活动无明显关系.此外,赤道异常峰的平均位置及其准16日周期振荡的振幅都具有南北不对称性.在位置上,赤道异常南峰比赤道异常北峰更远离磁赤道,在振幅上南峰强于北峰.在南北峰位置不对称性方面,需要结合低纬度地区电离层高度的跨赤道中性风和太阳直射点等因素进行综合分析,而SSW期间大气中性风的变化可能会增加低纬度地区电离层动力学过程的复杂性.     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_。F_2和h_mF_2、北斗同步卫星(BDSGEO)TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区(北京、武汉、邵阳和三亚)的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.     

Empirical Model of the Location of the Main Ionospheric Trough

The empirical model of the location of the main ionospheric trough (MIT) is developed based on an analysis of data from CHAMP satellite measured at the altitudes of ~350–450 km during 2000–2007; the model is presented in the form of the analytical dependence of the invariant latitude of the trough minimum Φ_m on the magnetic local time (MLT), the geomagnetic activity, and the geographical longitude for the Northern and Southern Hemispheres. The time-weighted average index Kp(τ), the coefficient of which τ = 0.6 is determined by the requirement of the model minimum deviation from experimental data, is used as an indicator of geomagnetic activity. The model has no limitations, either in local time or geomagnetic activity. However, the initial set of MIT minima mainly contains data dealing with an interval of 16–08 MLT for Kp(τ) < 6; therefore, the model is rather qualitative outside this interval. It is also established that (a) the use of solar local time (SLT) instead of MLT increases the model error no more than by 5–10%; (b) the amplitude of the longitudinal effect at the latitude of MIT minimum in geomagnetic (invariant) coordinates is ten times lower than that in geographical coordinates.     

极区Hall电流经度差异特征的统计学研究:CHAMP卫星观测

本文利用2001至2010年间CHAMP(CHallenging Minisatellite Payload)卫星标量磁力仪(Overhauser Magnetometer)观测的磁场数据,反演得到电离层霍尔(Hall)电流,并且对极区电离层Hall电流的特征进行了统计学研究.研究主要关注平静期,即重联电场小于2 mV·m~(-1)条件下,在磁纬60°至90°范围内的Hall电流在不同太阳活动、季节、磁经度、磁地方时等条件下的变化特征.研究发现:Hall电流具有明显的经度差异,在南北半球呈现显著一波经度结构,而且南北半球反相,即北半球电流密度呈现峰-谷-峰结构,而南半球呈现谷-峰-谷结构.Hall电流密度的经度结构与太阳活动紧密相关,太阳活动高年经度差异最大,太阳活动中年经度差异次之,太阳活动低年经度差异最小.研究发现,在磁地方时为10-14MLT的白天,影响Hall电流的因素主要是太阳辐射;而磁地方时为21-03MLT的夜晚,除了电导率的影响之外,可能存在其他的重要的物理过程影响着Hall电流的经度分布.本文还研究了与电流相关的焦耳热的经度分布情况,发现其在南北半球分别呈现单峰、单谷结构,经度差异亦十分明显.     

2004年11月7-8日巨磁暴期间场向电流的分布特征

利用CHAMP卫星磁场数据分析研究了2004年11月7日至8日巨磁暴(Dst<-200 nT)期间大尺度场向电流的分布特征.把方向相同且时间连续的一段场向电流定义为一个电流片,分析结果表明,伴随磁暴的发展,在卫星飞过的两个扇区(早上扇区0200-0400MLT及下午扇区1400-1600MLT)中的大尺度场向电流分布呈现不同的纬向分布特征:随着地磁扰动的增强,早上扇区电流片分布范围向高纬扩展;而下午扇区电流片分布范围则显著地向低纬扩展.与地磁活动SYM-H和AE指数对比分析得出,早上扇区的大尺度电流片的分布特征更多地受到亚暴活动的影响,而下午扇区的电流片分布则明显反映出磁暴环电流活动的特征.     

Response of the geomagnetic activity to solar wind turbulence during solar cycle 23

The solar wind–magnetosphere coupled system is characterized by dynamical processes. Recent works have shown that nonlinear couplings and turbulence might play a key role in the study of solar wind–magnetosphere interaction processes.Within this framework, this study presents a statistical analysis aimed to investigate the relationship between solar wind MHD turbulence and geomagnetic activity at high and low latitudes as measured by the AE and SYM-H indices, respectively. This analysis has been performed for different phases of solar cycle 23. The state of turbulence was characterized by means of 2-D histograms of the normalized cross-helicity and the normalized residual energy. The geomagnetic response was then studied in relation to those histograms.The results found clearly show that, from a statistical point of view, solar cycle 23 is somewhat peculiar. Indeed, good Alfvénic correlations are found unexpectedly even during solar activity maximum. This fact has implications on the geomagnetic response as well since a statistical relationship is found between Alfvénic fluctuations and auroral activity. Conversely, solar wind turbulence does not seem to play a relevant role in the geomagnetic response at low latitudes.     

大磁暴期间TIEGCM模式和CHAMP卫星热层大气密度扰动特性的统计研究

本文统计分析了2001—2005年的39次大磁暴事件(Dst-100nT)期间TIEGCM模式和CHAMP卫星大气密度数据.研究结果表明,模式结果与实测数据具有较好的一致性,但仍存在一定的偏差.大气密度及增量与SYM-H指数相关性较好,并且随纬度、光照条件和地磁活动水平变化.模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,特别是在地磁活动水平较强时模式与实测的偏差较大.模式的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧.Dst指数越低,偏差越大,而当Dst指数低于-150nT以后,绝对偏差和相对偏差变化不明显.     

同步轨道磁场和地面磁场对太阳风动压变化事件的响应

本文对磁宁静时的123个动压变化事件(不包含激波事件)进行了统计研究.研究表明,在白天侧(9～15MLT)同步轨道磁场z分量对太阳风动压增大、减小事件具有较强的正响应,而在夜侧(21～3MLT)响应明显减弱,响应幅度具有明显的磁地方时分布.对动压增大事件的平均响应幅度在午前最大,而对动压减小事件的平均响应幅度在午后达到...     

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.     

地磁场结构对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响

基于AE8电子辐射带模式和各地磁场模式,本文系统分析了地磁场模式、太阳风、地磁扰动、地磁轴指向对静止轨道≥2 MeV高能电子分布的影响以及静止轨道不同经度位置≥2 MeV高能电子分布的差异,并与GOES系列卫星实测结果进行了对比分析.结果表明,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布结果优于AE8+IGRF+OPQ77模式或AE8+IGRF+T89模式结果,其大部分定性结果与GOES系列卫星观测结果较为一致,AE8+IGRF+T96模式所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布与磁壳参量Lm、局地磁场B分别呈较好的负和正相关性.基于AE8+IGRF+T96模式得到在相同太阳风及地磁扰动条件下2010年每分钟静止轨道≥2 MeV高能电子通量分布结果,经分析得到：1年内每个时刻静止轨道上≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.50~7.51,变化主周期为1天,每天比值变化量都超过3;1年内静止轨道各经度位置每天内≥2 MeV高能电子通量最大值和最小值比值变化范围为2.98~6.00,比值随着时间和经度位置而变化;1年内同一天静止轨道各经度位置≥2 MeV高能电子日积分通量最大值出现在170°W附近,最小值出现在70°W附近,最大值与最小值的比值分布在1.86~2.13之间.以上所得静止轨道≥2 MeV高能电子分布变化主要来自Lm变化,B/B₀的影响小于5%,其中B₀为磁力线上磁场最小值.因此,在构建≥2 MeV高能电子分布模式时,需要考虑地磁场结构的影响,特别是Lm参数.