FY2D卫星与GOES卫星空间粒子观测结果的对比分析

风云二号D星(FY2D)搭载的空间粒子探测器可以观测10～300 MeV的质子和≥350 keV与≥2 MeV的电子.卫星在轨测试阶段,空间粒子探测器观测到了空间环境宁静期间地球同步轨道的电子昼夜周期变化的典型特征,并在卫星发射后的12月15日首次观测到了有代表性的 2级太阳质子事件(SEP),观测到的较高能量质子比较低能量质子更快地恢复到平静时的状态.通过比较FY2D卫星与GOES卫星的探测结果,既显示了同步轨道区域不同位置高能电子通量扰动时间的一致性,也显示了高能电子通量具强烈的晨昏不对称性.通过对太阳质子事件和地磁平静时期该轨道空间高能粒子环境特征的分析和研究,并与GOES卫星同期的观测结果进行相关性分析,结果表明仪器确实具备了监测空间环境扰动和预警能力,探测结果可以用于研究地球同步轨道粒子空间分布、起源和传输等科学目的.     

1998年4-5月地球同步轨道MeV电子通量增强事件

采用GOES9卫星观测的能量大于2MeV和大于4MeV电子通量和行星际飞船ACE太阳风参数的高时间分辨率资料,以及磁暴指数Dst资料,分析了1998年4-5月期间地球同步轨道电子通量增强事件的时间和能量响应特征及其与行星际太阳风参数、磁暴和亚暴等扰动条件的对应关系.结果表明,地球同步轨道相对论性（MeV）电子通量增强事件有明显的周日变化,中午极大和午夜极小.4月22日和5月5日开始的两次大事件中,能量大于2MeV电子通量中午极大值上升到最大值的时间尺度分别约为4天和1天,中午极大值高于背景水平的持续时间分别为13天（4月22日-5月4日）和16天（5月4日-20日）以上.每次MeV电子通量增强事件的能量范围不完全相同.两次大事件的上升段都对应于磁暴的恢复相,与太阳风动压脉冲、高速流脉冲和负Bz分量关系密切.     

磁层相对论电子通量变化与磁暴/亚暴的关系

本文分析了1 AU处的行星际磁场、太阳风速度、Kp指数、Dst和AE的变化关系，以及它们和地球同步轨道附近相对论电子通量的变化关系.分析说明，当行星际磁场Bz分量出现南向扰动和太阳风速度增大超过500 km/s时，地球磁层中常常发生磁暴/亚暴活动.在磁暴主相期间，相对论电子(能量E≥1 MeV)通量下降；而在磁暴恢复相期间，相对论电子通量恢复上升.但是，只有在伴随有高强度（AE≥500 nT）的持续性亚暴活动的磁暴恢复相期间，相对论电子的通量才能增长到超过暴前通量值，且能量低于300 keV的亚暴电子的通量越高，相对论电子的通量越高，反之则越低.亚暴注入电子数的多少很大程度上决定了磁暴恢复相期间相对论电子数的多少，这说明亚暴活动注入能量低于300 keV的亚暴电子是磁层相对论电子的一个重要来源.     

>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件的分析与预报

本文利用低高度太阳同步轨道系列卫星NOAA/POES从1996年到2006年的>0.3 MeV高能电子观测数据,分析了>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区的特征,研究了注入槽区事件与行星际条件、太阳活动和地磁扰动之间的联系.研究表明>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件与磁暴的发生密切相关,注入事件的发生与太阳活动的强度有一定的相关性.在此研究的基础上,本文通过分析辐射带槽区>0.3 MeV高能电子通量和Dst指数的相关性,提出了利用Dst指数推算辐射带槽区>0.3 MeV高能电子通量的方法,继而给出了可行的辐射带槽区高能电子辐射环境的预警模式.     

2011-2015年辐射带电子动态FY-3B卫星实测结果

FY-3B卫星为轨道高度约800 km,倾角98°的极轨气象卫星,星上高能电子探测器可开展宽能谱、高时间分辨的电子辐射长时间连续监测.20112015年极低太阳活动周期内,FY-3B卫星高能电子探测器对0.15～5.7 MeV不同能量高能电子在南大西洋异常区以外的辐射带区域的观测结果显示:在所有的辐射带区域,低能量的电子比高能量的电子更容易出现增强,填充槽区和进入到内带更低L区域的可能性更大.0.15～0.35 MeV的电子长期充斥于外辐射带和槽区,而1 MeV以上的电子大部分时间分布于外辐射带,在太阳风速度、地磁活动极弱的2014年呈现长时间极弱通量水平.2015年频繁增强的扰动导致电子通量水平整体升高,空间分布大范围扩散,1 MeV以上能量的电子在槽区位置也出现了分布.分析2014.5.10-7.30和2015.5.10-7.10两个典型时段内扰动参数对电子通量在不同区域动态分布的影响,结果表明:电子通量在外辐射带外边界区域动态与太阳风起伏变化关联显著.AE＜300 nT,Dst＞-30 nT,SW＜500 km·s-1的持续长时间低水平扰动条件下,电子通量分布内边界出现在不低于L～4的位置,通量峰值出现在靠近L～5的位置;而在太阳风速度和地磁活动显著活跃的时候,电子会穿越外辐射带深入到槽区,在外辐射带的通量峰值则出现在L约3.5～3.9的位置.2015年的3月和6月两起强磁暴使得电子向更低L注入,＞1 MeV以上的电子在低至L～2.8的槽区出现显著增长.在极低通量水平下,AE指数短时增加超过300 nT的亚暴活动会导致0.15～0.35 MeV电子超过1个量级的增长变化.上述结果对于准确认识辐射带电子不同时期的基本特性、发现能量电子动态潜在的基本物理过程,构建更准确的辐射带电子模型有着重要的参考意义.     

风云3C对不同类型辐射带电子分布变化的观测：2015年3月17日磁暴事件分析

风云3C卫星(简称FY-3C)测量的低地球轨道(Low Earth Orbit,简称LEO)高能粒子(电子、质子和重离子)通量,是空间环境监测预警业务的重要自主数据来源.深入分析风云3C卫星测量的不同种类高能电子的分布特征和变化规律,对辐射带研究和空间天气预报具有重要意义.本文使用FY-3C测量的空间粒子数据,系统分析了2015年3月17日强磁暴期间辐射带捕获、准捕获和沉降电子的演化特征及其主导性物理机制.结果表明,在磁暴主相,外辐射带电子通量(E2:0.35～0.65 MeV, E3:0.65～1.2 MeV)出现快速下降,达到两个数量级,E1能级(E1:0.15～0.35 MeV)电子通量在L<5区域因为亚暴注入先出现增长,之后在L>4的区域出现明显下降.在磁暴恢复相,由于合声波(chorus waves)先加速低能段电子,E1能段电子通量最先(小于五小时)开始增加,在磁暴结束时覆盖25 cm^-2·sr^-1·s^-1.电子能段越高通量增长得越慢...     

FY2G卫星新一代高能带电粒子探测器观测数据分析

风云二号系列卫星是我国开展动态空间天气事件和空间环境监测及预警业务的重要观测平台,各系列星上均安装有高能带电粒子探测仪器开展卫星轨道空间带电粒子辐射环境连续实时的动态监测.FY2G卫星于2015年1月发射,星上采用了全新的高能粒子探测器,包括:一台高能电子探测器可监测200keV-4 MeV的高能电子,一台高能质子重离子探测器可监测4~300 MeV的高能质子,从而实现对带电粒子更宽、更精细能谱的监测.本文给出了FY2G高能带电粒子探测器在2015年1月至2015年10月期间几起典型的带电粒子动态观测结果,结合太阳和地磁活动相关参数,对高能带电粒子通量在亚暴、磁暴和太阳爆发等扰动影响下细节变化过程和特征作出了较为详细的分析描述,展现了FY2G卫星高能带电粒子探测器对轨道空间粒子环境动态变化的准确响应能力,表明观测数据可开展更加精细的轨道粒子环境评估.针对FY2G高能带电粒子探测结果进一步开展了与GOES系列卫星同期观测的比对分析,结果反映出在较小的扰动条件下多星观测到的带电粒子响应和通量变化可基本趋于一致或保持相对稳定的偏差,而扰动条件的显著变化会加大多星观测带电粒子响应和通量变化的差异,这些结果可为今后开展多星数据同化应用提供参考,也为发展磁层对扰动响应的更加复杂的图像提供了新的可能.     

外辐射带区域新建地磁场经验模型的定量研究

准确的磁场模型对于辐射带粒子环境研究至关重要.本文利用美国Van Allen Probes（VAP）在2012至2018年期间测量的磁场数据和GOES15在2011至2017年期间测量的磁场数据,定量地评估了三个较新的外磁场经验模型（TS05、TA15和TA16）对外辐射带区域（3~6.6R_E）磁场的描述性能.本文选择预测效率（Prediction Efficiency,PE）作为评估指标,定量分析各模型在不同空间范围（Lm值）、不同地磁活动水平（Kp）以及不同磁地方时（MLT）下的性能表现,并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ,以评估模型的磁场方向预测能力.结果表明：PE随Lm值增大,随地磁扰动增强而下降;θ随Lm值增大,随地磁扰动增强而增大.在Lm=5~6.5R_E范围内,PE呈现晨昏不对称性,MLT=12-21时的PE值小于MLT=0-9时的值,说明三个磁场模型可以较好地描述晨侧磁场的强度,但它们并不能很好地反映下午至昏侧磁场的大小;在地球同步轨道附近（Lm~6.6R_E）,PE呈现昼夜不对称性,MLT=9-15时的PE值大于其他时区的值,说明三个磁场模型可以很好地反映昼侧磁场大小,但在夜侧可能存在较大的误差.θ在MLT=6-12时的值小于其他时区的值,呈现昼夜不对称性,说明三个磁场模型可以较好地描述昼侧磁力线的分布位型,但在夜侧存在较大的方向描述误差.在外辐射带3~6.5R_E内,TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近,PE均大于0.7,θ均小于3°;在地球同步轨道高度（6.6R_E）,TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近,PE约为0.75,θ约为7°.相关的研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、辐射带高能粒子动态模型研究和相关的磁层环境理论/应用研究提供地磁场模型选择方面的参考.     

不同地磁条件下同步轨道高能电子通量对合声波的响应

本文研究了2005年8月24日强磁暴（事件A,Dst〈-200nT,AE指数平均值为436nT）与2006年10月28日弱磁暴（事件B,Dst〉-50nT,AE指数平均值为320nT）期间同步轨道高能电子通量的演化过程．LANL和GOES-12卫星观测数据表明：恢复相期间,事件A和事件B中高能电子通量均上升约10倍;随着亚暴持续的发生,Cluster C4卫星均观测到同步轨道存在强烈的哨声波合声模（波强达到10^-5nT^2／Hz）,波幅主要依赖于亚暴AE指数,与Dst指数关联较弱．采用高斯波谱拟合,求解了控制波粒相互作用的Fokker-Planck扩散方程．模拟结果表明：两例事件中的合声模能有效加速1MeV左右的高能电子,且在高投掷角区域加速作用更加明显;加速时间尺度和幅度与观测数据基本吻合．本文研究为合声模加速辐射带高能电子过程提供了新的观测支持．     

行星际扰动和地磁活动对GEO相对论电子影响

利用1988—2010年小时平均的GOES卫星数据,对地球同步轨道(GEO)相对论电子变化进行了统计分析,研究了相对论电子通量(Fe)增强事件的发展过程,探讨了利于相对论电子通量增强的太阳风和地磁活动条件.主要结论如下:(1)GEO相对论电子通量即使是峰值,也具有明显的地方时特性,最大电子通量出现在磁正午时.午/夜电子通量比率随着太阳风速度(Vsw)增加而增大;在Dst-50nT时相对论电子具有规则的地方时变化.在太阳活动下降相,电子通量与各参数的相关性较好,与其相关性最好的Vsw、Kp指数以及三次根号下的太阳风密度(N)分别出现在电子通量前39~57h、57~80h和12~24h.(2)强(日平均电子通量峰值Femax≥104 pfu)相对论电子事件,在距离太阳活动谷年前两年左右和春秋分期间发生率最高,较弱(104Femax≥103 pfu)事件无此特点;大部分强相对论电子事件中,电子通量在磁暴主相开始增加,较弱事件中则在恢复相开始回升.(3)太阳风密度变化对相对论电子事件的发展具有重要指示作用.电子通量在太阳风密度极大值后0~1天达到极小值,太阳风密度极小值后0~2天达到极大值.(4)90%以上相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的,与其伴随的行星际参数和地磁活动指数极值满足以下条件:Vswmax516km/s,Dstmin-31nT,Nmin2.8cm-3,Nmax14.1cm-3,Bzmin-2.9nT,AEmax698nT.(5)磁暴过程中,Dstmin后日平均电子通量大于103 pfu的发生概率为53%左右,强/弱相对论电子事件占总数比例分别为36%/64%左右,磁暴强度对其无影响.磁暴过程中的Vsw、N和AE指数大小对于能否引起相对论电子增强起着指示作用.     

2000年中国地区地磁场长期变化的区域特征

本文用中国地磁场复测点和地磁台站资料,建立了2000年代中国参考地磁场长期变化模型CGRF-SV2000.模型显示,中国地区地磁场变化比较平缓,X、Y、Z、H、D、I、F七个地磁要素的“无符号平均年变率”分别为122 nT/a、82 nT/a、438 nT/a、118 nT/a、096(′)/a、299(′)/a、224 nT/a,比国际参考地磁场IGRF给出的全球年变率约小1/3到1/2.各地磁要素的变化显示,地磁北极正在向中国移近,或者说,中国正在向高地磁纬度方向移动,平均移动速度约为3(′)/a.磁偏角变化还显示,中国地区东西部偏角差异继续扩大.作为检验和对比研究,本文利用第8代国际参考地磁场（IGRF）模型,分析了全球地磁场长期变化的时空特征,讨论了全球长期变模型IGRF_SV与中国长期变模型CGRF_SV的异同点.对比分析表明,中国地区地磁场的长期变化与全球长期变化总趋势基本符合,但是,CGRF_SV也表现出一些特有的局部异常特征.     

电离层起源的O+离子在同步高度区的分布

以卫星观测资料为基础, 应用动力论方程, 采用理论模型和数值分析方法, 研究了不同地磁活动条件下同步高度区O+离子的分布, 提出了O+离子密度和通量密度在同步高度区沿经度变化的半经验模型. 主要结果为: 在同步高度区(1) 向阳侧O+离子密度和通量密度较大, 背阳侧较小. (2) 地磁活动指数Kp越小, O+离子密度和通量密度水平及其沿经度的变化越小, Kp越大时水平及其变化越大; Kp≥6时O+离子密度和通量密度较Kp = 0时大一个量级. (3) 当Kp = 0或Kp ≥ 6时, O+离子密度在经度120°附近和240°附近最大, 在磁尾最小; 当地磁活动指数Kp = 3～5时, O+离子密度在经度0°处最大, 在磁尾最小; 无论Kp如何, O+离子通量密度都在经度120°附近和240°附近最大, 在磁尾最小.     

风云二号C/D卫星与GOES卫星太阳X射线探测数据交叉比对

风云二号卫星是我国研制的第一代静止业务气象卫星.本文针对风云二号C星/D星(FY-2C/D)太阳X射线探测数据与美国GOES系列卫星太阳X射线探测数据开展交叉比对,以检验FY-2C/D卫星数据的有效性.研究结果表明在X射线通量变化的时间特性以及通量大小等方面,FY-2C/D卫星探测结果与GOES系列卫星探测结果具有较好的一致性.对2004年11月—2010年6月期间85次耀斑事件X射线峰值流量的比对结果表明,FY-2C卫星与GOES系列卫星的探测结果在1~8 Å波段的相关系数为0.795,FY-2D卫星与GOES系列卫星的探测结果在0.5~3 Å和1~8 Å波段的相关系数分别为0.921和0.989,说明FY-2C/D卫星太阳X射线探测结果可信度较高,能够用于太阳X射线耀斑的监测、预警以及研究工作.     

星内粒子探测器观测结果与辐射带模型的比较

我们将资源一号卫星星内粒子探测器的观测数据与辐射带模式AE8/AP8的预测结果进行了对比，发现在南大西洋异常区的高能电子和质子的通量与辐射带模型的预测结果基本相同，而在两极极光带的电子通量比AE8模型预测的低得多.根据NOAA卫星的观测结果，可以认为这一差异主要是因为在南大西洋异常区（内辐射带）和两极极光带（外辐射带）的粒子投掷角分布的差异造成的.在南大西洋异常区粒子倾向于各向同性分布，而在极光带粒子各向异性明显，投掷角接近90°的粒子通量比0°投掷角附近的粒子通量大得多.     

高能电子爆发与绕月卫星表面电位大幅下降的联动效应

"嫦娥"一号、二号绕月飞行经历地球磁尾边界层区域时,分别在2007年11月26日—2008年2月5日和2010年10月3日—2011年2月28日,发现了15次月球轨道0.1~2 MeV电子急剧增加(Bursts of 0.1~2 MeV Energetic Electrons,BEE),卫星周围等离子体离子加速的现象.统计研究表明,这类现象发生在稳定太阳风和弱行星际磁场条件下,且无显著空间环境扰动事件发生时,离子的加速滞后于高能电子爆发,离子能量的变化与高能电子通量的时间演化正相关,地球磁鞘内侧或边界层过渡区域是该类现象的高发区,离子能量增加时卫星表面电位大幅下降可达负几千伏.为了研究高能电子爆发与绕月卫星表面电位变化的关系及其对月球表面电位的影响,本文用电流平衡法建立绕月卫星和月球表面充电模型,并假设能量电子(2eV~2 MeV)满足幂律谱的分布,模拟急剧增加的能量电子对卫星和月球表面电位的影响.模拟结果表明,能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降;能量电子总流量1011 cm-2时,绕月卫星和月球表面充电电位可达负上千伏;月球充电到大的负电位的时间仅为卫星充电时间的1/10.鉴于高能电子急剧增加事件的高发生率(~125次/年),能量电子急剧增加使得绕月卫星表面电位大幅下降的发生率应大于实测等离子体离子加速现象的发生率(~25次/年).     

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

中国地区地磁场水平梯度的计算与分析

根据2000年中国地区156个地磁台站和复测点的实测数据以及国境外的6个地磁台站实测数据,加上国境外36个IGRF点,分别利用Taylor多项式模型和曲面Spline模型,建立了中国地区地磁场总强度(F)、磁偏角(D)和磁倾角(I)的地磁模型,通过对两种模型中各分量的φ(纬度)和λ(经度)进行微分,计算得到F、D、I的水平梯度值,并绘制相应分量沿南北方向和东西方向的水平梯度图,将其与2000年IGRF10的水平梯度图作比较,最后对水平梯度的空间分布以及三种梯度图进行了分析比较.结果表明:F和I的水平梯度主要随纬度变化,F随纬度增加,变幅约为7.0～6.0 nT/min,在中部地区(25°～35°N,90°～120°E)强度达到最大;I随纬度的增加,变幅约为2'/min～1'/min;D的水平梯度随纬度和经度而变化,随着经度和纬度的增加,变幅分别约为0.4'/min～-0.3'/min和-0.1'/min～-0.4'/min.     

利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量的变化特征

本文尝试利用COSMIC低轨卫星对GPS信号的顶部TEC观测资料研究等离子体层电子含量(简称PEC)的变化规律.首先介绍从低轨卫星对GPS的顶部TEC观测资料提取等离子体层垂直电子含量的方法,然后利用该方法提取2008年全年的PEC数据,进而研究了2008年这一太阳活动低年PEC随地磁纬度(MLAT)、磁地方时(MLT)以及不同季节的变化规律.此外,还利用提取的120°E和300°E经度链上的数据对比研究了PEC的经度变化情形.研究结果表明:(1)PEC主要集中分布在磁赤道±45°之间的一个绕地球的环带状区域中;(2)PEC表现出以下的昼夜变化规律特征:白天时段之值高于夜间,约在12—16MLT之间达到最高峰值,而最小PEC值出现在日出前大约4—5MLT左右的时段;(3)相比其他季节月份而言,PEC在北半球夏季月份(5—8月)具有最小值;(4)PEC存在明显的经度变化,不同经度链上的PEC存在不同的季节变化特征.     

同步轨道相对论电子通量长期倒空事件的统计研究

地球辐射带中有"杀手"电子之称的相对论电子通量增强和损失过程一直是空间物理学和空间天气学研究的热点.本文通过对20002016年间,地球同步轨道相对论电子通量降低至背景通量水平并持续时间长达3天以上这一特殊现象进行了相关统计研究.从事件的时间分布角度,本文研究了约1.5个太阳活动周内共62例事件随太阳活动水平高低的分布情况,结果表明:在太阳活动周下降期有较少的事件发生,而在峰年、谷年这类事件的发生率与太阳活动水平的高低并没有直接联系.随后,我们对这62例事件在开始、持续、结束三个阶段分别做了一些相关参数的统计,探讨相对论电子通量长期倒空事件的客观规律和产生机制.研究结果表明:事件发生前,太阳风动压、密度的显著增加引起磁层顶向内收缩,等离子体层顶一直维持在高L区域,IMF Bz分量南向和磁暴过程使相对论电子通量通过绝热和非绝热等物理损失机制降至背景通量水平.当这些相对论电子达到背景通量水平后,较弱的太阳风条件和地磁活动水平不足以提供充分的可以使相对论电子通量增长的源;虽然有些相对论电子通量长期倒空事件期间存在中、小磁暴过程,但这些强度较弱的磁暴很可能不会显著地影响同步轨道相对论电子损失和增长的动态平衡,因此相对论电子仍然可以维持在背景通量水平.如果有长时间的亚暴活动和高强度的ULF (Ultra-Low Frequency)波活动发生,太阳风速度显著增加,那么这些物理过程能提供足够的种子电子和持续的加速条件,使得相对论电子通量打破倒空状态,进而呈现显著增长趋势.     

巢湖水-气界面N2O通量排放特征及影响因素

湖泊是温室气体氧化亚氮(N₂O)的潜在排放源,但由于自然环境以及人类活动的差异,其N₂O排放规律也存在特殊性和地域性。为探究巢湖N₂O排放通量的时空特征,利用静态暗箱-气相色谱法于2018年3月至2019年12月对巢湖不同区域(东、中、西)N₂O的排放进行观测。结果表明,巢湖水体N₂O年均排放通量为(25.14±55.01)μg/(m²·h),表现为N₂O的“源”,且具有较为明显的时空分布规律。在时间分布上,季节变化趋势呈现“M”形模式,7月出现最小值且表现为N₂O的“汇”((-12.97±16.32)μg/(m²·h)),在6月和8月为峰值,全年最大值出现在8月((68.25±78.05)μg/(m²·h)),极值均出现在夏季。在空间分布上,东、中、西3个湖区N₂O排放通量差异显著(P=0.03),N₂O排放通量最大值((4...