极光电集流纬度变化特征初步分析

为研究极光电集流地磁纬度分布特征,利用北半球SME台站提供的极光电集流指数,通过时序叠加的方法,分析98-07年极光电集流中心地磁纬度随季节和世界时的分布特征.通过对磁扰程度的分级,分析极光电集流地磁纬度随地磁扰动程度的变化特征.结果表明:1)由于SME台站覆盖范围更广,更多地记录到最大的极光电集流强度,有利于研究极光电集流的变化特征;2)西向板光电集流纬度分布存在与强度相反的季节性变化特征,在春秋出现最低值,冬季、夏季出现最高值;3)在| SML|＜2000 nT时,西向极光电集流地磁纬度随着极光电集流强度的增强,近似以线性关系向低纬迁移.随后伴随SML的进一步增强,西向极光极光电集流中心地磁纬度仍有向低纬迁移的趋势,但主要是在磁纬62°N-63°N之间波动.     

低高度极尖区位形的经验模式

地球极尖区是太阳风等离子体进入内磁层和电离层的一个重要“窗口”,但其总体结构长期以来尚未确定. 2008年3月8日两个连续亚暴期间,太阳风的整体变化范围较大,基于全球三维数值模拟我们建立了一个由行星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)B_Y、B_Z控制的低高度(1.1个地球半径高度)极尖区的预报模式.该模式由椭圆函数构造而成,拟合函数由极尖区位置和宽度控制并取决于IMF B_Y和B_Z.极尖区地磁纬度(geomagnetic latitude, MLAT)随着向北IMF B_Z的增加而增加,随着向南IMF B_Z的增加而明显降低.当B_Y=0时,磁地方时(magnetic local time, MLT)接近12,当IMF为东向(西向)时,极尖区中心将位于北半球下午(上午)侧. MLAT宽度随IMF B_Z从北转南而减小,MLT宽度随IMF B_Z从北转南而增大.通过...     

亚暴期间极光电集流带的变化

极光活动加剧和极光电集流增强是磁层-电离层能量耦合的两种重要表现形式,它们同为磁层带电粒子向电离层沉降的结果,但是变化规律却非常不同.本文用地基磁场资料,反演极区等效电流体系,研究地磁平静期和扰动期极光电集流带的运动特点.研究表明,Harang间断把极光电集流带分为两段：下午—黄昏段的东向电集流带较弱,而晨侧和子夜—凌晨段的西向电集流带较强.在亚暴膨胀相,随着AE指数增大,整个极光卵向赤道扩展,而极光电集流带却表现出分段差异的特点：下午—黄昏东向电集流带向低纬移动,晨侧西向电集流带也向赤道移动,而子夜—凌晨西向电集流带则向极移动.电动力学分析表明,在不同地方时段,控制电流的主要因素不同,因而,电流及其磁扰有不同的特点：下午—黄昏东向电集流和晨侧西向电集流组成了DP2电流体系,主要受控于磁层对流电场,反映了“驱动过程”的行为;而子夜—凌晨西向电集流是DP1电流体系的基本部分,主要受控于电导率,反映了“卸载过程”的特点.     

电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1 min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.     

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.     

极区电离层对IMF Bz 4次快速转向的响应——EISCAT/ESR雷达观测

利用EISCAT VHF和EISCAT Svalbard(ESR)雷达观测数据,对2003年2月12日IMF Bz分量4次快速方向转换期间,极区电离层,尤其是极尖/极隙区的响应特征进行了分析研究.随着IMF Bz方向的多次快速变化,地面雷达观测到极尖/极隙区所在位置随着开放-闭合磁力线边界在纬度方向上来回移动.在此期间,极区电离层等离子体水平对流多次反向,表现出与IMF Bz分量强的负相关性.进一步分析表明:极区磁层-电离层系统在日侧对IMF极性变化的平均响应时间约为3 min.     

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.     

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.     

极区电离层电流与极光电集流指数关系的定量分析

极区电离层电流体系主要是由场向电流产生的. 在平静状态下, 极区电流由一对晨昏电流涡组成, 而当亚暴发生时, 强度为几百万安培的西向电集流造成极区地磁场的剧烈扰动. 极光电集流的强度通常用极光电集流指数AL, AU, AE和AO来描述. 本文用国际磁层研究计划(IMS)执行期间, 由北半球71个高纬地磁台的资料所得到的极区电流函数, 定量分析极区电流特征与极光电集流指数的关系. 研究结果表明, AL, AU指数与AE指数有很好的线性关系, 所以可以用AE(乘以适当比例因子)近似代替AL和AU, AE指数可以近似表征极区总电流以及晨昏电流涡强度, 定量分析表明, AE指数的1 nT对应极区总电流1000 A. AE指数与最大西向电流密度有很好的正比关系, AE指数的1 nT对应地磁子夜最大西向电流密度1 A/km. 在夜间扇区的不同地方时, 电流密度随纬度变化的趋势大体相似, 最大西向电流密度一般位于地磁子夜附近和地磁纬度65°~70°处, 而东向电流密度在80°附近达到极大值. 分析还表明, 就5 min平均值而言, AE指数的饱和值约为700 nT, AL的饱和值约为−500 nT. 所以, 在研究磁层-电离层过程时, 使用饱和值以上的极光电集流指数需十分谨慎.     

1989年3月13-14日大磁暴期间场向电流的特征

用空间飞行器EXOSD获得的磁场和电场资料确定了1989年3月13-14日大磁暴期间黄昏区和早晨区场向电流(FAC)的特征.这个磁暴开始于3月13日0128UT 的急始(SSC).第二个急始出现在当天的0747UT.磁暴持续到3月14日.紧随第一个急始之后,在黄昏和早晨扇区内,FAC 区的赤道侧边界开始向赤道移动,但极侧边界并未立即响应急始.FAC 区体系的赤道侧边界达到48°不变纬度,相当于L=2.2,FAC区的纬度宽度大大增加,尤其是晨侧场向电流(不变纬度约33).在昏侧.通一常以向上的l区电流和向下的2区电流为特征的电流体系(FACs)变成复杂的图案,它由许多随磁暴而发展的向上和向下的FAC电流对组成,尤其在3月13日22UT左右,在地面不变纬度50处观测到强大的东向电集流.磁暴期间,在晨侧扇内,在通常的向上l区FAC和向下2区FAC系统朝向极的一边,观侧到一个附加的大尺度的向上FAC,而在该FAC极侧边界上还观测到一对纬度宽度很窄(～1。5°)的FAC     

2000年4月6日磁暴期间磁扰变化在低纬子午链的纬度效应

利用低纬地磁子午链上H和D分量的分均值数据 ,分析了 2 0 0 0年 4月 6日磁暴期间磁扰变化的纬度效应 .主要特点是 :(1 )急始期间H分量急始跃变幅随磁纬降低而减小 ,且急始变幅的下降率随磁纬降低而逐渐增大 ;(2 )初相期间H分量第 2峰值的变幅和初相持续时间随磁纬降低而减小 ;(3)主相期间H分量迅速减小 ,并随纬度降低最大变幅明显增加 ;(4)恢复相H分量呈两阶段上升趋势 ,前一阶段迅速上升 ,后一阶段上升速度明显减小 .最后对这些磁扰变化的纬度效应与空间电流体系的密切关系作了讨论 .     

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．     

中国地区下平流层惯性重力波参数分布特征的资料分析

重力波参数特征的确定是全球大气环流模式中平流层重力波参数化的一个重要环节,这些参数的选取需要根据观测资料来确定.本文根据中国地区南北向8个站点(自北向南依次为嫩江、锡林浩特、北京、郑州、南阳、宜昌、怀化和南宁,纬度范围为22°~49°N)两年多的垂直高分辨率无线电探空资料,分析了下平流层(18~25km)惯性重力波活动的季节变化及其随纬度的分布特征.主要结果有:(1)与全球其他地区一样,中国地区下平流层重力波能量具有明显的季节变化和经向分布特征:冬季大夏季小,且随着纬度增加而减小;纬向和经向速度扰动大小一致,表明重力波能量在水平方向上是各向同性的.(2)重力波垂直波长随纬度没有明显变化,集中在1~3km,占所有样本的85%以上,平均值约为2.0km;水平波长80%以上集中在100~800km,平均值约为450km,有随纬度增加而降低的趋势(南北水平波长相差达40km左右),水平波长与垂直波长之比大约为200:1,表明下平流层重力波基本上沿水平方向传播,垂直方向的夹角极小.(3)固有频率和科氏参数之比有随纬度增加而减小的特征,集中在1~2,平均值约为1.5.(4)重力波能量主要向上传播,各站点重力波上传频率均在60%以上;水平传播方向有比较显著的方向性,主要是东西方向传播且与盛行风向有关,但是该各向异性随着纬度的增加有所减弱.     

磁层源赤道电急流的模式研究

本文用数值计算方法对极盖区边界变化、其上驱动电势突然增减以及粒子沉降边界随时间变化等情况下,中低纬电离层电位分布及赤道电急流变化进行了研究。结果表明,赤道电急流明显地受到磁层-电离层电动耦合的影响。在白天到午夜的大部分时间内,当驱动势增强和扰动源向低纬扩展时,产生扰时附加东向赤道电急流;反之,有较强的磁层源西向电急流。计算结果解释了观测的主要现象,也表明观测结果的复杂性可能与过程不同阶段上电急流位相变化有关。     

赤道电集流的变化:它和S_q电流体系和半日潮的关系

对地磁△H分量的年均日变化和季节变化作了分析,发现赤道电集流中的半年变化在午后消失.这可能是由于S_q的电流焦点纬度在一天中的变化引起的.S_q焦点纬度变化则可能是由叠加半日波引起的这也可用来解释焦点附近台站的△H变化.     

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.     

地磁场水平梯度及高空地磁场的计算与分析

本文以2000.0年中国地区的实测数据为例,首先利用5阶Taylor多项式方法建立了各分量的地磁模型,接着对模型中各分量的纬度和经度进行微分,计算得到各分量的水平梯度值,并绘制了相应分量沿南北方向和东西方向的水平梯度分布图,最后通过Zmuda多项式方法,基于地面模型值以及水平梯度值计算了高空(100 km)的各分量磁场值,并分析了水平梯度分布规律以及各分量随垂直高度的变化.结果表明:地磁场北向分量X、垂直分量Z、总强度F和磁倾角Ⅰ分量的水平梯度主要随纬度变化,其中X、Z和F分量随纬度减少而梯度降低,东向分量y和磁偏角D分量的水平梯度不仅随纬度变化,而且随经度变化,F分量的南北向梯度值在我国中心地区最大.在垂直方向,X、Z和F分量的强度分别随高度的上升而近似线性减小,在100 km高度处,强度变化平均值分别为-4.629 nT/km、-15.368 nT/ km和-16.226 nT/km,y分量强度随高度上升而呈近似线性增加,其平均变化值为0.166 nT/km,而D和Ⅰ分量基本不发生变化.     

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.     

太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

太阳高能粒子(SEP)事件是一类重要的空间天气灾害性事件,如能准确预报SEP事件,人们便可以采取必要的防护措施,保障卫星、星载设备以及航天员的安全,尽可能地降低经济损失.因此,其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位.SEP事件中的高能粒子在不同的时间尺度内被耀斑过程或者CME驱动的激波加速,并且在被扰动后的行星际太阳风中传输,这些过程都紧紧依赖于太阳风背景场.因此获取更加接近物理真实的太阳风背景场是模拟SEP事件的重要部分,也是提高SEP物理模式的关键因素之一.我们目前的工作基于张明等发展的SEP在行星际空间传播的模型,尝试将Parker太阳风速度解及WIND飞船观测的磁场实时数据融入模型中,研究不同的太阳风速度以及真实磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响.通过求解聚焦传输方程,我们的模拟结果表明:(1)快太阳风条件下,绝热冷却效应项发挥了更大的作用,使粒子能量衰减的更快,而慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响;(2)加入观测的磁场数据时,粒子的全向通量剖面发生了比较明显的变化,具体表现在:通量峰值推迟到达、出现多峰结构、各向异性也发生一些改变.分析表明真实磁场的极性对粒子在行星际空间中传播有着重要的影响.     

与日夜交替线移动相关的中尺度电离层扰动GPS网观测

本文选取由国际GPS服务中心(IGS)提供的北美中纬度地区GPS网TEC观测数据,通过多通道最大熵频谱分析方法研究了2005年（太阳活动低年）地磁活动平静期间日出和日落时由于日夜交替线的移动而激发的中尺度电离层扰动(MSTID),并统计分析其季节变化特性.结果表明：(1) 日出或日落期间,在中纬度地区经常观测到由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动.扰动主要沿日夜交替线运动方向传播,平均持续时间约2～3 h;振幅在0.2～0.8 TECU之间,水平波长,水平相速度和周期分别为300±150 km,150±80 m/s和25±15 min;(2) 由日夜交替线移动激发的中尺度电离层扰动在春秋分出现率较少;在夏季,扰动在黄昏时出现率达最大值,在日出后少量出现;而冬季则日出后的扰动效应更为明显.分析表明,在中纬地区,这种扰动出现率随季节的变化与不同季节的日出日落时刻太阳EUV辐射通量变化过程的快慢,以及电离层中离子损失过程快慢有关.