磁暴期间热层大气密度变化

基于CHAMP卫星资料,分析了2002—2008年267个磁暴期间400 km高度大气密度变化对季节、地方时与区域的依赖以及时延的统计学特征,得到暴时大气密度变化的一些新特点,主要结论如下: 1)两半球大气密度绝对变化(δρa)结果在不同强度磁暴、不同地方时不同.受较强的焦耳加热和背景中性风共同作用,在北半球夏季,中等磁暴过程中夜侧和大磁暴中,夏半球的δρa强于冬半球;由于夏季半球盛行风环流造成的扰动传播速度快,北半球夏季日侧30°附近大气,北(夏)半球到达峰值的时间早于南(冬)半球.而可能受半球不对称背景磁场强度所导致的热层能量输送率影响,北半球夏季强磁暴和中磁暴个例的日侧,南半球δρa强于北半球;春秋季个例中日侧30°附近大气,北半球先于南半球1~2 h达到峰值. 2)受叠加在背景环流上的暴时经向环流影响,春秋季暴时赤道大气密度达到峰值的时间最短,日/夜侧大气分别在Dstmin后1 h和2 h达到峰值.至点附近夜侧赤道大气达到峰值时间一致,为Dstmin后3 h;不同季节日侧结果不同,在北半球冬季时赤道地区经过更长的时间达到峰值. 3)日侧赤道峰值时间距离高纬度峰值时间不受季节影响,为3 h左右.在春秋季和北半球冬季夜侧,赤道大气密度先于高纬度达到峰值,且不同纬度大气密度的峰值几乎无差别,表明此时低纬度存在其他加热源起着重要作用.     

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.     

2003年11月超强磁暴热层大气密度扰动及其与焦耳加热和环电流指数的关系——CHAMP卫星观测

本文利用CHAMP卫星加速度仪测量数据,计算和分析2003年11月20～21日大磁暴期间大气质量密度扰动的全球分布特征;研究暴时变化与极区大尺度对流引起的全球焦耳加热总功率及环电流指数SYM-H之间的关系.结果表明,磁暴期间400 km高度上热层大气质量密度大幅度上升, NRLMSISE-00模式预测值与此相比有很大差别;暴时大气密度的增大存在昼/夜半球不对称性：白天强于夜晚,且白天随纬度的分布呈现出比较复杂的图像,在赤道附近和南半球中低纬区（10°N ～50°S）大气密度增大较强,并呈双峰分布,两个峰分别位于0°和45°S,另外在极区也出现大气密度扰动的局部极大,而在夜晚,大气密度变化南北半球比较对称,在赤道低纬区大气密度增大较强;互相关分析表明,中低纬区大气密度变化滞后于全球焦耳加热总功率3～7 h,滞后于环电流指数（SYM-H）0～3 h,与二者存在很强的相关,表明极区焦耳加热和赤道环电流过程对暴时热层大气密度扰动有重要影响.     

太阳风流速的太阳磁纬变化——一个三维背景太阳风模式

本文在简述当前在太阳坐标系中分析太阳风观测,研究太阳风三维结构的现状和问题的基础上,提出了太阳风参量太阳磁纬变化的概念,即在新的太阳磁坐标系中组织太阳风观测资料,分析太阳风参量相对于行星际电流片（而不是相对于太阳赤道）的空间分布。我们已做的1974年飞船观测资料分析和1976年行星际闪烁观测资料分析表明:存在着一个一致的合理的太阳风流速太阳磁纬变化规律。由此本文进一步提出了一个太阳风参量随太阳磁纬变化的背景太阳风模式。这模式不同于以前的各种无结构背景风模式（低速、平均、高速等）。文章最后讨论了这一背景结构的可能成因。     

太阳风流速的太阳磁纬变化——一个三维背景太阳风模式

本文在简述当前在太阳坐标系中分析太阳风观测,研究太阳风三维结构的现状和问题的基础上,提出了太阳风参量太阳磁纬变化的概念,即在新的太阳磁坐标系中组织太阳风观测资料,分析太阳风参量相对于行星际电流片（而不是相对于太阳赤道）的空间分布。我们已做的1974年飞船观测资料分析和1976年行星际闪烁观测资料分析表明:存在着一个一致的合理的太阳风流速太阳磁纬变化规律。由此本文进一步提出了一个太阳风参量随太阳磁纬变化的背景太阳风模式。这模式不同于以前的各种无结构背景风模式（低速、平均、高速等）。文章最后讨论了这一背景结构的可能成因。     

顶部电离层离子密度经度结构的特征及其随季节、太阳活动和倾角的变化

本文利用DMSP卫星测量数据和傅里叶分解和重构方法, 研究了地磁平静期顶部电离层总离子密度(Ni)经度结构的多重波数特征及波数4的年变化、逐年变化、地方时差异和随倾角的变化.傅里叶分解和重构的结果表明, 顶部电离层平均Ni的经度结构中同时含有以波数1至波数4为主的多重分量, 不同波数分量的幅度和相位各不相同.对波数4分量的分析表明, 波数4的幅度在春秋季最强, 北半球夏季高于冬季;随太阳活动水平增强, 波数4分量的幅度增高, 至太阳活动高年幅度达到最高, 此后随太阳活动水平降低而减小, 与F10.7呈正相关;春秋季和北半球夏季波数4分量在傍晚最强, 晚上和上午次之, 黎明最弱, 从09 LT到21 LT, 波数4的相位依次滞后, 暗示向东移动.分析还发现, 日落期间波数4幅度依赖倾角, 春秋季随倾角的变化呈双峰结构, 两个极大出现在倾角±18°附近, 暗示赤道等离子体喷泉效应对顶部电离层经度结构的控制作用.     

川滇地区地壳密度变化与强震孕育关系

为研究川滇地区地壳密度的时空演化特征与强震孕育的关系,本文基于2011—2014年川滇地区的重力复测资料,利用阻尼最小二乘反演算法,获得了川滇地区0—50 km深度范围内分辨率为55 km×55 km×10 km （长×宽×高）的三维动态密度变化模型。以所获取的动态密度变化为依据,分析了川滇地区三维密度变化特征与2013年四川芦山M_S7.0、2014年云南鲁甸M_S6.5和四川康定M_S6.3地震的关系,并由此对强震重点构造部位的深部地壳结构特征、孕震背景及区域动力学过程进行了深入分析。结果显示:川滇地区出现多个与主要活动断裂带展布方向基本一致的密度变化高梯度带,在三次地震的震中区及其附近观测到明显的区域性密度变化异常。15—35 km深度范围内的密度变化水平剖面显示:强震容易发生在上地壳密度变化正、负异常过渡的高梯度带和密度变化四象限分布的中心;中地壳深度密度变化低异常是强震孕育的主要介质条件;下地壳深度密度变化低异常或密度变化高梯度带均有可能是孕育地震的主要介质结构。0—50 km深度的垂直剖面上的密度变化结果显示,地震震中区及附近浅部、深部地壳呈现解耦变化。壳内垂向正负密度变化过渡带可能是强震孕育的又一个主要特征构造。      

攀西地区重力场特征及地壳密度结构

攀西地区位于峨眉山大火成岩省中西部,构造和岩浆特征显著,地震活动强烈.通过对野外重力测量得到的云县—会东和普洱—七甸两条剖面的高精度重力观测数据进行处理和分析,构建了沿剖面的二维地壳密度结构,其中普洱—七甸剖面与孟连—马龙宽角地震剖面部分位置重合.同时结合区域重力异常特征及下地壳视密度填图结果,得到如下初步认识:红河断裂带是南北地震带南段地区重要的构造分界线,断裂带南北向密度结构和莫霍面分布形态存在较大差异,沿走向构造变化.云县—会东剖面上大姚—会东段下地壳底部存在密度较高的壳幔过渡层,结合研究区下地壳底部壳幔过渡层的密度分布特征,认为该过渡层不是攀西裂谷下的"裂谷垫",而是由岩浆底侵作用造成的.     

滇西地壳三维密度结构及其大地构造含义

重力异常揭示地壳三维密度结构是地球物理的重要目标和任务,其关键技术是密度反演.本文对滇西地区重力异常进行了多尺度密度反演,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,取得区域地壳多个深度上的密度扰动图像.滇西上地壳高密度扰动出现在扬子克拉通内部和西缘,以及澜沧江断裂带西缘,后者对应昌宁-勐连蛇绿混杂岩带及岛弧岩浆岩带.上地壳低密度异常主要反映西昌裂谷带和高黎贡-腾冲一带的岩浆房,和兰坪-思茅盆地中的坳陷带指示钾盐等沉积矿产目的层较厚的区段.滇西上地壳和中地壳出现三条低密度扰动带,与三期大陆碰撞带的吻合.大部分6级以上地震分布在低密度异常区或它们的边缘,只有在西昌-元古谋裂带才分布在高密度异常区.克拉通内部古裂谷带地震可分布在高密度异常区.在26°N线以南下地壳为高密度区,以北为低密度区.因此,26°N线的一个属性是下地壳密度差异分界线.滇西由北向南地壳加厚缩短的程度是逐渐变弱的,在26°N线以南,南北向的地壳加厚缩短就不明显了.高黎贡走滑剪切带、澜沧江走滑剪切带、红河走滑剪切带在滇西中地壳密度扰动平面图中表现为密度急变的梯度带.表明这三条主要的走滑剪切断裂带都穿过中地壳并可能延深到下地壳.     

青藏高原及其邻区岩石层三维密度结构

搜集了青藏高原及其邻近区域的S波速度三维层析成像结果和2万多个实测重力点资料,将重力资料进行各种改正并网格化为30′×30′的布格重力异常．首先采用密度差与S波速度差之间的经验关系式,建立青藏地区岩石层密度的初始模型,再利用布格重力异常进行阻尼最小二乘法反演,得到青藏地区岩石层三维密度分布结果．反演结果表明：（1）青藏高原岩石层密度分布不仅在纵向上不均匀,而且在横向存在明显的不均匀．在深度10－70km范围内,高原整体呈低密度特性,在50－70km深度范围内低密度特征更加突出,与周缘地区存在0,1g／cm3的密度差．而在90－110km深度范围内,高原岩石层地幔显示密度高．（2）岩层密度分布与大地构造有明显相关的分区性,显示出青藏块体、巴颜喀拉块体、塔里木块体和印度块体．     

The thermospheric semiannual density response to solar EUV heating

The goal of this study was to characterize the thermospheric semiannual density response to solar heating during the last 35 years. Historical radar observational data have been processed with special orbit perturbations on 28 satellites with perigee heights ranging from 200 to 1100 km. Approximately 225,000 very accurate average daily density values at perigee have been obtained for all satellites using orbit energy dissipation rates. The semiannual variation has been found to be extremely variable from year to year. The magnitude of the maximum yearly difference, from the July minimum to the October maximum, is used to characterize the yearly semiannual variability. It has been found that this maximum difference can vary by as much as 100% from one year to the next. A high correlation has been found between this maximum difference and solar EUV data. The semiannual variation for each year has been characterized based on analyses of annual and semiannual cycles, using Fourier analysis, and equations have been developed to characterize this yearly variability. The use of new solar indices in the EUV and FUV wavelengths is shown to very accurately describe the semiannual July minimum phase shifting and the variations in the observed yearly semiannual amplitude.     

Tropospheric vorticity responses to the solar magnetic sector structure and geomagnetic disturbances

The responses of the Vorticity Area Index (VAI) at 500 mb to large geomagnetic disturbances and to magnetic sector boundary crossings are evaluated for the periods 1947–57 and 1963–74, during which time the geomagnetic response to sector structure were known to be distinctly different. Results indicate that the nature of the VAI response to geomagnetic disturbances is markedly similar between the two subsets. The response does not vanish even when only those geomagnetic disturbances not related to sector boundary passage are used in the analysis, which suggests that enhanced geomagnetic activity can independently influence the lower atmosphere. Unlike the geomagnetic disturbance-related effects the sector-related effects have varied with time in a very complex manner. In view of this it is concluded that geomagnetic disturbances, whose effects have shown pronounced consistency, may prove a better solar signal in future sun-weather studies.     

Observations of thermospheric neutral winds within the polar cusp and the auroral oval using a Doppler imaging system (DIS)

Two Doppler imaging systems (DIS) or wide-field imaging Fabry-Perot interferometers (FPI), have recently been commissioned, one at the Auroral Station, Adventdalen, Longyearbyen, Svalbard, and the second at the IRF, Kiruna, Sweden. These instruments can provide wide-field (600 * 800 km) images of neutral wind flows in the upper thermosphere, by measuring the Doppler shift of the atomic oxygen forbidden near 630 nm, which is emitted from an altitude of approximately 240 km. From the instrument in Svalbard, at mid-winter, it is possible to observe the dayside polar cusp and the polar cap throughout the entire day, whereas from Kiruna, the night-time auroral oval is observable during the hours of darkness. Measurements of thermospheric dynamics from the DIS can be used in conjunction with observations of ionospheric plasma flows and thermal plasma densities by the EISCAT-Svalbard radar (ESR) and by EISCAT, along with other complementary observations by co-located instruments such as the auroral large-scale imaging system (ALIS). Such combined data sets will allow a wide range of scientific studies to be performed concerning the dynamical response of the thermosphere and ionosphere, and the important energetic and momentum exchange processes resulting from their complex interactions. These processes are particularly important in the immediate vicinity of the polar cusp and within the auroral oval. Early results from Svalbard in late 1995 will be discussed. The DIS in Kiruna observed two interesting geomagnetic disturbances in early 1997, the minor geomagnetic storm of 10, 11 January, and the disturbed period from 7–10 February. During these events, the thermospheric wind response showed some interesting departures from the average behaviour, which we attribute to the result of strong and variable Lorenz forcing (ion drag) and Joule and particle heating during these geomagnetic disturbances.     

基于经验模式给定热层温度对热层大气密度反演影响的评估

利用加速度计数据反演热层大气密度算法一般需由经验模式给定热层大气温度,进而计算大气阻尼系数C_D.本文基于CHAMP卫星加速度计数据反演得到大气密度,以2008年为例,利用反演得到的热层大气密度循环迭代修正大气阻尼系数C_D,通过对比修正前后密度偏差,评估经验模式给定热层温度对热层大气密度反演造成的影响.结果表明,经验模式热层温度计算偏差对大气密度反演造成的影响小于5%,而且考虑大气成分的改变则进一步降低了这种影响.

     

太阳风在地球激波前兆区减速的统计研究

本文首次利用完全相同两颗卫星（CLUSTER C1和C3）的数据对地球激波前兆区太阳风的减速和偏转特性进行了统计研究.结果表明,在激波前兆坐标系中,太阳风减小的速度随观测点到激波的距离D_BS增大而减小,随行星际磁场与激波法向夹角θ_BN增大也减小,在ULF波动区深度D_WS小于6R_e(R_e为地球半径)的范围内最为显著;伴随着太阳风减速的另外一个现象——太阳风的偏转,也存在相似的规律.其最大减速和最大偏转角度分别为10 km/s和3°.太阳风减速和偏转,以及随之变化的太阳风动压,可能会引起地球磁层顶位置和形状发生改变,同时也为激波前兆区弥散（diffuse）离子的起源及加热提供了一种可能的机制.     

等离子体片离子与太阳风及地磁条件的关联研究

本文根据搭载于Cluster卫星的CIS/CODIF和RAPID仪器的观测数据,统计研究了等离子体片中的H+、O+离子在磁暴期间的时间变化特性,及其对太阳风条件的响应.观测结果表明：(1) 磁暴开始前,O+离子（0~40 keV）数密度保持在较低水平.随着磁暴的发展,O+数密度缓慢上升,其峰值出现在Dst极小值附近;H+离子(0~40 keV)数密度在磁暴开始之前的较短时间迅速增加并达到峰值,在磁暴开始之后迅速降低,并在整个主相和恢复相期间保持在相对较低水平.更高能量的离子则在磁暴开始后迅速增多,并在低能O+离子达到峰值之前达到峰值.因此我们推测磁暴初期从等离子体片注入环电流的主要是H+离子,主相后期O+离子可能扮演更为重要的角色.(2)在地磁活动时期,太阳风密度和动压强与等离子体片中的H+、O+数密度存在一定相关性.等离子体片中的H+离子对北向IMF Bz较为敏感,而IMF Bz南向条件下更有利于太阳风参数对等离子体片中O+数密度的影响.在地磁活动平静期,太阳风条件对等离子体片中的离子没有明显影响.     

近日太阳风中磁场回弯结构的MHD模拟

帕克太阳探针(Parker Solar Probe,PSP)在太阳附近发现大量磁力线回弯结构,通常还伴随有太阳风速度增加.这些磁力线回弯的产生机制到目前为止有多种解释,其中有代表性的一种是由慢太阳风中的喷流引起的.我们首先对PSP的就地观测数据进行了统计分析并给出了发生率和空间尺度随径向距离的演化情况,然后使用简化的1.5维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)模型对喷流在太阳风中的演化进行了模拟,其中太阳风被简化为位于黄道面的球对称流.模拟结果表明喷流的确可以导致太阳附近磁力线发生偏转,验证了喷流可以对磁场方向改变有贡献的图景.不过喷流形成的原因还需要进一步研究.

     

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.