基于LANL卫星的等离子体层顶位置模型改进

本文利用RBSP-A卫星在强磁暴和中等磁暴条件下测得的电子密度数据,对Goldstein等人在2019年构造的等离子体层顶位置动态解析模型进行了误差检验.发现在日侧区域,特别是羽状区的模型计算结果与观测数据存在较大误差,平均误差达到32.31%.为了改进模型的误差情况,我们利用LANL卫星数据对1998年到2006年间的14次中等磁暴情况下,日侧羽状区的等离子体层顶位置进行了统计.结果表明,随着磁暴时期（-12 h ≤ T_epoch ≤ 4 h）的变化,羽状区在接近磁暴峰值时会产生西漂,而在峰值之后迅速收缩并东漂.针对这种现象,我们分4个时段,对这一时期的模型进行了修改.改进后的模型在羽状区的平均误差从27.34%下降到20.2%,准确度提高了26%,得到的模型计算结果更符合卫星观测值.

     

基于THEMIS卫星数据的等离子体层顶位置模型

利用2010~2011年的THEMIS卫星观测的卫星电位数据反演电子密度,并用来确定等离子层顶的位置,研究其与地磁指数的关系.利用观测数据得到了一个THEMIS卫星等离子体层顶位置数据库.利用该数据库建立了新的等离子体层顶位置的磁地方时经验模型,并比较了其与现有的四个等离子体层顶位置经验模型的优劣.发现新建立的等离子体层顶位置模型明显优于其余四个经验模型.在模型的三种输入参数中,Kp指数和Dst指数模型的预测效果相当,并明显优于AE指数的模型,这说明磁层的大尺度对流强度是影响等离子体层顶位置最主要的因素.     

地球等离子体层顶与地磁活动的关系研究

本文利用IMAGE卫星EUV相机观测的等离子体层图像,并采用最小L算法反演磁赤道面等离子体层顶位置.文中选取了2000-2002年间的3579幅等离子体层图像,并反演得到了时间间隔为1 h的等离子体层顶位置数据库,包含48899个等离子体层顶位置数据.利用该数据库统计研究了等离子体层顶位形随地磁活动的变化特性.统计发现等离子体层顶高度依赖地磁活动,与地磁指数Kp、Dst和AE均呈负相关,且等离子体层顶随地磁指数的变化趋势具有显著的MLT分布特性;亚暴活动对等离子体层顶演化的贡献在不同地磁活动期间有所不同,磁暴期间亚暴活动的贡献小,而地磁平静期亚暴的贡献大.本文研究工作为后续建立等离子体层顶模型和了解等离子体层顶的动态结构提供了重要研究基础.

     

地磁扰动期间等离子体层顶结构的模拟研究

本文选取2001年6月8-10日的一个亚暴事件,模拟了在这期间等离子体层的结构演化过程.选取Weimer(2001模式)电场和Tsyganenko(1996模式)磁场作为背景电磁场,基于E×B的漂移运动计算磁赤道面内的带电粒子分布,模拟磁扰期间的等离子体层变化.模拟了等离子体层顶的结构和形状,结果有羽状、肩状和通道状结构,与同一时间点的EUV/IMAGE探测结果一致.     

磁宁静期核心等离子体层电子密度分布的统计研究

等离子体层已有数十年研究历史,但对其核心等离子体区域却一直没有一个相对准确的界限和模型定义.基于范阿伦辐射带卫星RBSP-A在2012年9月18日至2014年10月13日约两年的观测,我们统计研究了磁宁静期间核心等离子体层电子密度随磁地方时（MLT）及磁壳指数（L-value）的分布特征.发现了核心等离子体层电子密度在不同MLT条件下随L值的变化趋势几乎一致,但与以前的等离子体层经验模式计算的电子密度存在较大的偏差.在不同L值下电子密度随MLT的变化趋势也相差不大,而且随MLT存在明显的逐日和半日变化.最后我们获得了等离子体层电子密度随L值和MLT变化的经验公式.研究结果对空间等离子体层建模及研究具有重要的意义.

     

基于快速傅里叶方法的地震前兆振幅谱分析

利用FFT方法,对地电、地磁、形变及重力等前兆时间序列信号进行分析,结果显示,宝昌地震台及乌加河地震台地电两测向日均值时间序列存在3个主要谐波分量,其中周期近一年的分量物理意义明确.FFT方法在精确确定前兆时间序列中的干扰信息周期时具有较好的效果.     

等离子体层顶附近的电子浓度分布

本文处理了GEOS-2号卫星RS探测器所测得的磁层冷等离子体电子浓度资料,给出了电子浓度小时平均值的日变化,并分析了其月均值及年均值特征。发现在平均值的日变曲线中,电子浓度的极大值出现在1600LT,表明等离子体层突起的位置处于下午扇区。这一事实有利于磁层大尺度对流电场并不总是晨—昏指向这一观点。文中对电子浓度小时平均值的年均值日变曲线进行了拟合,给出了近似表达式,并计算了同步轨道上的积分电子浓度,其量级为1011cm-2。通过月均值和积分浓度的分析,发现同步轨道上的电子浓度存在季节变化。     

等离子体层顶附近的电子浓度分布

本文处理了GEOS-2号卫星RS探测器所测得的磁层冷等离子体电子浓度资料,给出了电子浓度小时平均值的日变化,并分析了其月均值及年均值特征。发现在平均值的日变曲线中,电子浓度的极大值出现在1600LT,表明等离子体层突起的位置处于下午扇区。这一事实有利于磁层大尺度对流电场并不总是晨-昏指向这一观点。文中对电子浓度小时平均值的年均值日变曲线进行了拟合,给出了近似表达式,并计算了同步轨道上的积分电子浓度,其量级为10¹¹cm^-2。通过月均值和积分浓度的分析,发现同步轨道上的电子浓度存在季节变化。     

基于卫星观测的上游等离子体β与磁层顶厚度、速度等特征参数关系的统计研究

基于Cluster(C3)卫星的观测数据,本文统计分析了 2001年至2009年的低纬(GSE坐标系下纬度小于45°)侧翼晨(磁地方时MLT＜08)、昏(MLT＞16)两侧磁层顶的特征.分别用法拉第残差最小化分析法(MFR分析)和DeHoffmann-Teller分析法(HT分析)计算了磁层顶厚度、运动速度以及平均电流...     

用AE-D卫星近地点上观测的n(He)估算湍流层顶高度

文分析了AE D极轨卫星近地点的变化及其相应的大气膨胀和密度分布情况. 在高度相同情况下, 中低纬区热层底部的大气密度比高纬区大, 卫星受阻也就更大, 从而卫星近地点的高度在中低纬区比高纬区要低、白天比夜间低. 采用近地点上的n(He)观测资料, 根据大气数密度在低层内均匀混合和高层内扩散分离的不同垂直分布特征, 粗略地估算出湍流层顶的高度Zt及其变化. 高纬区内Zt高低与纬度几乎无关, 但对磁暴的响应十分明显. 中低纬区内, Zt随纬度减小而增大; 白天地区Zt大于夜间, 而与磁暴的关系不大.     

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层下频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,对内磁层下频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究下频带合声波平均场强幅度随磁壳值L、磁地方时、地磁纬度的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,下频带合声波的波动强度与地磁活动密切正相关,处于强磁扰期间的合声波具有更大的振幅,其发生率与地磁活动强度具有同样的正相关特性.下频带合声波主要发生于午夜至下午的磁地方时区间,其余的磁地方时时段下频带合声波较弱.赤道面附近的下频带合声波主要分布在夜侧至黎明这一时段内,随着磁纬度的增加逐步向日侧扩展.下频带合声波在午夜侧（21-03 MLT）主要出现在15°的磁纬范围内,在晨侧（03-09 MLT）可以到达15°磁纬甚至更高纬度.下频带合声波主要发生于L=~4.5的附近区域.随着地磁活动的增加,下频带合声波所覆盖的L-shell空间区域增大,趋势为向高、低L值区域同时扩展.建立的下频带哨声合声波的全球分布模型将有助于进一步深入理解该重要磁层波动对辐射带电子的波粒作用散射效应和对辐射带动力学过程的定量贡献.

     

基于Van Allen Probes EMFISIS波动仪器观测的内磁层上频带哨声合声波全球分布的统计分析

基于Van Allen Probes近三年的EMFISIS仪器波动观测数据,针对内磁层上频带哨声模合声波幅度的全球分布特性对地磁活动水平的依赖性进行了详细的统计分析,着重研究上频带合声波平均场强幅度随磁壳值（L）、磁地方时（MLT）、地磁纬度（MLAT）的分布特征及不同强度区间的合声波的发生概率.结果表明,上频带合声波的平均场强幅度与地磁活动条件密切相关,在强磁扰期,平均幅度可达到40 pT以上.在外辐射带中心区域（L=4~6）,上频带合声波的幅度最强;在L＜~3的区域,上频带磁层合声波没有分布.在夜侧至晨侧（22-09MLT）,上频带合声波幅度最强;在下午侧至昏侧（15-19MLT）,上频带合声波幅度最弱;日侧（10-14MLT）上频带合声波在不同地磁活动条件下都存在,幅度偏小.上频带合声波主要分布在|MLAT| < 10°,其中21-09MLT范围内、磁纬位于|MLAT| < 5°的平均场强幅度最强,磁扰期间可达约100 pT.另外,统计而言,中等幅度（10~30 pT）的上频带合声波在夜侧至晨侧（23-09MLT）靠近磁赤道区域的发生率最高,可达15%左右.强幅度（>30 pT）的上频带合声波普遍分布在夜侧（01-05MLT）,发生率最小.本文建立的上频带哨声模合声波的全球分布模型结合已经建立的下频带合声波的全球分布模型,将有助于进一步深入理解该重要磁层等离子体波动对地球等离子体片、辐射带、环电流动力学过程的定量贡献.

     

小北湖火山台迁建前后观测数据对比分析

小北湖火山台原址位于原始森林保护区,按照林区防火要求,2019年选址迁建.选取迁建前后小北湖火山台观测数据,通过计算不同频段范围内背景噪声记录的加速度功率谱密度,分析了迁建前后地震观测台站的噪声特征.结果 表明,在1-20 Hz频段内,迁建后功率谱噪声值普遍降低10-20 dB;从RMS值来看,UD向降低22.0％,E...     

基于球面边值问题的点质量调和分析方法

对全球扰动点质量模型而言,可以假定虚拟扰动质点系位于地球内部同一Bjerhamar球面上,同时把边值界面视为球面.本文针对这一假设下所形成的线性方程组的系数阵,运用快速傅里叶变换的方法,得到了点质量模型解算中利用分块循环矩阵分解大型线性方程组的新方法.全球30′×30′扰动点质量模型259200阶方程组的解算分解为720个360阶方程组的解算,解决了点质量模型构建中大型线性方程组的稳定解算问题.推导了全球点质量模型与球谐位系数模型的转换关系,得到了一种基于球面边值问题的点质量调和分析方法.数值模拟试验表明,在适当选取点质量埋深度的情况下,本文的点质量调和分析方法较传统的调和分析方法精度更高.     

基于微扰理论的伽马-伽马密度测井快速正演方法

伽马-伽马密度快速正演结果作为中子和密度联合反演模型的输入,对实时反演确定地层几何结构及属性参数具有重要的意义.基于时间独立的玻耳兹曼输运方程,结合微扰理论与蒙特卡罗(Monte Carlo N Particle Transport Code,MCNP)模拟,形成了伽马-伽马密度快速计算方法.以双源距补偿密度仪器参数为基准,建立了不同基准密度地层条件下的扰动灵敏度函数数据库.分析对比了快速计算和蒙特卡罗模拟在不同岩性密度、水平层状地层及倾斜地层条件下的密度结果与误差.结果表明: 不同地层条件下的伽马-伽马密度快速计算结果与MCNP模拟结果吻合,三种岩性(砂岩、碳酸岩和白云岩)密度计算的平均误差小于0.01 g·cm^-3且与MCNP模拟速度相比,快速计算效率提高10⁶倍.

     

分析研究基于小波分析与谱分析提高重力异常的分辨能力

重力数据是所有地下场源产生的重力场的叠加,探测对象经常被淹没在区域背景场之中,因此剩余异常的分离对于重力资料研究至关重要,而近来被引入位场领域的小波算子作为了滤波器和场源分析工具,在这里我们分析研究基于小波分析与谱分析的二维离散小波变换用于提高重力异常的分辨能力,再现出由简单形状场源描述密度不均匀的几何特征.本文先介绍二维多分辨率分析小波的基本理论及其提升算法,利用对数功率谱估计平均深度方法理论,接着对理论模型数据进行多尺度异常分解,估计地质体的形状、大小和深度,最后又对实测重力数据进行分析,并与传统常规方法进行比较分析,结果表明对于实际数据分析其方法也是具有可行性的.     

在频率域基于小波变换和Hilbert解析包络的CSEM噪声评价

传统CSEM一般只提取主频信号,或以谐波与主频的振幅比为依据提取部分低阶谐波信号,但缺乏判断标准,实际操作中存在很大的不确定性.本文基于小波变换和希尔伯特解析包络提出一种新的CSEM信号噪声评价方法,首先在时间域中基于混合基快速傅里叶变换获得原始信号准确功率谱;其次在频率域中根据CSEM频率位置相邻频率幅值进行频谱预处理,基于离散小波变换将预处理后的频谱分成低频部分和高频部分,基于希尔伯特变换识别高频部分的上包络线,并与低频部分重构得到频谱的整体上包络线;最后根据包络线与对应CSEM频率振幅的比值估计噪声的影响幅度,根据阈值筛选出高信噪比的主频和谐波信号.本方法不需增加野外工作量即可提取大量的频率信号,特别是高阶谐波信号,实现频率加密,提高CSEM的纵向分辨能力和能源利用率.

     

汶川MS8.0级地震前后ULF电磁辐射频谱特征研究

本文基于电磁波频谱理论研究方法,对2008年四川汶川M_S8.0地震前后金河、剑阁及郑州二砂三个电磁波台站的观测资料进行FFT和小波变换分析,研究了电磁辐射数据快速傅里叶频谱变化特征和在不同尺度下小波变化的分解,发现在汶川地震前确实有异常信息存在.结果表明:(1) FFT动态谱图像说明,地震前电磁波频谱变化特征较明显,在时间、频段上均显示了阶段性进程特征,且随着震中距的增大,辐射能量越小,异常出现的时间越晚;(2) 小波分解显示了地震前电磁波异常信号低频部分出现的时间较早;距震中较近的台站,异常信息在高频部分相对明显;距震中稍远的台站,异常信息在低频部分相对明显.     

典型振动信号时-频分析方法研究

首先对比较简单的单分量信号和多分量信号进行时-频分析,对比了不同时-频分析方法(STFT、WD、Hilbert时-频谱分析、连续小波分析)的分析精度。结果表明对单分量信号和可以分解为若干单分量信号叠加的多分量信号,Hilbert时-频谱分析精度最好,WD和STFT次之,连续小波变换的精度最差;由于Hilbert时-频谱分析和WD方法要求信号为单分量信号或可以分解为若干单分量的信号,故其不适用于复杂信号的时-频分析;对多分量信号,STFT时-频谱较连续小波时-频谱精度高些。需要指出的是,当使用STFT方法时,取不同的窗参数,STFT的时-频分析精度相差很大,必须使用合适的窗参数,以取得较好的分析效果。此外还对El Centro波的两水平分量和人工合成的地震动进行了时-频分析,虽然STFT的时间分辨率和频率分辨率存在矛盾,但它对信号的适应性最强,对复杂信号的时-频分析精度一般可以满足需要,而连续小波变换进行信号的时-频分析时,时-频分辨精度最差,且对于大于30Hz的频率分量,随频率的增加,时-频分析的效果和精度迅速变差,说明小波变换并不适合于做时-频分析,尤其对于高频信号,用连续小波变换得到的时-频谱图看起来很粗糙,而且很难准确解释。进一步对比了真实地震动和人工地震动的时-频分布,认为用胡聿贤教授合成人工地震动的方法合成的地震动在时-频域上的分布和真实地震动相似。