南极中山站地磁脉动的观测分析

本文分析的是１９９２年２月９日至１９９３年２月９日在南极中山站记录的各种地磁脉动的观测资料，并对各种地磁脉动的激发机制进行了初步讨论。通过南极中山站地磁脉动观测资料分析，了解高纬地区地磁脉动的形态特征，对南极极隙区高空大气电磁环境、太阳风和磁层相互作用等现象有进一步的认识。     

南极长城站与北京地区地磁脉动观测资料的对比分析

本文将我国首次南极考察得到的长城站地磁脉动资料与北京地区的同时地磁脉动观测资料作比较。对比分析表明 ,在磁静日中两个地区以平静的脉动为主 ,南极长城站有时出现Pc1 /Pc4- 5脉动 ,北京地区会出现 Pc3脉动。Pi脉动出现很少。但在磁扰日中 Pi型脉动出现次数明显增加 ,还会出现在对应的小时段上。不过长城站的 Pi脉动往往比北京地区强些。     

2000年7月重大太阳事件的极隙区纬度观测研究

20 0 0年 7月 ,太阳表面发生了一系列的耀斑与日冕物质抛射事件 ,最大耀斑能级达X5 .7/3 B。地球表面发生相应特大磁暴 ,Dst指数最大负偏达 - 3 0 0 n T。中国南极中山站地处极隙区纬度 ,白天位于磁层极隙区 ,夜间位于极盖区 ,以多种高空大气物理观测设备详细记录了该磁暴过程。对有关数据的分析表明 ,高能粒子引起电离层吸收急剧增加 ,测高仪数据两天多信号空白 ,宇宙噪声吸收显著增加 ;地磁 Pc3 /5脉动增加与行星际磁场南向分量密切对应 ,显示行星际磁流体波对激发磁层脉动的贡献 ;磁暴主相期间 ,Pc3 /5脉动大幅度增加 ;极区地磁水平分量随南向行星际磁场变化 ,但滞后近 8小时 ;Dst指数与南向行星际磁场密切相关 ,磁暴受控于高度负偏的南向行星际磁场     

极隙区Pc3频段脉动的传播特性

南极中山站和戴维斯站 (不变磁纬 74.5°S)白天中午位于磁层极隙区 ,夜间位于极盖区或极光带的极向边沿。两站均安装了完全相同的感应式磁力计。选择两站 1 997年 3月和 1 996年 6、9、1 2月的数据 ,运用快速傅立叶变换和波形检查方法选择 Pc3频段脉动事件 ,然后用信号互谱技术进行统计分析 ,结果如下 :在中山站 -戴维斯站 ,Pc3频段脉动主要出现于白天中午 /磁中午和磁午夜附近 ;白天 ,Pc3频段脉动振幅、出现率和出现的时间范围均有一定的季节变化 ,冬季最小 ,但在夜间 ,Pc3频段脉动没有这种变化 ;夜间 ,Pc3频段脉动振幅比在白天大许多 ;Pc3频段脉动传播方向 ,白天主要向西 ,夜间不太规则。这些可能反映了电离层电导率和日侧电离层电流系统对 Pc3频段脉动的影响。     

午后多重极光弧观测研究

本文利用2001-2003年南极中山站175天全天空摄像机观测,对午后多重极光弧的出现率及其与Kp指数的关系进行了统计分析,结果表明午后多重极光弧出现率呈一单峰分布,最大发生率出现在1445UT(1645MLT),其位置在1500MLT极光热点(1300-1700MLT)近夜侧的部分。与地磁活动指数Kp的相关统计分析表明,Kp值为2-3之间时多重极光弧有较大的出现率,这说明中等地磁活动情形下午后多重极光弧有较高的出现率。事件分析表明多重极光弧的强度变化与地磁Pc5脉动具有较高的相关性,并且有类似的频谱特征,这说明午后多重极光弧可能与同时出现的Pc5地磁脉动有关。     

日侧弥散极光对太阳风动压增强的响应

太阳风动压的显著变化能导致沉降进入极区电离层的能量粒子通量以及磁层-电离层电流系发生扰动。磁层高能粒子沉降到极区上层大气并与中性气体碰撞所激发的弥散极光,能够对这种扰动做出相应的响应。基于斯瓦尔巴特（Svalbard）群岛新奥尔松（Ny-?lesund）地区北极黄河站优越的地理优势,我们利用安装在黄河站的极光全天空成像仪观测到了日侧弥散极光对太阳风动压增强的响应。通过2006年1月2日事件观测显示,随着太阳风动压的增强,日侧弥散极光在极光卵赤道向部分首先点亮并逐渐向高纬扩展,同时地磁环境也受到相应扰动影响。我们认为,随着太阳风动压的增强,日侧磁层顶受到压缩,磁层内波粒相互作用导致投掷角散射增强,使得沉降进入极光卵赤道侧电离层的高能粒子数密度增大,进而导致日侧弥散极光强度增强。     

基于北极黄河站观测的日侧极光研究新进展

回顾了基于中国黄河站全天空极光观测对日侧弥散极光与喉区极光研究的最新进展。首先,利用黄河站极光观测,对日侧弥散极光展开系统性分类与统计研究,对这一重要空间物理现象取得新认识,指出日侧弥散极光对研究日侧外磁层冷等离子体的分布、形成及磁鞘粒子进入磁层都具有重要启示作用;同时发现并定义了一种新型分立极光结构——喉区极光,并推断其可能对应磁层顶的局地变形。喉区极光是指发生在电离层对流喉区附近、从极光卵赤道侧向低纬方向延伸出来的分立极光结构。全天空极光观测表明喉区极光走向大致与电离层对流方向一致。之后,观测验证了喉区极光对应磁层顶局地内陷式变形的推测;统计发现喉区极光是一种非常高发的现象,对应的磁层顶变形尺度可达2—3 Re,并指出这种变形最可能由磁鞘高速流冲击磁层顶产生;发现在喉区极光产生过程中还可能触发磁重联;证实伴随喉区极光的产生,磁鞘粒子会进入磁层并诱发产生一种新型弥散极光。通过喉区极光研究,可以将已有的磁鞘瞬态过程研究和触发式磁重联研究有机地结合在一起,对太阳风-磁层耦合过程形成一种新的认识,即:在磁鞘中局地产生(而不是存在于太阳风中)的瞬态过程可以在日下点附近频繁地导致磁层顶局地变形、触发重联、引发系列地球空间效应,可能对太阳风-磁层耦合具有不可忽略的重要性。以此为基础,讨论了日侧极光研究引出的新课题。     

不同行星际磁场条件下极向运动极光结构的多手段联合观测

本文利用北极黄河站三波段全天空成像仪（ASI）的高分辨率的地面极光观测数据,联合欧洲非相干散射雷达（EISCAT）Svalbard雷达（ESR）,超级双子极光雷达网（SuperDARN）雷达等观测,研究了发生在2003年12月22日0900-1010 UT时间段内极区电离层极光和等离子体的变化特征。研究发现在不同行星际磁场（IMF）条件下,黄河站极光ASI均观测到了一系列极向运动极光结构（PMAFs）,其特征为极光在赤道向一侧点亮后向高纬扩展。这些PMAFs都伴随有明显的粒子沉降特征,且在IMF北向时该粒子沉降能达到更低的电离层E层区域,而此时这些PMAFs相应位置的高纬电离层出现了一个典型反向对流涡,这是高纬（尾瓣）重联的典型特征之一。这些结果表明北向IMF条件下的这些PMAFs是由高纬重联所产生。在IMF南向时,黄河站观测到的PMAFs可跨越更广的地磁纬度,表明其演化时间亦较长,其相应区域的电离层特征也表明该PMAFs由日侧磁层顶低纬磁重联所产生。     

径向行星际磁场下的场向电流的统计学研究

基于CHAMP卫星高精度磁场观测数据,对2001—2009年径向行星际磁场(RIMF, radial interplanetary magnetic fields)条件下的场向电流的分布特征进行了统计学分析, 并与2001—2009年期间场向电流的平均强度进行了对比研究, 结果表明：正午时刻场向电流的平均强度对地偶极子倾角有明显线性依赖, 冬夏季电流强度比值约为3左右, RIMF条件下冬夏季比值降为2;相对年平均值来说, RIMF条件下行星际磁场总幅度、重联电场、太阳风动压均有所减小, AE指数减弱, Dst指数略有降低;在通常情形下重联电场是场向电流很好的控制参数, 但是在RIMF下, 重联电场不再与电流强度相关;北半球电流强度在向地IMF条件下大于向日IMF, 而南半球则相反, 虽然RIMF条件下场向电流的均值小于年平均值, 但是正午时段场向电流强度大于年平均值的概率大约为0.2, RIMF条件下仍然有地磁扰动事件(比如亚暴事件)发生。     

极隙区纬度Pc1-2波的统计分布特征

利用南极中山站和戴维斯站观测的感应式磁力计数据,运用互谱分析方法统计分析了2004年3、6、9、12月的Pc1-2波事件,研究了Pc1-2波出现频次、中心频率和振幅对季节和磁地方时的分布。结果共获得有效Pc1-2波事件2932件,其中,出现在3、9月较多,分别占51.4%和26.1%,12月次之,占18.6%,6月最少,占3.8%。两站的Pc1-2波事件有59.8%出现在磁中午(0800—1000 UT)附近,且在午后靠近磁中午的时候Pc1-2波的中心频率比在午前靠近磁中午的时候大,振幅则在0800 UT时出现最大值;此外,在6月,Pc1-2波的平均中心频率最大,而平均振幅则最小。这些结果表明,极隙区纬度Pc1-2波的传播在很大程度上受电离层电导率的影响。     

径向行星际磁场下的场向电流统计学研究

基于CHAMP卫星高精度磁场观测数据,对2001—2009年径向行星际磁场(RIMF,radial interplanetary magnetic fields)条件下的场向电流的分布特征进行了统计学分析,并与2001—2009年期间场向电流的平均强度进行了对比研究,结果表明:正午时刻场向电流的平均强度对地偶极子倾角有明显线性依赖,冬夏季电流强度比值约为3左右,RIMF条件下冬夏季比值降为2;相对年平均值来说,RIMF条件下行星际磁场总幅度、重联电场、太阳风动压均有所减小,AE指数减弱,Dst指数略有降低;在通常情形下重联电场是场向电流很好的控制参数,但是在RIMF下,重联电场不再与电流强度相关;北半球电流强度在向地IMF条件下大于向日IMF,而南半球则相反,虽然RIMF条件下场向电流的均值小于年平均值,但是正午时段场向电流强度大于年平均值的概率大约为0.2,RIMF条件下仍然有地磁扰动事件(比如亚暴事件)发生。     

极区电离层与磁层-电离层耦合

本文利用欧洲空间局设在北极区的非相干散射雷达系统EISCAT的观测资料讨论磁层-电离层耦合。磁静日和磁暴期间的观测样本比较表明,磁层基本过程对极区电离层有重要影响。这不仅说明极区电离层可看作这些过程的“全景屏幕”,也表明在南、北极区(特别是磁共轭点)进行同时观测的重要意义。文中还对进一步的南极研究课题提出了一些建议。     

地磁Ap指数与太阳黑子数的交叉小波分析及R/S分析

利用1932~2009年间的地磁Ap指数和太阳黑子数资料,用交叉小波方法和R/S方法分析了地磁Ap指数和太阳黑子数的关系。分析结果表明,① 地磁Ap指数和太阳黑子数在高频段上显著带的形状有一定程度的相似性, 具有显著和稳定的8.02~11.35 a的振荡周期;在低频部分, 地磁Ap指数和太阳黑子数4~6月的周期变化不连续,仅在部分年份通过了95%的红噪声检验。② 地磁Ap指数和太阳黑子数在8.02~11.35 a的频段上具有显著的共振周期, 且在此频段上地磁Ap指数落后太阳黑子数1.5 a左右稳定的相位变化。地磁Ap指数和太阳黑子数在低频部分存在4~6月共振周期, 但二者的位相关系不稳定。③ 地磁Ap指数和太阳黑子数时间序列的Hurst指数分别为0.79和0.81,表明地磁Ap指数和太阳黑子数都是持续的时间序列,且未来的变化将持续过去的变化趋势,具有长期记忆性和混沌特征。     

南极长城站哨声活动特征

本文利用1986年南极长城站的哨声观测资料,对磁暴期间的哨声活动、哨声发生率的日变化、季节变化及磁静日和磁扰日色散值的变化作了统计分析。结果表明,磁暴开始后20～27小时哨声发生率开始增加,逐渐达到最大值,持续5～15小时后下降到正常值。哨声发生率有着明显的日变化(有两个活动高峰)和季节变化(活动高峰期为地方冬季6～8月份)。色散值的日变化与地磁活动性有密切关系,在磁静日,色散值日变幅很小,在磁扰日色散值较大,其分布较分散。     

南极长城站Pc3地磁脉动特征

本文对南极长城站在１９９０年８月１６日至１９９０年１１月２０日的Ｐｃ３脉动进行了统计分析，研究典型Ｐｃ３脉动事件的出现频次、频率特征和偏振特性，并对南极长城站记录的Ｐｃ３脉动激发和传播机制做了理论研究。     

南极长城站地磁台的建设

南极长城站地磁台建成于1987年3月,它包括观测室、记录室和各类探头室等。建筑材料具有无磁性、保温的特点,结构采用防雪、抗强风的高架建筑形式。建成后即开展了地磁场的常规观测,并取得了不同周期地磁变化的记录资料,这些资料目前已整理成册,供分析研究。     

南极普里兹湾船载地磁三分量数据处理分析

船载地磁三分量测量仪(STCM)具有易携带、无时空限制、多参数测量等特点,在极地恶劣环境下,显然比拖曳磁力仪更具优势。对第29次南极科学考察获得的船载地磁三分量数据进行船磁干扰场的校正分离,获得相应的三分量数据以及总场。校正后地磁三分量数据与拖曳磁力数据进行对比,其标准差为47.56 n T,表明其在极区内工作性能良好,数据质量可靠。计算结果为我国首次在极区海域内获得的地磁三分量磁异常,有关的技术流程方法将为今后中国极地科考实施船载地磁三分量测量提供有效的技术支持。     

大风天气老哈河下游迎风侧谷坡的风速脉动特征

基于春季大风天气野外实地风速观测数据,从平均风速、风速脉动、风速脉动强度3个方面对老哈河下游迎风侧谷坡坡脚和坡顶的风速脉动特征进行了分析.结果表明:(1)在距地表0.50 m高度以上,坡脚和坡顶风速在时间序列上波动各自具有均一性;(2)风速脉动幅度随着距地表高度的增加而逐渐加大,其最大值超过4.00 m·s^-1.坡脚和坡顶的风速脉动频率各自具有一致性,但脉动频率不稳定;(3)风速脉动强度基本一致,随高度增加而逐渐增大.在0.50 m高度以上,风速脉动相对值(阵性度)基本稳定,但坡顶的阵性因谷坡的干扰而相对减弱.     

脉动风场下风沙流结构的数值模拟

 基于野外观测实验和Langevin方程对风场脉动的描述, 研究了脉动风场下沙粒的跃移运动以及风沙流结构特征。结果表明,脉动风场对沙粒的跃移运动有着显著的影响,沙粒粒径越小,脉动风场对跃移运动轨迹的影响越大;考虑风场脉动时给出的风沙流结构具有明显的分层特征,并与实验测量结果吻合得更好。     

基于DPS和GPS的南极中山站电离层TEC比较研究

基于南极中山站数字式电离层测高仪DPS-4D和GPS-TEC电离层闪烁监测仪的观测数据,比较研究了两者在2013年所得电离层总电子含量(TEC)随太阳辐射和地磁活动的日变化和季节变化特征。比较结果表明,南极中山站上空电离层TEC存在明显的极区电离层变化特性,这种变化特性大体与太阳辐射成正相关关系,而与地磁活动成负相关。尽管电离层TEC变化具有明显的晨昏不对称性,但都能有效地被DPS-4D和GPS TEC监测仪的数据计算获得,且两者相关系数达到0.86。结合中山站所处的极区电离层位置,考虑太阳辐射电离和地磁活动影响下的极区电离层对流以及中性大气成分改变,初步分析了DPS和GPS所得TEC结果有所差异的原因。