基于经验正交分析法的暴时热层大气密度时空分布规律

本文选取2002-2006年期间的36个强磁暴为研究对象,对CHAMP卫星加速度仪反演的实测大气密度进行经验正交分解,研究暴时热层大气密度的纬度分布特征,以及大气密度与ap指数、Dst指数的关系.结果表明,大气密度的纬度分布与季节相关,夏季半球的密度大于冬季半球,春秋季节南北半球的大气密度几乎对称分布;春秋季节白天大气密度在低纬地区呈现出赤道密度异常结构,在中高纬地区密度随纬度增加而减小,夜间则呈现抛物线的形状,赤道附近密度值最小.大气密度的纬度分布特征在若干天内具有良好的稳定性,发生时间相近的磁暴事件,纬度分布曲线非常相似,并且暴前与暴时的纬度分布变化不大.相关性分析表明,大气密度滞后ap指数2~6 h,相对Dst指数平均提前0~1 h,对磁暴的响应速度在日照区比在阴影区快,大气密度与ap指数、Dst指数具有较好的相关性.     

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.     

赤道附近局地激发LS-TAD的事例观测

大尺度行进式大气扰动(LS-TAD)通常被认为起源于极区高纬,本文报道了一起激发于低纬赤道地区、在北半球向高纬传播的LS-TAD观测事例.2002年8月10日07:30 UT,CHAMP卫星在30°W磁赤道附近观测到显著的大气密度增强,在随后的2个连续轨道上,该密度增强依次出现在北半球更高纬度上,表现出明显的极向位移,...     

利用COSMIC掩星探测分析120°E经线附近电离层E层闪烁指数变化

利用气象、电离层和气候卫.星联合观测系统COSMIC掩星2007-2013年探测资料,分析了120°E经线附近电离层E层区域(70~140km)闪烁指数的季节、地方时和空间变化.结果表明强电离层闪烁主要集中在磁纬度±30°内,夏季达到最大,冬季其次,春季最小.闪烁峰值大小与太阳辐射有关,但北半球夏冬季闪烁峰值大于南半球观测结果,秋半球闪烁峰值大于春半球观测结果.地磁高纬地区较强闪烁现象出现在地方时傍晚之后,午夜前后达到最大值.地磁中纬和低纬区域日出后即出现较为明显的闪烁现象,一直持续至夜间甚至凌晨,分别约在中午和傍晚前达到最大值.磁赤道区闪烁现象通常始于地方时日出后,最大值发生在傍晚1800LT左右.电离层E区的闪烁峰值大都集中110km高度,但高纬地区的峰值高度略有降低.此外,太阳和地磁活动的增强一定程度上会抑制E层闪烁现象.相关研究结果有利于分析E层不规则结构及物理形成机制,同时为电离层区域闪烁模型的建立提供有用的信息.     

冬季太阳11年周期活动对大气环流的影响

利用气象场的再分析资料和太阳辐射活动资料,对太阳11年周期活动影响北半球冬季(11月~3月)大气环流的过程进行了统计分析和动力学诊断.根据赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的东、西风状态对太阳活动效应进行了分类讨论,结果表明：东风态QBO时,太阳活动效应主要集中在赤道平流层中、高层和南半球平流层,强太阳活动时增强的紫外辐射加热了赤道地区的臭氧层,造成平流层低纬明显增温,同时加强了南半球的Brewer-Dobson(B-D)环流,引起南极高纬平流层温度增加;而北半球中高纬的环流主要受行星波的影响,太阳活动影响很小.西风态QBO时,太阳活动效应在北半球更为重要,初冬时强太阳活动除了加热赤道地区臭氧层外,还抑制了北半球的B-D环流,造成赤道平流层温度增加和纬向风梯度在垂直方向的变化,从而改变了对流层两支行星波波导的强度;冬末时在太阳活动调制下,行星波向极波导增强,B-D环流逐渐恢复,造成北半球极地平流层明显增温,同时伴随着赤道区域温度的下降.     

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.     

极点热层密度变化特征及其受太阳风扇形结构调制

本文基于2002年至2010年的GRACE卫星的观测密度统计分析南北极点的热层大气密度的世界时（即磁地方时）变化.研究发现：在9—11月份地球处于行星际磁场为背向太阳的扇区内（背向扇区）时,南极点热层密度在约17∶00 UT（13∶30 MLT）达到最大值,比日平均值高约22%;而在6—8月份,当地球处于行星际磁场为面向太阳的扇区内（面向扇区）时,北极点热层密度在06∶00 UT（12∶30 MLT）达到最大值,比日平均值高约13%.南极点的磁纬是-74°,其在15∶30 UT处于磁地方时正午,恰与极尖区位置重合.北极点在5∶30 UT处于磁地方时正午,此时北极点与极尖区位置最靠近.因此,极点热层大气密度的磁地方时变化可能是其周期性靠近极尖区的结果.南北极点热层密度的磁地方时变化分别在背向和面向扇区内更明显,这可能与行星际磁场B_y分量对南北半球密度的不同影响有关.统计结果还表明,极点热层大气密度的磁地方时变化在冬季半球内不明显.这可能是由于在冬季半球,沉降于极尖区的粒子相比夏季半球少、沉降高度低,因而能量沉降所引起的热层上部的密度增强较小.     

南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系

本文对长江中下游夏季旱涝年前期（3、4、5月的季节平均）和同期（6、7、8月的季节平均）的南半球环流作对比分析,探讨南半球环流异常与长江中下游夏季旱涝的关系. 结果表明前期和同期南半球环流均有显著差异,春季南极涛动对长江中下游旱涝的影响较夏季显著,南半球副热带高压在春、夏两季中有很好季节持续性. 因此,春季南半球环流异常可以作为长江中下游夏季旱涝主要短期气候预测因子. 南、北半球中高纬环流相互作用是长江中下游夏季降水的一个重要因素,其可能的联系机制是从南半球高纬到北半球东亚沿岸经向分布的正压遥相关. 研究中还发现在长江中下游的涝年,整个对流层中南半球春、夏两季有持续增温,这说明了南北半球的温度梯度减弱也是东亚夏季风减弱的原因之一.     

南极涛动异常及其对冬春季北半球大气环流影响的数值模拟试验

利用IAP9L-AGCM模式考察了模式中与南极涛动异常相关的海温敏感区,发现南半球高纬海温异常能够强迫出南极涛动异常,而赤道东太平洋海温异常与太平洋南美型密切相关.研究了南极涛动异常对冬春季北半球大气环流及亚洲北部气温的影响,结果表明,南极涛动加强,能够引起北半球高纬环流异常和欧亚西风加强,以及亚洲北部地表气温和850 hPa气温显著增温.数值模拟支持了已有的诊断结果,也证实了冬春季节南极涛动异常下两半球高纬间的经向遥相关存在.     

全球纬向平均大气环流基本模态年代际变化的凝聚小波分析

应用1871-2008年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了1948-2008年期间全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化.小波凝聚谱的结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的20年左右周期的年代际变化.小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序.在20年左右的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度2个月,同时超前纬向平均流10个月出现变化;全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流8个月出现变化.全球温度上升(下降), 将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低);进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.20世纪70年代末期以来全球显著增暖的异常信号最早出现在南半球对流层顶附近,其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层.     

大磁暴期间TIEGCM模式和CHAMP卫星热层大气密度扰动特性的统计研究

本文统计分析了2001—2005年的39次大磁暴事件(Dst-100nT)期间TIEGCM模式和CHAMP卫星大气密度数据.研究结果表明,模式结果与实测数据具有较好的一致性,但仍存在一定的偏差.大气密度及增量与SYM-H指数相关性较好,并且随纬度、光照条件和地磁活动水平变化.模式低估了磁暴期间大气密度的增幅,特别是在地磁活动水平较强时模式与实测的偏差较大.模式的偏差在高纬地区高于低纬地区,日侧高于夜侧.Dst指数越低,偏差越大,而当Dst指数低于-150nT以后,绝对偏差和相对偏差变化不明显.     

2007-2012年Dstmin≤-50nT的中等以上地磁暴的行星际源统计

地磁暴的行星际源研究是了解及预报地磁暴的关键因素之一.本文研究了2007-2012年间的所有Dst_min ≤-50 nT的中等以上地磁暴,建立了这些地磁暴及其行星际源的列表.在这6年中,共发生了51次Dst_min≤-50 nT的中等以上地磁暴,其中9次为Dst_min≤-100 nT的强地磁暴事件.对比上一活动周相同时间段发现,在这段太阳活动极低的时间,地磁暴的数目显著减少.对这些地磁暴行星际源的分析表明,65%的中等以上地磁暴由与日冕物质抛射相关的行星际结构引起,31%的地磁暴由共转相互作用区引起,这与以前的结果一致.特别的,在这个太阳活动极低时期内,共转相互作用区没有引起Dst_min≤-100 nT的强地磁暴,同时,日冕物质抛射相关结构也没有引起Dst_min≤-200 nT的超强地磁暴.以上结果表明极低太阳活动同时导致了共转相互作用区和日冕物质抛射地磁效应的减弱.进一步,分析不同太阳活动期间地磁暴的行星际源发现:在太阳活动低年(2007-2009年),共转相互作用区是引起地磁暴的主要原因; 而在太阳活动上升期和高年(2010-2013年),大部分(75%,30/40)的中等以上地磁暴均由日冕物质抛射相关结构引起.     

外源S_q等效电流体系电流涡中心电流强度与太阳活动关系

本文选取了INTERMAGNET地磁台网2001年到2012年的地磁数据,对其进行世界时(UT)到地方时(LT)的转换后利用自然正交分量法(NOC)从所选资料中提取出太阳静日变化Sq成分,再通过球谐分析方法建立模型分离内、外源Sq成分,逐日反演出内、外源Sq等效电流体系,并得到外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度.本文将外源Sq等效电流体系南北电流涡中心电流强度与同一时期的Dst指数进行了对比分析,研究表明它们之间具有同步变化的规律,且北半球电流涡中心电流强度在磁暴发生时的异常现象远高于南半球.对F10.7cm太阳射电流量与外源Sq等效电流体系南、北半球电流涡中心电流强度的长短周期分析发现,Sq等效电流表现出明显的11年周期特点,与太阳活动周期一致.外源南、北半球电流涡中心电流强度和F10.7cm年均值的相关系数分别达到了0.93和0.90,说明太阳活动是导致外源Sq电流体系变化的最直接也最主要的因素,这可能与电离层电导率受控于太阳的电磁辐射相关.     

磁暴主相多阶发展行星际起因的初步分析

本文利用1998～2006年与磁云有关的80起中强磁暴(Dst*≤-50 nT),对其主相期间不同发展阶数磁暴的行星际起因进行了统计分析.重点研究了鞘区磁场单独作用、磁云本体单独作用、鞘区与磁云共同作用以及其他复杂行星际结构在磁暴主相多阶发展中的相对重要性,并对导致磁暴主相增加一阶的行星际起因做了初步分析.统计结果表明...     

Evidence of geomagnetic storm effects in the lower atmosphere: A case study

Disturbances produced by geomagnetic storms in the higher regions of the Earth’s atmosphere, such as in the ionospheric F2 region and in the lower ionosphere, are relatively better known than those produced at lower altitudes, where the effects of geomagnetic storms have been little studied. During magnetically perturbed conditions, some changes in pressure and temperature at high latitudes have been observed, from the surface level to heights of around 30 km, but there are no morphological studies and/or patterns of behavior. Moreover, the physical mechanisms are still unknown and what exists is a matter of controversy. Thus, the aim of this paper is to contribute to the vertical profile of the effects of geomagnetic storms as observed in the lower sectors of the atmosphere. For that, we study the variations of two atmospheric parameters (temperature and wind speed) during an intense geomagnetic storm (minimum Dst = −300 nT), at heights between about 6 km and 20 km. The data used were obtained from weather balloon flights carried out at low, mid and mid-high latitudes in different longitudinal sectors of the northern hemisphere, which took place twice per day: 00:00 and 12:00 UT. Small, but statistically significant changes in temperature and in zonal component of the neutral winds are observed at mid-high latitudes, which can be linked to short-term geomagnetic forcing. However, the results show different atmospheric response to the geomagnetic storm in the different longitudinal sectors at tropospheric and stratospheric levels, which suggests a regional character of the geomagnetic storms effects at tropospheric levels.     

太阳活动低年时太阳同步轨道电场高频(HF)波的观测特性研究

文章使用搭载在DEMETER卫星上的电场探测仪器(Instrument Champ Electrique,ICE)在太阳活动低年(2007年2月4日到2008年2月3日)所探测的数据,研究频率从10 kHz到3.33 MHz宽频段的高频(HF)电场波功率谱的空间分布特征.地磁宁静期间,从2.08 MHz到3.33 MH...