1998年8月6日亚暴期间极光电集流指数AE的特征分析

极光电集流指数(AE)被广泛用来定量描述由电离层电流引起的极光带地磁活动.AE指数也是宏观描述亚暴事件强度和发展过程的一个主要指标,它的优点在于简单直观和快速.本文对1998年8月6日系列亚暴事件的极光活动、电流体系和AE指数的形态特征进行了分析.结果表明,伪亚暴期间虽然AE指数大于500 nT 且有快速增长和缓慢恢复的形态,但是极光没有明显的极向或者赤道向的扩展,极区电流体系主要呈现对流特征;伪亚暴和亚暴期间AE指数的形态变化没有本质区别,但电集流中心的位置有很大差异.我们进一步分析了台站分布对AE指数计算的影响,探讨了伪亚暴和亚暴期间磁场扰动最大值所处的磁地方时的差异.     

亚暴期间电离层场向电流的分布特征——CHAMP卫星观测

场向电流在不同的等离子体区之间传递能量、动量和质量,是磁层与电离层之间的关键耦合过程.本文利用CHAMP卫星高精度的空间磁场测量数据,研究亚暴期间极区电离层场向电流的统计学分布特征.研究表明场向电流的大小与所在位置呈现明显的日夜和晨昏不对称性,具体为：（1）场向电流的大小与亚暴极光电急流指数（AL）密切相连,AL愈大,电流愈强,亚暴期间电流强度相对平静期来说可增加约5倍,昏侧和夜侧电流强度与AL指数的相关性较好,晨侧和白天侧两者相关性较差;（2）电流的峰值密度所在位置与AL指数的相关性不高,昏侧电流所处纬度低于晨侧,而夜晚电流所处纬度低于白天侧.     

水平分量磁变仪记录非线性对K指数测量的影响和K尺标准

本文分析了水平分量磁变仪非线性记录对Ｋ指数测量的影响。通过与国际参考台的比较，发现大连台目前测量磁扰在Ｋ〉４各Ｋ指数等级的频次分布偏高。认为测数偏高的重要原因是：（１）测定人员对非Ｋ变化的分辨技能影响，这也是Ｋ≤２事件测定数偏少的主要原因。（２）水平分量磁变仪记录非线性的影响。（３）反映了区域地磁扰动场的特点。据国际参考台资料实测大连磁照图得到了实用新Ｋ尺，Ｋ＝９下限为３５０ｎＴ。大连Ｋ指数测定偏     

地磁扰动的时空变化规律和产生原因：统计和模拟研究

地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents,GICs）是发生在地球表面的一种空间天气现象,对石油管道、电缆等长距离地面基础设施会产生不利影响.研究GICs的产生原因及其与太阳风驱动条件的关系对于预报灾害性空间天气具有重要意义.由于GICs的产生与地磁场扰动紧密相关,本文利用北半球100多个地磁台站的长期监测数据,统计分析了地磁扰动及其时间变化率（磁扰率）与各种太阳风参数/地磁指数之间的相关性,并以2013年3月17日的磁暴事件为例,采用全球空间天气模型框架（space weather modeling framework,SWMF）模拟了磁暴期间地磁场扰动在北半球的分布以及日地空间中各电流体系对地磁扰动的作用.研究结果表明：（1）中低纬度的地磁扰动北向分量B_x与表征环电流强度的SYM-H指数呈现较高的正相关性（相关系数CC=0.75）,高于它与亚暴AE指数以及其他太阳风参数的相关性,说明磁暴期间环电流是导致中低纬度北向磁场减弱的主因,而在平静期间东向的磁层顶电流是中低纬度北向磁场增强的原因;（2）地磁扰动率与太阳风动压、行星际磁场IMF B_z、亚暴AE指数或者磁暴SYM-H指数均没有强相关性;（3）高纬地区的磁扰率通常大于低纬地区,而较强的磁扰率倾向于出现在中等磁暴或者中等-强亚暴期间的中高纬地区;（4）SWMF模型能较好地反演地磁平静时的北向地磁扰动和磁暴时的东向地磁扰动;（5）磁暴期间,磁层电流对中低纬度北向地磁扰动的贡献最大,而电离层霍尔电流对高纬地区的北向地磁扰动有着很强的支配地位;另外,高纬地区的东向地磁扰动主要由霍尔电流控制,而中低纬地区则受制于场向电流.

     

对AE指数的讨论：是否适用于磁层相空间重构

分析表明,目前广泛应用的ＡＥ指数虽然在一定程度能反映极区地磁活动特征,但其物理意义不清,不能描述亚暴活动的物理过程,不宜用来作磁层相空间重构等非线性过程的研究。ＡＵ和ＡＬ虽是不可缺少的描述极光电集流活动的指数,但仍须消除规则日变化ＳＲ的影响、改进推导方法（和台站布局）。     

地磁台观测仪器组合方式的讨论

本文从中国地磁台站实际情况出发,由磁照图基线基本理论入手,讨论了测定磁照图基线的观测仪器各种组合方式,指出在中国各种磁纬度情况下,各种观测仪器组合方式带给基线的误差,最后得出在各种磁纬度下较好的观测仪器组合方案。供全国各地磁台配备各种观测仪器时参考。     

基于CARISMA地磁台链观测的IPDP事件的统计分析

亚暴期间磁尾等离子体片离子注入内磁层能够激发电磁离子回旋(EMIC)波.对应于这种EMIC波,地面磁力仪可观测到周期逐渐减小的地磁脉动(IPDP).利用GOES卫星数据,地磁指数和加拿大CARISMA地磁台站的数据,我们研究了IPDP事件的产生与亚暴磁尾注入的关系.同时利用CARISMA地磁台链中的MCMU和MSTK两个台站,从2005年4月到2014年5月期间的观测数据,统计分析了亚暴期间的IPDP事件,研究了IPDP事件的出现率关于季节和磁地方时的分布特征.我们总共获得128个两个台站同时观测的IPDP事件.该类事件关于季节分布的发生率,冬季最小,为13.28%,春季最大,为32.81%,结果表明IPDP事件关于季节分布的发生率受到电离层电导率及亚暴发生率的影响.两个台站同时观测到的IPDP事件最大出现率出现在15—18 MLT(磁地方时),结果表明IPDP事件主要由亚暴期间产生的能量离子注入内磁层,西向漂移遇到等离子体层羽状结构(Plume)区的高密度等离子体所激发.     

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.     

磁情指数∑_K和A_K小议

近来,在一些论及地磁扰动场的文章中,常见到用∑_K(一天中8个时段的K指数相加)来表示一天的磁扰程度。 众所周知,K指数是表征地磁场扰动程度的一种磁情指数,它反映一天里不同时段的地磁活动情况。由于K指数和其对应的磁扰幅度阿R(H)之间不是线性关系,而是类似对数的关系,因此不能将它们相加。     

中磁尾重联触发亚暴的单事例分析

磁层亚暴的发生与近磁尾（约6～8 R_E）电流片中断和中磁尾（约20～30 R_E）磁场重联密切相关,而极光的极向扩展、电流片中断和磁尾重联的时序过程对于认识亚暴的触发机制至关重要. 本文利用位于中磁尾的CLUSTER卫星,同步轨道附近LANL-01、LANL-97卫星,近磁尾POLAR和 极区IMAGE卫星的观测,分析了单个亚暴事例.结果表明,在此事件中,中磁尾磁场重联起始比近尾电流片中断早3 min发生,电流片中断发生4 min后,IMAGE卫星观测到极光增亮,同时AE指数突然增大,亚暴膨胀相起始. 观测结果与亚暴中性线模型较为吻合.     

提高地磁观测记录质量的初步设想

一、引言地磁台担负着监视全国地磁场变化,为地磁学、震磁关系和相关学科的研究提供地磁数据,为区域磁测提供通化数据,部分台站参加国际资料交换等任务。我国地磁台的地磁观测系统由绝对观测和相对记录仪器所组成,这是一个相当长时期内的基本状况。地磁台提供长期、连续、可靠的观测数据,主要体现在:①产出连续可靠的地磁信息磁照图。②精确测定地磁场绝对值。③编制地磁观测报告、磁暴报告等供资料交换使用。近年来,由于地震监测、地磁学科研究工作的需要,对地磁观测质量提出了越来越高的要求。     

一种基于紫外极光图像的亚暴膨胀期起始时刻的自动检测方法

准确界定亚暴起始时刻是理解亚暴相关问题的关键.已有研究主要集中在两方面:一是从极光图像中人工挑选亚暴事件进行案例分析或统计分析来研究亚暴发生机制及亚暴期间的地磁环境;二是基于一些空间物理参数,如AE指数、SME(SuperMAG electrojet)指数、Pi2、正弯扰等,采用人眼判断或是模式识别的方法从中找出亚暴起始时刻.本文尝试采用模式识别的方法从紫外极光图像中自动地检测出亚暴膨胀期起始时刻.首先,将紫外极光图像通过网格化处理转换到磁地方时-地磁纬度(MLT-MLAT)直角坐标下,然后通过模糊c均值聚类方法提取亮斑,再考察亮斑强度是否增强、面积是否极向膨胀来判断是不是亚暴事件.本文方法在1996年12月—1997年2月这三个月的Polar卫星紫外极光图像上进行了实验验证.我们将检测到的亚暴起始时刻与Liou(J. Geophys. Res., 2010, 115: A12219)的人工标记进行了对比,并详细分析了与标记不一致的多检和漏检事件.本文提出的自动检测方法可以快速地从海量紫外极光图像中完成亚暴事件的初步筛选,方便研究人员进一步深入研究极光亚暴.     

2005年8月24日磁暴主相期间亚暴过程的多卫星联合观测分析

本文根据OMNI、TC-2卫星、LANL系列卫星、Cluster星簇卫星(C1—C4)以及加拿大的8个中高纬地磁台站的观测数据,研究了2005年8月24日强磁暴(SYM-Hmin~ -179 nT)主相期间的强亚暴(ALmin~ -4046 nT)事件特征.该强磁暴在大振幅(IMF Bz min~ -55.57 nT)、短持续时间(~90 min)的行星际磁场条件下产生,有明显的磁暴急始(SSC),强度较大且持续时间较短.发生在磁暴主相期间的亚暴发展的主要特征如下:亚暴增长相期间,C1—C4卫星先后穿越中心等离子体片;亚暴膨胀相触发后,在近地磁尾(X~-6RE)可观测到磁场偶极化现象;等离子体无色散注入区在亚暴onset开始后迅速沿经向扩展,但被限制在有限的经度范围;磁纬60°附近,Pi2地磁脉动振幅超过了100 nT.膨胀相开始后,在中、高磁纬地磁台站可观测到负湾扰,近地磁尾可观测到Pi2空间脉动,中磁尾区域可观测到尾向流、磁重联以及O+/H+数密度比值在亚暴onset之后增大等现象.分析表明该强磁暴主相期间的强亚暴现象发生时序是自内向外:X~-6RE处TC-2观测到磁场偶极化(~09:42:30 UT),同步轨道卫星LANL1994-084观测到等离子体无色散注入(~09:44:30 UT),X~-17.8RE处C1观测到磁场重联(~09:45:30 UT),由此推断该亚暴事件很可能是近地磁尾不稳定性触发产生,其发生区域距离地球很近.     

关于记录图缩微和编写台志的建议

地震图和磁照图是地震事件部分地球物理场的真实反映。它是地震、地磁学研究的基础。我国是一个多地震的国家,先辈给我们留下了宝贵的文字记载和仪器记录,为开展地震予报,地震研究和国际资料交换创造了条件。 1874年,我国已经安装了地震、地磁记录仪,1957年已有相当规模(具备参加国际地球物理年的地震台12个、地磁台4个到1980年投入工作的地震台415个,地磁台201个),     

利用单台地磁数据估算Ap和Kp指数的可行性分析

通过分析单台长期地磁场扰动幅度和地磁行星指数Ap和Kp关系,对1小时磁扰幅度rH的日平均与Ap进行拟合,快速估算Ap指数.对3小时内rH的平均与Kp进行对数拟合,估算Kp指数.采用肇庆地震台2003-2008年地磁H分量分钟值数据,估算行星Ap和Kp指数,与世界数据中心(WDC)给出的Ap和Kp指数进行统计分析.结果发...     

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.

     

极光电激流的地方时和季节变化特性研究:CHAMP卫星观测

极光电激流是极区电流系的重要组成部分.本文利用CHAMP卫星10年的高精度标量磁场数据研究了极光电激流的地方时和季节变化特征,并对卫星与地面台站观测到的极光电激流进行了对比分析.结果表明,日侧极光电激流主要受太阳辐射的影响,而夜侧极光电激流主要受亚暴的影响.极光电激流具有明显的年、半年变化特征.夏季东向电激流和日侧西向电激流强于冬季,而夜间西向电激流冬季强于夏季.东向电激流和日侧的西向电激流在两至点增强,夜侧的西向电激流则在两分点增强.西向电激流与AL、SML指数有较好的相关性,东向电激流与SMU指数有较好的相关性,而与AU指数有一定差异,这与地磁台站的有效探测范围有关.     

用我国地磁资料对磁层大尺度扰动之赤道电急流效应的初步分析

本文利用我国琼中、广州、泉州三站1982-1983年地磁Z分量资料,对磁暴主相发展及恢复相初期的赤道电急流变化进行了研究。形态分析、周期叠加和相关分析均表明,不论在何地方时,对应环电流的发展有△Z的负扰（附加东向电急流）;而D_st开始回升则有△Z的正扰（附加西向电急流）。该变化之大小可能受地方时的调制。方差分析、x²-分析等统计检验也认证了上述变化。文中还对△Z正、负扰与极区电急流及极尖区位置的高、低纬向移动进行了讨论。本文结果表明,分析扰日赤道电急流变化应区分磁暴的不同阶段,即区分电动耦合和动力耦合效应。今后应采用大范围台站网资料,进一步得出有关电流系的图象。     

日偏食对低纬地磁场的影响

１９９５年１０月２４日日偏食期间，我们在海南省琼中进行了地磁场总强度的观测和分析，同时运用该地磁台三分量磁照图，分析了地磁Ｄ场Ｄ、Ｈ、Ｚ三分量在日偏食期间的变化特征。结果表明：日偏食期间，磁偏角初亏后逐渐偏东，食甚后偏西；水平强度和总强度初亏后逐渐变小，食甚后上升；垂直强度初亏后逐渐变大，食甚后约１个小时变小。     

亚暴期间等离子体对流速度及热层纬向风速度变化的统计学分析

本文利用2001年至2005年间CHAMP卫星及DMSP(F13,F15)卫星观测数据,对亚暴发生前后,亚暴初始位置所在磁地方时(Magnetic Local Time, MLT)东侧2 h(+2 h,MLT)至西侧4 h(-4 h,MLT)范围内等离子体对流速度(Vy)及热层纬向风速度(Uy)的变化进行了统计学分析.研究发现在亚暴发生后的1.5 h内,所有MLT区间的Vy均明显增大,且峰值位置的地磁纬度向赤道侧移动,1.5 h后,Vy减小,峰值的纬度向极区移动,表明亚暴的发生能显著增强等离子体对流速度;在亚暴发生位置的西侧0~2 h内,Vy增幅最大,这表明亚暴对热层的影响主要在西侧,影响最大的区域是西侧0~2 h MLT区间;Uy在亚暴发生后3 h持续增大,其对亚暴的响应相较于Vy有1.5 h的延迟.