热层风场的理论模拟与分析

通过求解中性大气Navier Stokes动量方程建立了一个时变的三维风场理论模式，利用目前新版的中性大气模式NRLMSISE 00及国际电离层参考模式IRI2000作为输入参数给出热层风场. 基于该模式，计算得到中等太阳活动年磁静日风场的变化形态及其受电场和离子曳力的影响. 同时，将Navier Stokes动量方程作不同形式的简化，并利用简化模式与本文的模式计算结果的对比，分析中性大气Navier Stokes动量方程中黏性项以及非线性项(U·Δ)U的作用. 结果表明，本文所建立伪三维风场模式给出的结果更为合理，而简化模式在某些地区尤其在低纬和赤道区不适用，黏性项及非线性项的作用不可忽略. 本文所建立的风场模式将对研究电离层动力学过程、电离层与热层的耦合过程以及空间天气学研究都有着重要意义.     

关于暴时电离层电流分布的南北半球不对称性

采用国际上广泛认可的高层大气和电离层经验模式提供的各种参数, 通过电离层电流连续方程, 计算出强磁暴条件下6月至日和12月至日内, 磁纬±72°和磁地方时00:00～24:00之间电离层电场、电流等的分布. 计算中考虑了地磁和地理坐标间的偏离; 除中性风场感生的发电机效应外, 还包含了磁层耦合(极盖区边界的晨昏电场和二区场向电流)的驱动外源. 结果表明, 6月至日时, 磁层扰动自极光区向中低纬的穿透情况在南、北半球内基本接近, 北半球内略强; 但12月至日时, 呈现明显的不对称性, 南半球的电流穿透远强于北半球, 而电场的穿透则是在北半球更强. 无论南北半球, 在中高纬地区, 午夜至黎明时段出现较强的东向电场分量, 其[WTHX]E×B[WTBZ]的向上漂移效应, 正是解释我们以往不少研究现象中所期盼的物理机制.     

热层大气密度反演与建模研究进展

热层是位于地球表面大约90 km到近1 000 km的大气圈层,它与电离层和低层大气都存在着复杂的耦合关系;同时热层作为人类航天器空间活动的主要区域,其大气直接影响着各类低轨航天器的运行轨迹.近年来,热层大气观测资料的逐步增加推动了热层大气变化特性的研究和大气模式的发展.本文首先综述了基于多源卫星观测数据的热层大气密度反演算法.着重介绍了基于精密轨道数据以及加速度计数据反演密度的主要算法,以及各种反演策略的优缺点.总结了当前工程常用的MSIS、Jacchia以及DTM热层大气模式在数据源、算法实现过程及其适用范围等方面的异同.接着介绍了基于当前最新大气密度观测数据结合已有大气模式,应用多项式、稀疏矩阵拟合以及数据同化等技术的大气模式优化研究进展.最后概述了基于观测数据研究热层大气响应磁暴、耀斑以及日食等空间事件方面的科学进展.     

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.     

热层大气潮汐微分算子与微分积分方程

本文进一步讨论了热层大气潮汐微分算子的问题,求得了有平均风场及风切变时的微分算子;从有限汉克尔（Hankel）变换的反演,求得了热层大气结构的微分积分方程,并讨论了这一方程的求解问题。     

热层氧原子基态3P的精细结构能级的激发温度

本文讨论热层中氧原子与电子及中性粒子的碰撞,对氧原子在基态2P⁴³P的精细结构能级上布居的影响。计算了750K和2000K两个热层模式的、夜间和白昼、140至400公里高度间的精细结构能级激发温度。计算中,采用了一系列³P₁态的中性粒子碰撞去激发等效截面的假设值。基于Takao Tohmatsu由研究日气晖氧原子1302埃三重线相对强度提出的意见,得到各热层状态的激发温度下限值。     

北京上空热层钠层的激光雷达观测

热层金属层位于电离层E层和F层的过渡区域,为研究105～200 km之间的中性和电离成分的相互作用过程提供了独特的示踪剂.为更好地了解热层金属层的来源和形成机制,本文基于北京延庆台站(40.42°N, 116.02°E)的高精度钠荧光共振激光雷达的数据,根据观测到的热层钠原子层的形态特征和出现规律等以及参考先前的研究报道,将该台站上空的热层钠层主要归类为四种：低热层突发钠层、天亮前热层-电离层钠层、午夜热层-电离层钠层和中纬度热层-电离层钠层.我们对最后一种热层钠层进行了仔细研究,基于2018—2020年415个观测夜共约3914 h的数据,找到了17个该事件(出现率仅4.1%,且多发于冬季).在14个完整事件中,仅约35.7%(5/14)的事件出现时间与附近地基台站观测到的电离层突发E层相似,但均早于电离层突发E层;剩下的9次事件与最近的突发E层的时间相差范围为2.5～8.6 h.因此,我们认为中纬度热层-电离层钠层与电离层突发E层相关性较弱,它应该有着其他可能的形成机制.     

热层大气密度对太阳辐射27 d短期震荡的响应规律

在近地空间目标和碎片的定轨预报任务中,需要准确计算热层中性大气密度。太阳辐射约27 d周期的短期震荡是影响大气密度的一种重要的空间环境因素,它会引起大气密度在全球尺度上的涨落。选择CHAMP、GRACE-A和SWARM-C这3颗极轨卫星星载加速仪数据推导出的大气密度资料,提取其中的27 d短期变化信号,与太阳极紫外辐射(S₁₀指数)的27 d短期变化进行多元回归分析,研究热层大气密度对太阳辐射短期变化的响应规律,及其在不同高度、辐射水平、昼夜半球和纬度等方面的差异。结果表明：太阳辐射短期变化对大气密度的影响与高度负相关(主要因素)、与辐射水平正相关(次要因素);对白天半球的影响是夜间半球的约2倍;在白天半球,辐射影响随着纬度增大而减弱,夜间半球恰好相反。将以上观测结果与NRLMSISE00模型模拟结果对比,发现模型低估了太阳辐射短期变化对大气密度影响的(50%～60%),且低估了高度差异,但高估了辐射水平差异。利用SOHO卫星对太阳26～34 nm波长极紫外辐射1 h分辨率的测量值,研究了大气密度对辐射的响应延迟时间,约为18 h (0.75 d)。研究结果对于优...     

基于全天空F-P干涉仪反演热层垂直中性风

由于测量与计算的难度,对热层垂直中性风的观测还很不够,这影响了人们对热层及热层-电离层耦合的认识.本文基于全天空法布里-珀罗干涉仪(FPI)对热层风场的观测,提出了一种反演垂直中性风的方法.利用该方法,对北极黄河站全天空FPI观测数据进行了垂直中性风的反演计算,结果表明,高热层与低热层的垂直风平均幅值分别在40 m·s^-1和15 m·s^-1,且垂直风日变化表现出明显的时间演变特性,且与地磁ap指数的变化有一定的相关性,在地磁活动强烈时,低热层垂直风会出现高达100 m·s^-1的扰动,高热层甚至会达到300 m·s^-1的扰动,这些特征与其他学者的观测结果相一致.本文方法不需要假设垂直风均值为零,也不用限制FPI的观测方位,可用于垂直风的反演.     

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2h(+2h,MLT)至西侧4h(-4h,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1.5h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,1.5h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0~2h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0~2hMLT区间;Uy在亚暴发生后3h持续增大,其对亚暴的响应相较于Vy有1.5h的延迟.