黄河站和Tromso站亚暴期间热层风场观测结果

中高层大气风场探测对研究大气物理过程具有极为重要的意义，尤其是在极地地区，风场对大气结构的影响更为剧烈.针对亚暴期间中国北极黄河站和日本Tromso站上空OI557.7nm气辉层（低热层）中性风场，利用全天空法布里-珀罗干涉仪（all-sky Fabry-Perot Interferometer，all-sky FPI）探测气辉谱线的多普勒频移，反演气辉层的大气风场信息.结果表明，低热层风场平均水平在100m·s-1左右，热层风场在极地地区更为剧烈，纬度相对较低的Tromso站探测到的风速整体小于同期黄河站上空的风速.结合离子风数据，分析离子拖拽和焦耳加热对中性风的影响过程，发现极光亚暴不仅对低热层风场有增强作用，也有明显的抑制效果，但整体风向都垂直于极光弧变化.      

夜侧极区电离层对流对行星际激波的响应

利用超级双子极光雷达网（Super Dual Aurora Radar Network,SuperDARN）高频雷达、北半球IMAGE地磁台链以及南极中山站的极光观测数据,研究电离层对流对2012年7月14日一个行星际激波扰动事件的响应.在18:10UT行星际激波到达地球并与磁层相互作用触发地磁急始和磁层亚暴,SuperDARN雷达观测到北半球夜侧极区电离层对流显著增强,观测视野覆盖黄河站的Hankasalmi雷达观测到从激波到达地球至18:33UT,电离层F层出现剧烈扰动,雷达回波数明显增多,并出现局部对流速度反转现象.18:33UT之后,观测到F层出现三块速度高达600m·s-1的逆阳运动不规则体.而与Hankasalmi雷达地磁共轭的南半球Kerguelen雷达探测到的回波主要来自E层,回波数量几乎无变化,但是Kerguelen雷达观测视野内的中山站全天空光学成像仪观测到极光活动显著增强.南北半球夜侧电离层观测结果的差异,主要是由于它们分别处于极夜和极昼.      

地球自转对北极黄河站观测日侧极光弧运动的影响

利用北极黄河站全天空极光数据,采用AACGM模型,将日侧极光弧映射到地磁坐标系,定量计算地球自转导致的极光弧运动速度.对于任意一条极光弧,其偏斜角定义为极光弧方向与当地地磁东西方向的夹角.研究发现,地球自转产生的速度由极光弧离开天顶的距离和偏斜角决定,其中偏斜角的影响更为重要,其还决定速度的方向.在4年的观测数据中,提取超过40000张出现极光弧的图像,计算极光弧偏斜角.计算结果表明,日侧极光弧的偏斜角随磁地方时增大而逐渐减小,并在大约10:00MLT（磁地方时）附近发生反转.由于偏斜角的反转,地球自转产生的极光弧运动在晨侧多为极向运动,到午后多为赤道向运动.相比午前,午后的运动更为明显,最大速度可超过300m·-1.      

一种用于测量高层大气风场的新型地基Fabry-Perot干涉仪

地表海拔大约250\,km高度处大气非常稀薄,目前被动光学观测是该层风场探测最有效手段.Fabry-Perot干涉仪(FPI)由于具有较高能量利用率及光谱分辨率等特点,是该层大气最有效的地基风场探测仪器之一.基于采用光路缩束系统及滤光片后置(标准具之后)方法研制的小型化FPI,2014年分别在河北廊坊(39.40°N,116.65°E)和山西岢岚(38.71°N,111.58°E)进行了地基观测试验,将观测数据与反演算法相结合得到高层大气风场数据,并将数据结果与美国大气研究中心两台FPI的风场数据进行了比较研究,在气辉整体辐射较弱的情况下得到岢岚站的风速平均反演偏差为11.8 m·s-1.      

TC-1和Geotail对亚暴过程中近地等离子体片磁扰动的联合观测

以2004年9月28日02:53:20 UT的亚暴为例, 通过TC-1在磁尾约12.5 R_e 和Geotail卫星在近地磁尾等离子体片约8～9 R_e的联合观测, 研究亚暴触发过程中近地磁尾等离子体片中等离子体波动特征. 结果表明, 亚暴触发区是近地磁尾中心等离子体片中较小的一个区域, 在亚暴触发区中低混杂不稳定性在近地磁尾等离子体片中存在, 准垂直传播的低混杂波发生在亚暴触发过程中, 而亚暴触发过程中近地磁尾等离子体片外边界区内的磁场偶极化信号和扰动都非常微弱. 在亚暴触发和亚暴膨胀相过程中出现了多次具有不同特征的磁场偶极化现象.      

近地尾向流和磁场——TC-1卫星观测结果

2004年10月12日,在01:30—04:30 UT期间,位于向阳侧磁层顶附近的Geotail卫星探测到行星际磁场为持续南向.此太阳风条件驱动了一个小磁暴,Sym-H指数在04:12 UT达到最小值-33 nT.在磁暴主相期间,AE指数维持在较高的水平,其最大值达400 nT.02:00—03:00 UT期间,TC-1卫星在近地磁尾(-10.6,3.2,-0.1)R_e处观测到明显的亚暴膨胀相特征和磁场偶极化过程.在偶极化前1 min,有较强的(v_x<-100 km/s)持续时间超过3 min的尾向流发生.分析发现该尾向流具有低温、高密度和沿磁场流动的特点,这说明尾向流具有来源于电离层风的特征.尾向流期间,TC-1观测的磁场分量B_x和总的磁场强度增加,磁倾角减小,磁场结构变成非偶极型,说明尾向流对磁场结构有一定的影响,文中尝试给出了相应的物理解释.观测表明,该事例中的近地磁尾尾向流可能对磁场偶极化过程的发生有重要意义.     

近地尾向流和磁场偶极化——TC-1卫星观测结果

2004年10月12日, 在01:30---04:30 UT期间, 位于向阳侧磁层顶附近的Geotail卫星探测到行星际磁场为持续南向. 此太阳风条件驱动了一个小磁暴, Sym-H指数在04:12 UT达到最小值-33nT. 在磁暴主相期间, AE指数维持在较高的水平, 其最大值达400nT. 02:00---03:00 UT期间, TC-1卫星在近地磁尾(-10.6, 3.2, -0.1)Re处观测到明显的亚暴膨胀相特征和磁场偶极化过程. 在偶极化前1min, 有较强的(v_x<-100 km/s)持续时间超过3min的尾向流发生. 分析发现该尾向流具有低温、高密度和沿磁场流动的特点, 这说明尾向流具有来源于电离层风的特征. 尾向流期间, TC-1观测的磁场分量Bx和总的磁场强度增加, 磁倾角减小, 磁场结构变成非偶极型, 说明尾向流对磁场结构有一定的影响, 文中尝试给出了相应的物理解释. 观测表明, 该事例中的近地磁尾尾向流可能对磁场偶极化过程的发生有重要意义.      

地基Fabry-Perot中高层大气风速反演及误差分析

基于子午工程地基法布里-帕罗干涉仪（Fabry-Perot Interferometer,FPI）的气辉观测数据,结合地基独特的观测模式（天顶角为0° 的天顶方向和天顶角为45°的东西北南四个方向）对地基中高层大气风速进行反演,包括数据预处理、干涉环圆心确定、干涉环半径计算和风速反演. 将2010年5月6-13日8天十个环（十个干涉环同时参与反演）的反演结果与地基FPI风速实测数据进行比较,得到557.7nm,630.0nm,892.0nm三种谱线气辉的反演平均偏差分别为2.7m·s-1,5.5m·s-1,7.7m·s-1. 此外,基于反演算法对上述反演精度影响因素进行了分析. 研究发现,气辉辐射强度对风速的反演精度影响较大,气辉辐射越强,外环的半径计算精度越高,可参与的反演环数越多,则最终的风速反演精度越高. 而圆心偏差± 2pixel（五个环）和± 1pixel（十个环）及焦距变化（±10mm）对风速反演精度的影响相对较小,但当超出这一偏差范围,风速反演偏差会迅速增大.      

太阳风扰动对极光电急流和环电流指数的影响

利用WIND卫星的太阳风观测数据和地磁活动指数, 研究了太阳风扰动对环电流SYM-H指数, 西向极光电急流AL指数和东向极光电急流AU指数的影响. 结果表明, 太阳风动压增长和减少能够同步或延迟引起地磁活动指数的强烈扰动, 其包括环电流指数的上升, 西向极光电急流指数的下降和东向极光电急流指数的上升. 太阳风动压的突然剧烈增加还能够触发超级亚暴和大磁暴. 太阳风动压脉冲引起的地磁效应具有复杂的表现形式, 这说明太阳风动压脉冲的地磁效应不仅与太阳风动压脉冲大小和持续时间有关, 还与磁层本身所处的状态有关. 时间尺度较长, 消耗能量较大的磁暴只有大的持续时间较长的太阳风动压脉冲才能激发.      

星载FPI探测低热层温度的研究

80～350km高度区域的大气温度与风场探测研究对于认识全球性空间动力学和日地耦合机制具有重要科学意义.法布里-珀罗干涉仪(FPI)能够通过分析接收光的干涉环反演计算出一定高度大气层的风场和温度.近年来,中国利用多种地基探测设备对中高层大气进行了观测研究,对于温度反演和星载探测技术的研究开始起步.本文基于系统传输函数和发射谱线函数的卷积,讨论了利用FPI探测高空大气温度反演计算的原理;分析了星载FPI探测的方法,根据星载FPI探测与地基探测的不同点,仿真了星载探测干涉图;结合中国观测技术现况及空间探测需要,讨论了发展星载空间环境探测仪的可行性.      

太阳活动低年低纬地区VTEC 变化特性分析

利用福州台站(26.1°N, 119.3°E, 磁纬14.4°N)电离层闪烁与TEC监测仪2006-2010年的观测数据, 对该地区垂直总电子含量(VTEC)进行时间变化特性分析. 结果表明, 春秋冬三季的VTEC平均最高值出现在06:00UT, 夏季出现在08:00UT, 所有季节的平均最低值均出现在21:00UT; VTEC变化存在季节异常和弱冬季异常, 春秋季节高, 冬夏季节低, 夏季VTEC比冬季低且最大值出现时间延迟; VTEC在2006-2009年呈现下降的变化趋势, 2010年开始增强, 年际变化与太阳活动及地磁活动变化趋势具有较好的对应关系; VTEC变化与太阳活动存在很好的相关性, 相关系数达到0.5以上, 地磁活动则显示了弱相关的特性; F_10.7与VTEC的相关性随着每天Kp指数总值Σ_kp的增大而减小.      

Case study of September 24–26, 1998 magnetic storm

We compute global magnetospheric parameters based upon solar wind data obtained from the WIND spacecraft upstream. Using the paraboloid magnetospheric model, calculations of the dynamic global magnetospheric current systems have been made. The solar wind dynamic pressure, the interplanetary magnetic field, the strength of the tail current, and the ring current control the polar cap and auroral oval size and location during the magnetic storm. The model calculations demonstrate that the polar cap and the auroral oval areas are mainly controlled by the tail current. The substorm onset at 0630 UT on September 25, 1998 happened near the minimum in the main phase field depression. The substorm expansion onset time is also marked by a sudden enhancement in the solar wind dynamic pressure and an enhancement in the tail current. The magnetic signatures of these two effects cancel each other, which explains why the D_st profile shows no strong time variation during the substorm. Evidence for the substorm expansion includes not only the signature in the AL index but also the strong asymmetry of the low latitude magnetic disturbances (substorm positive bay signature). Model calculations were checked by comparison with the GOES 8 and 10 magnetic field measurements.     

磁暴期间全球TEC扰动特性分析

磁暴期间白天电离层总电子含量（TEC）大幅度扰动.TEC扰动与磁暴发生时的世界时（UT）有关.利用7年的数据对TEC对磁暴的响应进行统计研究.结果显示,磁暴期间白天TEC增大明显,且在午后TEC的增大比例有一个高峰.在18:00UT-04:00UT,南美地区与其他地区相比TEC增长较大,这可能与白天的光照有关.为了研究TEC变化与磁暴的关系,结合同样时间段的Dst指数,把TEC数据分为磁暴日（Dst<-100nT）和平静日（Dst>-50nT）.研究发现,将TEC前移2h,低纬日侧地区TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的负相关性较好,相关系数为-0.75.在中纬度地区,将TEC扰动前移1h,相关系数为-0.61.这可能是行进式大气扰动携带着赤道向的子午风,由极区向低纬传播引起.可以认为,TEC的变化可能是由磁暴引起的.在高纬地区,TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的相关性较差.这可能是由于太阳高度角较低,光辐射通量较小,导致电子密度的增加不明显.      

Relationship of the diffuse aurora and SAR arc dynamics to substorms and storms

Investigation results of a diffuse aurora (DA) and stable auroral red (SAR) arc dynamics based on spectrophotometric observations at the Yakutsk meridian (199°E geomagnetic longitude) are presented. The relationship of an equatorward extension of DA in the 557.7 nm emission to a substorm growth phase during the magnetospheric convection intensification after the turn of IMF B_Z to the south is shown. The formation of SAR arc during the substorm expansion phase is investigated. The association of SAR arc dynamics with the development of asymmetric ring current (substorm injection) during the main phase of a storm is analyzed. It is shown how the pulsating precipitations of energetic ring current particles develop in the outer plasmasphere based on photometric observations.     

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

The Earth’s magnetosphere response to interplanetary medium conditions on January 21–22, 2005 and on December 14–15, 2006

The Earth’s magnetosphere response to interplanetary medium conditions on January 21–22, 2005 and on December 14–15, 2006 has been studied. The analysis of solar wind parameters measured by ACE spacecraft, of geomagnetic indices variations, of geomagnetic field measured by GOES 11, 12 satellites, and of energetic particle fluxes measured by POES 15, 16, 17 satellites was performed together with magnetospheric modeling based in terms of A2000 paraboloid model. We found the similar dynamics of three particle populations (trapped, quasi-trapped, and precipitating) during storms of different intensities developed under different external conditions: the maximal values of particle fluxes and the latitudinal positions of the isotropic boundaries were approximately the same. The main sources caused RC build-up have been determined for both magnetic storms. Global magnetospheric convection controlled by IMF and substorm activity driven magnetic storm on December 14–15, 2006. Extreme solar wind pressure pulse was mainly responsible for RC particle injection and unusual January 21, 2005 magnetic storm development under northward IMF during the main phase.