基于改进STI方法的外源磁场垂直分量动力非平稳性分析

Space Time-Index（STI）方法是一种验证时间序列中是否存在非平稳性的图示方法. 利用改进的STI方法可以定量分析外源磁场垂直分量z的非平稳性特征. 以不同地磁指数（K=0,2,4,6）、不同Lloyd季节和昼夜外源磁场z分量为对象进行对比分析. 结果表明,改进的STI方法能够有效检验外源磁场的非平稳特性,且z分量为非平稳时间序列;不同K指数的z分量分析表明,随着K指数的增加,z分量的相空间分布越来越不均匀,时间演化特征越来越复杂;不同Lloyd季节的分析表明,各季节的STI图较为相似,但随着日地距离的减小,z分量时间演化特征的复杂性增强,呈现出一定季节变化特征;对昼夜变化的分析可知,夜晚z分量STI图的波动性比白天要强,昼夜变化特征较为明显.      

一种改进的Kp指数现报模式

在评估国际常用Kp指数现报模式Takahashi及其应用于中国地磁台站效果的基础上,提出了一种改进的地磁Kp指数现报模式,其可以有效识别地磁规则日变化的逐日变化特性,反映地磁扰动的季节效应和地方时效应,从而提升了Kp指数现报的准确性.采用Takahashi模式开发时所使用的台站数据进行对比,新模式将单站地磁Kp指数现报效率由0.77提升至0.84,多站联合Kp指数现报效率由0.88提升至0.92;采用2000—2006年北京十三陵台站(BMT,磁纬29°N)数据进行评估,Kp指数现报效率由0.70提升至0.80.对Kp指数现报结果的误差分析发现,现报误差存在明显的地方时差异和一定的季节差异,误差随扰动强度变化并在中强磁扰时最大.利用SuperMAG的指数分析表明,Kp台站的经度不均匀分布会对现报效果造成一定影响.     

基于SAMPEX卫星观测的南大西洋异常区高能质子动态分布特征

利用SAMPEX卫星1992年7月至2004年6月19～27MeV高能质子数据对南大西洋异常区的分布特征进行研究, 发现南大西洋异常区高能质子分布随高度及F_10.7的变化十分显著. 在540±25km高度上, 地磁较为平静时期南大西洋异常区高能质子微分通量随着F_10.7的增大而减小, 同时在F_10.7≥115sfu时减小趋势较为平缓. 对中等及以上磁暴进行统计分析发现, 磁暴期间南大西洋异常区高能质子微分通量和SYM-H指数的绝对值存在明显的反相关关系, 且地磁暴对南大西洋异常区高能质子微分通量存在明显的持续影响效应. 磁暴发生期间高能质子微分通量明显减少. 磁暴恢复相及其之后高能质子微分通量呈现较为显著的恢复过程.      

太阳活动低年广州地区地磁扰动与电离层闪烁的统计特征分析

基于肇庆地磁台的地磁监测数据和广州气象卫星地面站建立的华南地区GPS电离层闪烁监测网的监测数据, 统计分析了2008年7月至2010年7月太阳活动低年期间广州地区地磁扰动与电离层闪烁的关系. 用肇庆台地磁水平分量H的变化量换算出肇庆地磁指数K, 以此来代表广州地区地磁扰动情况.分析结果表明, 磁暴/强地磁扰动对广州地区电离层闪烁的发生总体表现为抑制作用, 电离层闪烁主要发生在低K值期间, 而在K ≥ 4时电离层闪烁的发生呈下降趋势. 电离层闪烁发生率随季节和地磁活动的变化规律表现在, 春季的弱闪烁发生率、夜间中等以上闪烁发生率和夏季中等以上闪烁的发生率明显与地磁活动指数K相关, 即随$K$指数的增大而减小; 在秋季和冬季闪烁发生率与K指数变化无明显关系. 同时还综合分析了地磁与太阳活动的变化对电离层活动的影响, 广州地区闪烁主要发生在太阳活动较低的磁静日期间.      

NRLMSISE-00大气模型与GRACE和CHAMP卫星大气密度数据的对比分析

利用GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)和CHAMP(Challenging Mini-Satellite Payload)卫星2002-2008年的大气密度数据与NRLMSISE-00大气模型密度结果进行比较,分析了模型密度误差及其特点.结果显示,NRLMSISE-00大气模型计算的密度值普遍偏大,其相对误差随经纬度变化,在高纬度相对较小;相对误差随地方时变化,在02:00LT和15:00LT左右较大,10:00LT和20:00LT左右较小.通过模型密度相对误差与太阳F_10.7指数的对比分析发现,在太阳活动低年模型相对误差最大,而在太阳活动高年相对误差较小;将模型结果分别与GRACEA/B双星和CHAMP卫星的密度数据进行比较,发现对于轨道高度更高的GRACE卫星轨道,模型相对误差更大;在地磁平静期,相对误差与地磁ap指数(当前3h)相关性不强,但是在大磁暴发生时,误差急剧增大.      

利用Hp分量预测空间环境地磁活动指数Kp

地磁场扰动可以引起近地空间环境(包括电离层和磁层)一系列变化,地磁Kp指数是空间天气扰动的重要参考指标.采用地球同步轨道GOES-8卫星监测到的垂直于同步卫星轨道平面的地磁分量Hp数据,分析了地磁Kp指数与Hp分量波动幅度间的统计关系,结果显示,Hp分量的变化与Kp指数具有很好的相关性.利用回归分析和RBF神经网络方法,建立了Kp指数现报模型,根据地球同步轨道地磁场Hp分量的变化,计算出相同时段的Kp指数.监测结果表明,预报方法具有一定的有效性和实用性,特别是人工神经网络模式计算的Kp指数与实测结果吻合很好.利用此方法能够在不依赖于地面地磁探测数据的情况下,快速预报地磁扰动,及时为空间天气保障提供参考.同时,鉴于中国即将发射的风云四号搭载有地磁场探测仪,本项研究可为自主数据的应用奠定基础.     

2008—2009年电离层对重现型地磁活动的响应

利用2008—2009年的GPS TEC数据,分析了电离层对冕洞引起的重现型地磁活动的响应. 结果表明,在太阳活动低年,电离层TEC表现出与地磁 ap指数（采用全球3h等效幅度指数ap来表征）和太阳风速度相似的9天和13.5天短周期变化,表明TEC的这种短周期特性主要与重现型地磁活动相关. 地磁纬度和地方时分析表明,夜间高纬地区正负相扰动明显,中低纬地区则以正相扰动为主,较大的TEC变幅主要发生在南北半球高纬地区,夜间南半球高纬地区TEC变化相对ap指数变化有相位延迟. 白天中低纬地区正负相扰动明显,TEC短周期变化与ap指数变化相位基本一致. 2008年TEC的9天和13.5天周期变化幅度大于2009年.      

质子辐射带辐射中心区域模型

利用AP-8和CRRESPRO质子辐射带模式数据库, 比较了二者在磁赤道面上计算结果 的差异并给出其差异原因. 利用AP-8模式数据库数据, 建立起质子辐射带函数形式的辐射中心区域模式, 包括各能道全向微分通量峰值所对应的L值(L_c) 随能量E的变化模式以及各能道全向微分通量峰值J_max随能量E的变化模式. 利用RBSP A卫星REPT望远镜在磁赤道面上的高能质子观测数据, 分别与 AP-8模式、CRRESPRO模式及本文所得辐射中心区域模式计算结果进行比较, 发现在78.9, 102.6和208MeV三个能道上, RBSP A卫星观测所得各能道全向微分 通量明显偏大, 而L_c与AP-8或本文辐射中心模式所得结果基本一致; RBSP A卫星也观测到CRRESPRO Quiet模式所得的隐性第二质子辐射带结构.      

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.      

基于NOAA卫星数据的辐射带质子投掷角分布研究

利用NOAA-12卫星数据对空间环境平静时期太阳同步轨道处辐射带质子投掷角分布进行了研究. 根据投掷角分布的经验公式,计算出90°投掷角的质子方向强度和各向异性指数n. 质子投掷角分布按n的取值范围可分为三类,即90°峰值分布、平顶分布和蝴蝶形分布. 观测证实,对于辐射带质子,三种分布类型均存在并且具有明显的空间区域特征. 在内辐射带边缘地区90°峰值分布占主要优势;在外辐射带高L值区域,90°峰值分布明显减少,平顶分布和蝴蝶形分布逐渐增多. 针对90°峰值分布,研究了质子强度各向异性的区域分布特征,对于内辐射带区域,n值随L值的增大而增大,对于外辐射带,n值表现为逐渐下降的趋势. 为了研究质子投掷角分布对磁地方时的依赖关系,分析了能量为250～800keV的质子在两个不同磁地方时范围的投掷角分布规律. 结果显示,在内辐射带,质子强度的投掷角分布相对稳定,随磁地方时的变化并不显著;而在外辐射带的高L值区域,质子强度的投掷角分布随磁地方时变化明显,与磁地方时之间有明显的依赖关系.      

地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系

利用中国地磁台网与电离层台站资料,总结了大地震前出现的地磁低点位移、地磁日变异常及电离层f0F2(F2层临界频率)异常现象.对比研究了1997年11月8日玛尼7.5级与2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震前磁场与电离层异常分布及特征.结果显示,两次巨大地震前磁场与电离层短临异常时空分布特征有较好的一致性,震中周围出现日变异常、拉萨台出现电离层f0F2明显异常;震前约1个月出现地磁低点位移,其突变分界线通过震中地区.      

辐射带高能电子通量波动与地磁暴警报

地球磁场捕获带电粒子形成辐射带,地磁场的扰动将导致带电粒子通量的变化.根据磁暴期间外辐射带高能电子通量起伏和波动的特点及规律,利用GOES卫星实时发布的5min分辨率高能电子微分通量数据,构建了高能电子通量波动指数,并分析了该指数与地磁活动的关系.结果表明,所提出的高能电子通量波动指数与地磁事件有很好的相关性,能起到地磁暴发生的指示剂作用,相对于目前空间环境业务化预报过程中广泛使用的3hKp指数,高能电子通量波动指数能更早地警报地磁暴的发生,是潜在有效的地磁暴警报辅助手段,能为空间环境预报中的地磁暴实时警报提供重要参考.      

Solar polar magnetic field dependency of geomagnetic activity semiannual variation indicated in the Aa index

Three major hypotheses have been proposed to explain the well-known semiannual variation of geomagnetic activity, maxima at equinoxes and minima at solstices. This study examined whether the seasonal variation of equinoctial geomagnetic activity is different in periods of opposite solar magnetic polarity in order to understand the contribution of the interplanetary magnetic field (IMF) in the Sun-Earth connection. Solar magnetic polarity is parallel to the Earth’s polarity in solar minimum years of odd/even cycles but antiparallel in solar minimum years of even/odd cycles. The daily mean of the aa, Aa indices during each solar minimum was compared for periods when the solar magnetic polarity remained in opposite dipole conditions. The Aa index values were used for each of the three years surrounding the solar minimum years of the 14 solar cycles recorded since 1856. The Aa index reflects seasonal variation in geomagnetic activity, which is greater at the equinoxes than at the solstices. The Aa index reveals solar magnetic polarity dependency in which the geomagnetic activity is stronger in the antiparallel solar magnetic polarity condition than in the parallel one. The periodicity in semiannual variation of the Aa index is stronger in the antiparallel solar polar magnetic field period than in the parallel period. Additionally, we suggest the favorable IMF condition of the semiannual variation in geomagnetic activity. The orientation of IMF toward the Sun in spring and away from the Sun in fall mainly contributes to the semiannual variation of geomagnetic activity in both antiparallel and parallel solar minimum years.     

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据,结合经验大气密度模型NRLMSISE00,反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’,以31年B’的平均值代替弹道系数真值,分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比,对弹道系数真值进行了检验;利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律,结合太阳和地磁活动变化,估计经验大气密度模型的误差分布. 结果表明,利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值,其在理论值的正常误差范围内;大气密度模型误差在210～526km高度范围内存在相同的变化趋势,且模型误差随高度增加而增大;在短周期内B’变化与太阳活动指数F_10.7存在反相关性;密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低. 以上结果表明,经验大气密度模型结果需要修正,尤其是在太阳活动峰年和谷年,此外,磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义.      

Periodic Variations of Drag Coefficient for the ANDE Spherical Satellites During its Lifetime

A drag coefficient (C_D) inversion method is introduced to study the variations of the drag coefficient for orbital satellites with spherical geometry. Drag coefficients of the four micro satellites in the Atmospheric Neutral Density Experiment (ANDE) are compiled out with this new method. The Lomb-Scargle Periodgram (LSP) analysis of the four ANDE satellites' C_D series has shown that there are obvious 5, 7, 9, and 27 days' period in those data. Interesting results are found through comparing the LSP analysis with series of the daily solar radio flux at 10.7 cm (F_10.7 index), the Ap index, and the daily averaged solar wind speed at 1AU. All series in the same time interval have an obvious period of about 27 days, which has already been explained as the association with the 27 days' solar rotation. The oscillating periods less than 27 days are found in series of C_D, Ap and solar wind speed at 1AU, e.g., the 5, 7, 9 days period. However, these short periods disappeared in the time series of F_10.7 index. The same periodicities of 5, 7, 9 days in Ap and solar wind are presented at the same time interval during the declining phase of solar cycle 23. While in the ascending phase of solar cycle 24, these short oscillations are not so obvious as that in the declining phase of solar cycle 23. These results provide definite evidence that the C_D variations with period of 5, 7 and 9 days are produced by a combination of space weather effects caused by the solar wind and geomagnetic activity.