利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

行星际磁场B_y分量对磁尾场向电流的控制作用

利用Cluster卫星的磁场探测数据及ACE卫星的行星际磁场(IMF)探测数据,研究了IMF B_y分量(IMF|B_y|10nT)对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率和密度的影响.研究显示:与IMF B_y分量为负时进行比较,IMF B_y分量为正时场向电流的发生率更高,约55.6%;当IMF|B_y|4nT时场向电流发生率占总发生率的77.4%;场向电流发生率随IMF|B_y|的增大而增大,且具有很好的线性相关关系,当IMF B_y分量为正时,相关性更好;场向电流密度也随IMF|B_y|的增大而增大,同样具有很好的线性相关关系,当IMF B_y分量为正时,相关性更好.以上结果表明,IMF B_y分量对磁尾场向电流的产生和变化具有很强的控制作用,并且昏向IMF变化与场向电流变化的关系更加密切.     

Polar卫星在低高度时表面正高电位的统计研究

基于Polar卫星1996-2008年的表面电压数据，研究了卫星在低轨区域出现正高电位（异常事件）与太阳活动的关系及其发生位置的磁地方时（MLT）分布.研究表明:太阳辐射与异常事件发生次数呈正相关，太阳活动越活跃，异常事件出现次数越多，但不会影响航天器表面电位；异常事件发生占比呈现明显季节性变化，在太阳活动高年，冬季和夏季次数较多，春季和秋季次数较少，在太阳活动低年，每月次数均维持在较低水平，而一个月内异常事件次数没有明显规律；在分布上南北半球表现出相似性，异常事件均不会发生在地磁纬度50°-60°区域，极区和昏侧发生次数较多，而不同的是异常事件在南半球发生得更多更集中；虽然太阳活动与航天器在低高度时表面出现正高电位的次数呈正相关，但即使在太阳活动峰年，航天器异常事件发生率也不超过10%.      

行星际磁场对磁尾场向电流发生率的影响

利用Cluster卫星的磁场和等离子体探测数据, 研究了行星际磁场(IMF)时钟角(clock angle) Φ和锥角(cone angle) θ对磁尾等离子体片边界层(PSBL)区场向电流发生率的影响. 当时钟角Φ >0时, 磁尾场向电流 的发生率较高, 这表明磁尾场向电流的发生与昏向太阳风条件更为密切; 当 90°<|Φ|<180°时, 场向电流的发生率较高, 这表明 场向电流的发生与南向IMF更为密切. 当锥角θ <30°时(即IMF与 日地连线夹角较小时)场向电流的发生率较低. 而当θ> 30°时, 场向电流在90°<|Φ|<180°的情况下发生率明显增大, 这说明南向IMF情况下, 场向电流发生率明显增大. 但是当|Φ|<90°时 (北向IMF情况下), 尽管θ很大, 场向电流的发生率并未明显增大. 当θ>70°时, 且在140°< < i>Φ<160°的行星 际磁场条件下, 磁尾等离子体片边界层区场向电流的发生率最大.      

亚暴起始位置和膨胀相持续时间对行星际磁场Bz分量的响应

磁层亚暴是太阳风–磁层–电离层耦合过程中的重要爆发性事件,其特性受太阳风参数的影响很大。本文利用对IMAGE卫星在2000 － 2005年观测到的4193个亚暴起始事件,统计研究了在不同的行星际磁场（IMF）B_z 条件下亚暴起始位置和膨胀相持续时间。结果表明,南向IMF发生的亚暴比北向IMF下发生的亚暴要多。南向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上>600 nT,并有随南向IMF持续时间增大而增大的趋势。北向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上<500 nT,并有随北向IMF持续时间增大而减小的趋势。亚暴的起始磁纬度基本上位于65° － 70°之间。当南向IMF或北向IMF的持续时间增大,超过80 min时,北半球的亚暴起始磁纬度会降低。亚暴起始磁地方时大部分位于22:15 － 23:15 MLT之间。但整体分布比较分散,显示不出特别清晰的随IMF B_z持续时间变化的趋势。相比于南向的IMF,北向IMF期间发生亚暴的平均膨胀相持续时间增大了将近10 min,表明南向IMF期间,亚暴强度虽然较大,但其膨胀相持续时间较短,亚暴能量释放和耗散的速度更快。      

磁扰动和磁静时近地等离子体片中脉冲电场的分布

Ｇｅｏｔａｉｌ卫星的电场数据被用于分析近地磁尾等离子体片中电场在磁扰动（Ｄｓｔ＜－２５ｎＴ）和磁静时（Ｄｓｔ＞－２５ ｎＴ的统计分布．结果表明，伴随着地向高速离子流，在Ｘ＞－１６Ｒｅ以内区域出现强电场（高达 ５—８ ｍＶ／ｍ）．磁扰动期间强电场的幅值较磁静时大，并且出现在更靠近地球的位置．较强和较靠近地球的强电场与磁扰动时更薄的等离子体片和更接近地球的等离子体片内边界相联系．观测结果意味着磁扰动期间的亚暴可能更有效地将高能粒子注射到环电流中．这对磁暴和亚暴的关系问题的解决有重要意义．     

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度（Dst_min<-50nT）的磁暴事件，线性拟合分析磁暴主相DDst_min和达到DDst_min前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_10.7之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强，DDst_min<-50nT的磁暴出现的总数增多，在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下，其数量分别为56，84和85；随着太阳极紫外辐射增强，强磁暴（-200nT ≤ Dst_min<-100nT）和大磁暴（Dst_min<-200nT）发生的数量和相对发生率呈增长趋势，尤其是大磁暴数目（1，4，12）和相对发生率（1.79%，4.76%，14.12%）明显呈增长趋势；大磁暴（|Dst_min|）与太阳极紫外辐射（F_10.7）之间存在中度正相关关系，其相关系数为0.532，并且主要体现在大磁暴（|Dst_min|）与强太阳极紫外辐射（F_10.7）之间的中度正相关性，其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.      

近地磁尾准无碰撞磁重联事件

综合分析了ClusterⅡ－C1飞船在2001年9月15日飞越地球磁尾等离子体片区的热离子和磁场观测资料。结果表明，约在0340－0440UT时间期间，资料多次呈现出较强的尾向离子流（VXGSM＜0），明显的南向磁场分量（BZGSM＜0），以及明显的晨－昏向磁场分量BYGSM等特征。由此可以推断，在磁尾等离子体片中，在径向方向XGSE＞－18．6Re范围内，可能发生了多次磁重联事件，整个事件持续期约1h。磁重联事件的观测特征与准无（或半）碰撞磁重联理论的基本图像符合一致，因此这些事件应当是准无碰撞磁重联事件。     

第23和24太阳活动周高纬地磁感应电流分布特性

基于高纬度芬兰Mäntsälä地区近两个太阳活动周期（1999—2017年）天然气传输管道的地磁感应电流（GIC，I_GIC）观测数据，统计研究了GIC扰动的分布特征以及强GIC扰动与磁暴和地磁亚暴的相关性.研究发现:95.83%时间段的GIC强度分布在0～1A之间.定义:若某个时间段|I_GIC|_max> 1A，则认为发生GIC扰动；|I_GIC|_max>10A，则认为发生强GIC扰动事件.GIC扰动在磁地方时夜侧附近发生的概率最高，这主要与地磁亚暴发生期间电离层电流最剧烈的变化发生在磁地方时夜侧附近有关；强GIC扰动经常爆发式出现，且都发生在磁暴期间，但大多数磁暴并不伴随强GIC扰动事件发生.磁暴急始驱动的强GIC扰动事件较少，由磁层压缩引起地磁场突然增强驱动的强GIC扰动事件持续时间较短；强GIC扰动事件主要发生在磁暴主相和恢复相，由环电流变化驱动的强GIC扰动事件一般持续时间较长且强度较大.      

月球均匀模型阶跃感应磁场模拟计算

针对月球均匀模型, 利用电磁感应理论, 对行星际磁场阶跃扰动产生的 感应磁场进行了模拟计算. 设磁导率恒为μ₀, 对于一些特定的电导率值, 给出了月表磁场分量和总场从跃变到重新达到稳态的变化过程; 在一条经线 上的赤道附近、中纬地区和极区各选取一个测点, 利用Laplace逆变换的数 值公式给出了磁场瞬变响应函数和磁场分量及总场在不同电导率情况下的变化趋势. 计算结果表明, 此研究方法可行, 结果合理. 经过足够长的时间, 与外磁 场跃变方向垂直的磁场分量将会消失, 而与之平行的磁场分量将与外场趋于 一致. 在外场发生跃变的时刻, 赤道附近能够测到的最大磁场分量值约为13.65nT, 极区附近能测到约2.71nT; 在中低纬度和极区, 平行分量变化的过程显著 不同, 反映出实际探测中, 选取在月表不同位置的磁强计将可能监测到完全不同的磁场变化曲线形态.      

顶部电离层总离子密度经度的变化

利用DMSP F13卫星1996-2005年共10年的观测数据,研究地磁中低纬地区黄昏时段(18:00 LT)顶部电离层总离子密度经度变化的季节、地磁纬度和太阳活动变化特征.结果表明总的经度变化在低纬地区与中纬地区具有明显不同特征.不同经度结构的季节变化均以年变化为主,但纬度分布具有明显差异.一波结构主要集中在中纬地区,且南半球明显强于北半球;二波结构南北半球不对称性非常明显;三波结构和四波结构均为低纬地区明显强于中纬地区.通过分析不同波结构对总经度变化的贡献发现,一波结构在南半球中纬地区贡献最大,二波结构在12月前后的15°N附近贡献较大,三波结构和四波结构仅在低纬地区有较强贡献.在不同太阳活动条件下,不同波结构的贡献率有明显变化.      

The hemispheric asynchrony of polar faculae during solar cycles 19–22

We investigate the north–south (N–S) asynchrony of the polar faculae and compare it with the hemispheric asynchrony of solar activity at low latitudes. We find that, (1) both the solar activity at high and low latitudes do not synchronously occur in the northern and southern hemispheres, there is phase shifts between the two hemispheres; (2) the N–S asynchrony of the polar faculae is a function of latitudes, implying that the asynchrony of the polar faculae between the two hemispheres is related to the hemispheric asymmetry and latitudinal distribution of the polar faculae.     

极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性研究

利用第23太阳活动周DMSP F12,F13和F15卫星数据,分别对南北半球极区顶部电离层离子上行的太阳活动依赖性进行了研究.结果表明,南北半球上行事件对太阳活动的响应特征基本一致,即高（低）太阳活动时,离子上行通量以及上行数密度较大（小）,但是上行速度及上行发生率较低（高）.以南半球高纬为例,计算得到离子上行通量、数密度、速度及发生率在高低太阳活动条件下的比值分别约为2.26,3.35,0.71,0.51.对离子上行太阳活动依赖性的可能原因进行了分析.不同太阳活动水平下,光致电离及高能粒子沉降的差异会导致电离层离子密度的不同,而电离层离子密度的变化会改变离子elax-elax中性大气之间的碰撞频率,这是影响离子上行发生率的一个重要原因.      

临近空间大气密度扰动对高超声速飞行器气动热环境的影响

基于TIMED/SABER 2002—2018年大气密度观测数据，统计分析了20~80 km大气密度扰动对高超声速飞行器飞行热环境的影响。根据驻点热流估算方法给出的大气密度变化量与热流变化量之间的关系，定性和定量分析了不同月份大气密度相对变化量引起的热流变化量在垂直和水平方向的分布特征。研究表明:SABER大气密度月年均值计算的热流相对USSA76在夏季半球中高纬度地区偏高，在冬季半球偏低。在夏季半球高纬度地区约80 km附近存在热流增量的极大值，南半球夏季的极大值高于北半球夏季，尤其在南半球1月份，热流偏高可达32.2%。在经度方向，热流分布在夏季半球差异较小，冬季半球差异较大；考虑真实大气中存在的扰动时，在南半球和北半球夏季80 km附近，SABER大气密度预测的热流分别比USSA76偏高可达40.7%和36.6%。在经度方向，大气扰动引起的热流经向分布差异显著。在飞行器设计时，大气扰动的影响不能忽略；高超声速飞行器飞行应避免在夏季穿越南半球和北半球，规避热流增加带来的风险。      

Negative VTEC with spherical harmonic expansion model under different solar activity conditions

The Earth’s ionosphere can be described by a spherical harmonic (SH) expansion up to a specific degree. However, there exist negative vertical total electron content (VTEC) values in the global ionosphere map (GIM) with the SH expansion model. In this contribution, we specifically investigated the negative VTEC values that are induced by the SH expansion model and validated the performance of the inequality-constrained least squares (ICLS) method in eliminating the negative VTEC values. The GPS data from 2004 to 2017 was selected to cover one solar cycle and the experiments under different solar activity conditions were analyzed. The results in our work show that the occurrence of the negative VTEC values is attributed to the deficiency of the SH expansion model when the VTEC itself is small instead of the unevenly distribution of the GNSS stations. The negative VTEC values appear periodically in the temporal domain, showing apparently one year and half year periods. During one year, two peaks in June and December can be observed in the time series of the negative VTEC values. The number of negative VTEC values in June is obvious larger than that in December. During one solar cycle, the number of negative VTEC values under quiet solar activity condition is obvious larger than that under strong solar activity condition. In the spatial domain, the appearance of the negative VTEC values is strongly related with the movement of the subsolar point. In the latitude of the subsolar point has the largest magnitude, the negative values will appear on the opposite hemisphere and the further from the subsolar point the more negative values. The maximum number of the negative VTEC values in the southern hemisphere appears in June, while the peak value in the northern hemisphere appears in December. The maximum number of negative VTEC values in the southern hemisphere is generally larger than that in the northern hemisphere. In addition, the negative VTEC values are distributed both at middle latitude and high latitude in the southern hemisphere, while they are mainly distributed at high latitude in the northern hemisphere. When the ICLS method is used, the negative VTEC values can be eliminated efficiently and it has nearly no influence on the positive VTEC values. The ICLS method can also improve the receiver’s differential code bias (DCB) and significantly decrease the unreasonable negative slant TEC (STEC) values along the lines of sight. Using the final GIM product of the Jet Propulsion Laboratory (JPLG) as a reference, the root mean square (RMS) of the ICLS solution shows maximum 25%, 20% and 45% improvement relative to the least squares (LS) solution at northern high latitude, southern middle latitude and southern high latitude, respectively.     

Hemispheric,seasonal and latitudinal dependence of storm-time ionosphere during low solar activity period

Analysis of the seasonal, hemispheric and latitudinal variation of the ionospheric F2 peak during periods of disturbed geomagnetic conditions in 2011, a year of low solar activity, had been studied using hourly data obtained from low- and mid-latitude ionosonde stations. Our results showed an enhancement in F2-layer maximum electron density (NmF2) at daytime over low latitudes. For the mid-latitude stations, NmF2 depletion pre-dominates the daytime and overturned at nighttime. In general, the variation in terms of magnitude is higher in the low-latitude than at mid-latitude. The nighttime decrease in NmF2 is accompanied by a corresponding F2 peak height (hmF2) increase and overturned at daytime. The hmF2 response during the equinoctial months is lower than the solstices. NmF2 shows distinct seasonal, hemispheric and latitudinal dependence in its response. Appearance of a significant ionospheric effect in southern hemisphere is higher than in the northern hemisphere, and is more pronounced in the equinoxes at low latitudes. At mid-latitudes, the ionospheric effect is insignificant at both hemispheres. A negative ionospheric response dominates the whole seasons at the mid-latitude except for March equinox. The reverse is the case for the hmF2 observation. The amplitudes of both the NmF2 and hmF2 increase with increasing latitude and maximize in the southern hemisphere in terms of longitude.     

基于COSMIC掩星精密定轨数据的等离子体层电子含量研究

等离子体层是日地环境重要的组成部分.本文利用COSMIC掩星精密定轨数据经处理后得到的podTec文件获取等离子体层电子含量（PEC）对等离子体层进行研究.将podTec数据进行处理后获得的PEC（pod-PEC）和IRI-Plas经验模型提供的PEC （IRI-PEC）进行对比，发现pod-PEC与IRI-PEC符合得较好.在低（0°—20°）、中（20°—50°）、高（50°—90°）修正地磁纬度带下，分析了COSMIC在太阳活动极大年（2014年）3，6，9和12月的pod-PEC，得到如下结论:PEC随着纬度升高而逐渐减少，且3，9月PEC在中低纬关于磁赤道的南北对称性较好，6月北半球各纬度带的PEC明显高于南半球同一纬度带的值，而12月情况则完全相反，南半球中纬的PEC甚至会等于北半球低纬的PEC值；PEC在白天高而晚上低，高纬地区的PEC昼夜变化不明显；PEC具有明显的季节性.对于北半球，一年中PEC最大值出现在春季，冬秋季次之，夏季最低，具有明显的年度异常现象.      

平流层爆发性增温事件中大气准16日行星波

2014年1月上中旬高纬平流层发生弱增温事件,增温幅度约25K,纬向西风减弱并于2月初转向.行星波在平流层爆发性增温（SSW）事件产生中具有重要作用.利用北半球近东经120°链上中低纬5个流星雷达探测的风场数据,研究了此SSW事件发生前和发生期间中间层和低热层区（MLT）大气风场的行星波状况.结果显示,极区平流层增温前MLT区大气呈现出明显增强的准16日波动,增温达到最大时,16日波也最强,表明中低纬MLT区的行星波变化与SSW事件存在耦合关系.进一步利用欧洲中心平流层再分析资料数据,分析SSW期间北半球平流层的波动和零风线状况,发现平流层准16日波和零风线随时间由低纬向高纬移动,反映出16日波与SSW之间存在某种动力学联系.