冕洞发展及其相关地球空间效应的个例分析

利用出现在2003-2004年的一个大冕洞及其相关太阳风、行星际磁场和地磁资料,分析了冕洞自身演化规律以及对太阳风和重现性地磁暴的影响.研究发现,冕洞发展经历了生长期、成熟期和衰减期三个阶段;成熟期,冕洞高速流中的最大太阳风速度和地磁暴平均强度基本维持在同一个水平上;但地磁暴的持续时间和冕洞高速流的持续时间仍有较大变化,该时间长短主要与冕洞穿越太阳赤道部分所横跨的经度相关.     

太阳宁静区磁漏斗结构的扩展特征

通过对观测的光球纵向磁场进行势场外推, 重构了一个太阳宁静区光球以上的磁场结构. 结果显示, 在20 Mm 以下, 开放磁力线呈现多个明显的小磁漏斗结构, 这些小磁漏斗结构随高度扩展, 并且在20 Mm 左右融合成大的漏斗结构. 通过系统地研究磁漏斗结构横截面积随高度的变化趋势, 发现太阳宁静区磁漏斗结构的截面积随高度近似线性扩展, 磁漏斗结构在较低高度上(<20Mm) 扩展的速度比在较高高度上 (>20Mm) 扩展的速度要快. 这一结果对太阳风起源和磁环中物质流动的二维数值模拟具有重要的意义. 同时还发现, 闭合磁力线的数目随高度以指数函数的形式减少.     

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.      

关于磁层中磁力线几何结构的研究

磁层磁场的几何结构是空间物理中的重要研究内容.本文采用曲率半径分析方法,结合Cluster立体探测的相关知识和背景,利用Cluster立体探测的优势,通过对Cluster 2001年的立体探测数据的研究,分析了磁层各区域的磁力线结构,包括背阳面、Cusp区以及昏侧,得出各区域中磁力线的曲率半径大小,曲率矢量以及磁力线密切面的法线矢量的方向.利用这些参量直接确定出该区域中磁力线的空间几何构型,进而揭示了该区域磁场的三维立体结构.所得结果也验证了曲率半径分析方法的正确性.在科学探测数据完备的情况下,将这一研究方法应用到磁层中其他所有区域,可以得到整个磁层的详细三维结构模型,这具有重要的科学意义.     

1998年5月日冕三维结构的数值模拟

采用三维理想磙流体力学（MHD）模式，内边界条件把二维投影特征线边界方法推广应用到三维计算，有效地稳定了数值计算并保证稳态解的自洽性；初始猜解磁场由1935卡林顿周光球磁场观测数据得到，这样计算得到的1998年5月份期间日冕三维结构比较符合实际，计算结果表明：（1）计算得到的源表面非径向磁场量值在磁中性线附近不超过2μT，表明源表面磁场基本径向。（2）模拟得到的源表面径向磁场量值除了在磁中性线附近的区域外变化不大，这和观测一致。（3）由源表面磁场按平方反比的规律计算出1AU处磁场量值更接近观测值。（4）计算得到的日冕结构和观测定性一致，三维数值模拟结果表明，日冕的三维大尺度背景结构主要是由磁场决定的，在闭磁场处或者电流片附近，太阳风的密度高，速度低；在开场区，太阳风的密度低，速度高。     

太阳风中磁场重联离子扩散区的大尺度特征

利用ACE和WIND卫星2007年1月6日的联合探测, 在1AU附近发现了一个等离子体密度极低的Petschek-like重联喷流区. 该喷流区内部出现了非常明显的Hall双极磁场、等离子体密度下降区以及与Hall电流相符的低能段电子投掷角分布. 这些特征与重联离子扩散区的Hall效应非常吻合, 说明很可能在太阳风中观测到了一个离子扩散区. 分析表明, 与之相关的磁场重联为准稳态快速完全反向重联, 其扩散区以一对慢模波为边界, 空间尺度达到80个离子惯性长度, 表现出了大尺度重联的特征.     

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.     

磁场重联的二维粒子模拟研究

利用二维全粒子模拟方法研究了无碰撞等离子体中的磁场重联过程,得到了不同区域的离子和电子速度分布。计算结果表明,电子和离子在扩散区中的不同动力学特性产生的Hall电流使磁场的y分量B_y呈现四极形分布。离子和电子的速度分布偏离了初态时的Maxwell分布,呈现非局域的多重分布。同时由于磁场重联而产生的电场使电子在X点附近得到加速和加热,因而在电子的能谱分布中形成一高能尾。     

高速太阳风中α粒子分布的形成

以多级波粒相互作用模型和1维电磁混合模拟方法研究了高速太阳风中α粒子分布的形成机制．认为α粒子从其产生区到1AU,经历4个特征区域：在冕洞下方的小尺度磁重联区,α粒子产生并得到加速：在约十几个太阳半径日冕区,α粒子形成球壳分布函数：在几十个太阳半径处,在Alfven波和温度各向异性不稳定性的作用下,α粒子分布函数演化为漂移Maxwell分布：当α粒子进入0．3－1AU时,Alfven波的作用使α粒子速度超过太阳风速度约1个局域Alfven速度．     

电离层Es对HF和VHF传播信号的影响

Es层是存在于电离层中的电子密度非常高的偶发E层（Sporadic E）,其电子密度可达常规E层的100倍.电离层Es能够反射原本穿透F层的VHF低频段（30~150MHz）无线电波,而且对HF高频段（10~30MHz）无线电波传播具有显著影响.运用垂测和斜测观测数据,研究HF频段Es层电波传播特征,得到了不同类型及不同高度Es层的衰减系数.根据f₀E_s的日变化规律,可得HF频段衰减系数的日变化规律,进而分析并得到Es层对短波传播的影响.不存在电离层Es时,通常无法通过电离层实现VHF超远距离通信.为了对VHF链路通过电离层Es的传播衰减进行定量分析,根据EBU多条链路的观测结果,拟合并建立了电离层Es衰减模型.将该模型、ITU模型和观测数据进行对比,发现本文建立的模型准确度更高.利用建立的模型,对电离层Es不同临频f₀E_s条件下接收信号场强和电压随传播距离的变化进行了计算,结果可为VHF链路设计及建立提供参考.     

暴时极光区热层大气焦耳加热与F区电离耗空的EISCAT雷达观测

利用ＥＩＳＣＡＴ雷达探测数据，分析计算了太阳活动高年夏季发生的一次强磁暴期间，极光区电离层对流电场、电导率以及焦耳加热速率等着重考察了Ｅ区热怪大气焦耳加热和Ｆ区离子摩擦增温与Ｆ区电子密度耗空的关系发现在下午东向极光电集流期间，电子密度最大耗空出现在Ｆ区３００－３２５ｋｍ高度，时间恰在积分的Ｅ区大气焦耳加热量大值和Ｆ区最大离子增温之后５－１０ｍｉｎ，耗空率达７０％。     

三维试验粒子轨道法在磁层粒子全球输运中的应用

根据磁层粒子动力学理论, 通过偶极磁场模型验证利用三维试验粒子轨道方法模拟近地球区(r < 8R_e)带电粒子运动特征的可靠性. 在此基础上, 以太阳风和磁层相互作用的全球MHD模拟结果为背景, 利用三维试验粒子轨道方法, 对非磁暴期间南向行星际磁场背景下太阳风离子注入磁层的情形进行数值模拟, 并对北向行星际磁场背景下太阳风离子注入极尖区以及内磁层的几种不同情形进行了单粒子模拟. 模拟结果反映了南向和北向行星际磁场离子向磁层的几种典型输入过程, 揭示出行星际磁场南向时太阳风粒子在磁层内密度分布的晨昏不对称性以及其在磁鞘和磁层内的大致分布, 并得出统计规律. 模拟结果与理论预测和观测结论相一致, 且通过数值模拟发现, 行星际磁场北向时靠近极尖区附近形成的非典型磁镜结构对于能量粒子经由极尖区注入环电流区域过程有重要的影响和作用.      

喉区极光的机器识别

喉区极光是一种发生在电离层对流喉区附近的极光现象,是极光卵向低纬侧延伸出的南北向分立结构,其可能对应由磁鞘高速流与磁层顶作用引发的磁层顶重联过程.喉区极光研究对深入理解太阳风—磁层—电离层耦合过程具有重要意义.从长期观测所积累的大量全天空极光观测数据中准确高效识别出喉区极光结构,是开展喉区极光统计研究的基础.本文利用北极黄河站2003—2017年全天空成像仪的极光观测数据,建立了喉区极光图像标注数据集;基于密集连接卷积神经网络（DenseNet）对极光图像全局高维表征的自动学习,首次实现了喉区极光结构的机器识别.算法对喉区极光识别准确率达96%,且具有良好的泛化性能.研究表明基于深度学习的图像识别方法可用于从海量极光观测数据中自动识别喉区极光事件.     

电磁测力系统研究

介绍了电磁测力系统中静磁场分析与优化、通电线圈位置控制方法及提高线性度的自校准方法。运用Maxwell 3D进行仿真计算,得到了相对优化的磁密及磁均匀性,通过控制通电线圈在磁场中位置及分段线性微分技术,提高了电磁测力准确度。构建了试验装置,对比试验数据表明,该研究措施对于提高电磁测力准确度取得了较好效果。     

磁扰日向阳面对流电场转向区位置的晨昏不对称性(STARE、TRIAD、AE-C观测综合分析)

本文通过STARE观测的晨不连续性及其与TRIAD观测的场向电流分界区、AE-C卫星观测的电场转向区位置的比较,提出了在高扰日向阳面对流电场转向区位置存在着晨不对称性——晨半面所处纬度低于昏半面.该现象间接说明向阳面磁层边界层也存在某种不对称性.并在观测基础上对可造成该不对称性的物理因子进行了探讨,认为行星际磁场螺线结构对重连区位置的影响及其产生的激波结构的晨昏不对称性很可能与本文中讨论的现象有一定联系.      

行星际结构与垂直无碰撞激波的相互作用

应用一维混合模拟方法数值研究了两种行星际结构──反向磁场和高密度等离子团与垂直无碰撞激波的相互作用．结果表明，随着激波上游区磁场的反向，下游区磁场将逐渐改变符号，且等离子体密度和速度分别呈现较强的湍动．激波上游和下游的物理量依然满足Rankine-Hugonoit关系．当高密度的等离子体团通过垂直无碰撞激波时，部分质子被激波反射，部分质子被加速并进入下游区域．由于质子速度分布为非Maxwell分布，在激波下游也激发出较强的湍动．     

基于ADS-B的航空器测高系统误差评估方法

针对基于广播式自动相关监视(ADS-B)数据的航空器高度保持性能监控中测高系统误差准确评估问题,提出了基于核平滑和混合正态分布模型的数据平滑和拟合分析方法。提出了ADS-B信息低分辨率高度数据的核平滑方法,通过比较分析得到了数据平滑的最优窗宽,基于实测数据的分析证明了该方法对于航空器测高系统误差评价的有效性。针对航空器使用的2套独立的测高学设备具有不同的高度保持性能分布特征的问题,提出了基于混合正态分布模型的拟合分析方法,实测结果表明,该方法可以准确拟合航空器测高系统误差的双峰特征。本文所提出的方法已经在中国RVSM航空器高度保持性能的实际分析中使用,分析结果满足国际民航组织的相关要求。     

极向运动极光结构和喉区极光光学观测特征的对比分析

利用中国北极黄河站高时间分辨率的三波段全天空成像仪极光观测数据,联合太阳风和行星际磁场等观测,分析了极向运动极光结构（PMAFs）和喉区极光的形成及演化特征.研究发现：一系列PMAFs与喉区极光事件同时出现在观测视野中,其中PMAFs主要发生在日侧极隙区极光卵赤道向边界的极向一侧,沿东西方向分布,点亮后向高纬运动;喉区极光紧靠PMAF一侧发生,从极光卵赤道向边界向低纬延伸,沿南北方向分布,点亮后向高纬偏西方向运动;观测期间PMAFs发生频率高于喉区极光;当PMAFs与喉区极光同时出现时,PMAFs可以与喉区极光几乎同时出现或略晚于喉区极光出现,持续时间较喉区极光短.观测结果表明：与PMAF相对应的磁层顶重联过程和与喉区极光对应的磁层顶凹陷导致的磁重联过程在日侧磁层顶上的相邻区域分别发生,两种极光事件的形成过程相对独立,可能不存在相互触发关系.     

磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成,这两个喷流分别经过Walén关系的证认,符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明,在磁云前端可能存在众多重联点,从而将磁云本体的磁场剥离,形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联,从而不表现出单点重联的排空区特征,这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.     

磁重联区Alfven波及新生离子的加速

利用二维混合数值模拟研究了有速度驱动、低等离子体β值情况下的磁场重联过程，结果表明磁重联过程可以产生Alfven波，该Alfven波动对重新区中的新生离子作用，使得新生离子经历投掷角散射方程，具有球壳分布特征，部分新生离子得到加速，其获得的最大能量约为4（miVA0^2/2)，此加速过程所需的加速时间在100／Ωi量级，是一个极快的加速机制，加速粒子能谱为双幂律谱。