基于紫外极光图像的极光电集流指数模型

极光电集流指数AE是描述地磁亚暴强弱的重要指标,且与极区磁层扰动及极光粒子沉降过程密切相关。因此,建立更加准确的极光电集流指数模型对空间天气的研究具有重要意义。利用1997年POLAR卫星紫外极光图像数据探究了紫外极光图像中极光强度I_(AP)的空间分布与AE指数在不同季节的相关性,并在此基础上提出了基于紫外极光图像的AE指数模型。以网格化方法提取极光强度空间分布特征,采用广义回归神经网络,通过相关系数法和方差选择法构建Cor-GRNN和Var-GRNN两种AE指数模型,并针对冬至月份、夏至月份、分点月份3个季节分别进行训练。研究结果表明,AE指数与I_(AP)具有相似的半年变化趋势,其相关性在不同季节差异较大。相比于太阳风驱动下的AE指数神经网络预测模型,基于极光图像的AE指数模型在E_(RMS)和R^(2)标准上均优于其他模型,其中归一化E_(RMS)小于0.1,模型对于AE指数变化的可解释度提升了10%左右。

亚暴期间极光电集流带的变化

极光活动加剧和极光电集流增强是磁层-电离层能量耦合的两种重要表现形式,它们同为磁层带电粒子向电离层沉降的结果,但是变化规律却非常不同.本文用地基磁场资料,反演极区等效电流体系,研究地磁平静期和扰动期极光电集流带的运动特点.研究表明,Harang 间断把极光电集流带分为两段:下午—黄昏段的东向电集流带较弱,而晨侧和子夜—凌晨段的西向电集流带较强.在亚暴膨胀相,随着 AE 指数增大,整个极光卵向赤道扩展,而极光电集流带却表现出分段差异的特点:下午—黄昏东向电集流带向低纬移动,晨侧西向电集流带也向赤道移动,而子夜—凌晨西向电集流带则向极移动.电动力学分析表明,在不同地方时段,控制电流的主要因素不同,因而,电流及其磁扰有不同的特点:下午—黄昏东向电集流和晨侧西向电集流组成了 DP2电流体系,主要受控于磁层对流电场,反映了"驱动过程"的行为;而子夜—凌晨西向电集流是 DP1电流体系的基本部分,主要受控于电导率,反映了"卸载过程"的特点.

南极中山站极光电集流分布特征分析

本文通过 1 997年在南极中山站观测的极光和所对应的地磁场扰动 ,利用 AU、AL、AE指数描述极光电集流在南极中山站的分布规律及其强度 ,我们发现东向极光电集流强度是正值 ,西向极光电集流强度是负值 ,从绝对值来说 ,西向极光电集流强度大于东向极光电集流强度。南极中山站夏季的极光电集流强度大于冬季的极光电集流。秋夏冬季节的东向极光电集流在72 0～ 1 44 0分 (世界时 1 2～ 2 4时 )的分布规律的拟合曲线类似口朝上的抛物线形 ;西向极光电集流在 72 0～ 1 44 0分这段时间的分布规律的拟合曲线类似正弦波形。了解了极光电集流在南极中山站的分布特征 ,有利于极区电离层和磁层耦合及极光动力学的研究。

1998年8月6日亚暴期间极光电集流指数AE的特征分析

极光电集流指数(AE)被广泛用来定量描述由电离层电流引起的极光带地磁活动.AE指数也是宏观描述亚暴事件强度和发展过程的一个主要指标,它的优点在于简单直观和快速.本文对1998年8月6日系列亚暴事件的极光活动、电流体系和AE指数的形态特征进行了分析.结果表明,伪亚暴期间虽然AE指数大于500 nT且有快速增长和缓慢恢复的形态,但是极光没有明显的极向或者赤道向的扩展,极区电流体系主要呈现对流特征;伪亚暴和亚暴期间AE指数的形态变化没有本质区别,但电集流中心的位置有很大差异.我们进一步分析了台站分布对AE指数计算的影响,探讨了伪亚暴和亚暴期间磁场扰动最大值所处的磁地方时的差异.

极光电集流纬度变化特征初步分析

为研究极光电集流地磁纬度分布特征,利用北半球SME台站提供的极光电集流指数,通过时序叠加的方法,分析98-07年极光电集流中心地磁纬度随季节和世界时的分布特征.通过对磁扰程度的分级,分析极光电集流地磁纬度随地磁扰动程度的变化特征.结果表明:1)由于SME台站覆盖范围更广,更多地记录到最大的极光电集流强度,有利于研究极光电集流的变化特征;2)西向极光电集流纬度分布存在与强度相反的季节性变化特征,在春秋出现最低值,冬季、夏季出现最高值;3)在SML<2000nT时,西向极光电集流地磁纬度随着极光电集流强度的增强,近似以线性关系向低纬迁移.随后伴随SML的进一步增强,西向极光极光电集流中心地磁纬度仍有向低纬迁移的趋势,但主要是在磁纬62°N-63°N之间波动.

极区电离层电流与极光电集流指数关系的定量分析

极区电离层电流体系主要是由场向电流产生的,在平静状态下,极区电流由一对晨昏电流涡组成,而当亚暴发生时,强度为几百万安培的西向电集流造成极区地磁场的剧烈扰动,极光电集流的强度通常用极光电集流指数AL,AU,AE和AO来描述,本文用国际磁层研究计划(IMS)执行期间,由北半球71个高纬地磁台的资料所得到的极区电流函数,定量分析极区电流特征与极光电集流指数的关系,研究结果表明,AL,AU指数与AE指数有很好的线性关系,所以可以用AE(乘以适当比例因子)近似代替AL和AU,AE指数可以近似表征极区总电流以及晨昏电流涡强度,定量分析表明,AE指数的1 nT对应极区总电流1000 A.AE指数与最大西向电流密度有很好的正比关系,AE指数的1 nT对应地磁子夜最大西向电流密度1 A/km,在夜间扇区的不同地方时,电流密度随纬度变化的趋势大体相似,最大西向电流密度一般位于地磁子夜附近和地磁纬度65°～70°处,而东向电流密度在80°附近达到极大值,分析还表明,就5min平均值而言,AE指数的饱和值约为700 nT,AL的饱和值约为-500 nT,所以,在研究磁层-电离层过程时,使用饱和值以上的极光电集流指数需十分谨慎。

对流电场、场向电流和极光区电集流变化的地磁响应

对流电场、场向电流和极光区电集流是磁层一电离层耦合的主要物理过程．它们的演化发展时间分别为几分钟至半小时的量级．本文用１００°Ｅ和３００°Ｅ的两个地磁经度链附近各１１个台站的１ｍｉｎ均值地磁Ｈ和Ｚ分量资料，分析了１９９４年４月１６—１７日磁暴期间磁层耦合过程对极光区和中低纬区电离层扰动的地磁特征．强磁暴开始时，台站所处的地方时位置不同，则观测到的电离层和地磁响应也完全不同．这是磁层对流和一、二区场向电流共同作用的结果．一般说，扰时极光区的西向电集流变化更为强烈．随着耦合的发展，极光区范围会向南北扩展，电集流中心带则向低纬侧移动．在中低纬区，二区场向电流的建立能屏蔽一区场向电流所产生的扰动，并引起反向的电流及地磁变化．由此，中低纬区夜间有可能出现短时间的东向电场，又可通过ＥＸＢ的垂直向上漂移作用抬升Ｆ层等离子体，并发生同一经度链附近的多站电离层ｈ＇Ｆ同时突增现象．另一方面，磁赤道附近的台站则更多地受内磁层赤道环电流和电离层赤道电集流的影响．

电离层对流和极光区电集流的地磁链观测

本文采用31个高纬地磁台站资料考察1997年5月15日一次中等磁暴期间极光区电集流和电离层对流的空间分布和时间变化;其中20站处于纬度60°N～80°N之间的西半球,而另11站是偶极磁经度约为120°E的欧洲IMAGE地磁站链.对此纬度链和经度链上各站1min精度地磁资料的综合分析结果表明,极光区电集流中心的相对强度及其纬度位置是随世界时和地方时区不断变化的.电集流中心所处位置的变化可能是其中心的南北移动造成的,也可能是中心带与磁纬圈间的相互倾斜所致.另一方面,电离层对流形态和晨昏对流圈的经向跨度及其两端的位置是基本不变的.有关结论得到同期的非相干散射雷达EISCAT观测的证实和补充.

太阳风参数对极光电集流中心纬度变化的影响

为了认识并了解磁层能量输入对极光电集流中心纬度变化的影响,本文使用1998-2006年的SuperMAG、OMNI以及EPI数据分别分析了西向和东向电集流中心纬度与行星际磁场Bz分量、太阳风速度、以及极光沉降粒子估算能量的变化特征.研究结果表明:(1)当Bz<0时,磁场强度越大,西向和东西电集流中心纬度越低,西向电集流朝晨侧移动,东向电集流朝正午方向移动;(2)在Bz>0时,电集流中心主要受太阳风速度控制,当太阳风速度较大时,电集流中心向低纬移动;(3)电集流中心纬度随其强度的变化特征与随EPI的变化特征一致.

在改正地磁坐标下比较平静期极区电集流

极区地磁场静日变化Sqp等效电流体系能够很好地反映出平静期间电集流的分布情况. 在地磁坐标系(GM)下, 电集流在南北两极地区的分布不完全对称. 使用改正地磁坐标系(CGM)后, 消除了这种不对称性. 并由此说明南北两极地区电流体系在磁力线的映射关系上是共轭的, 并且电集流分布受地磁主磁场控制. 电集流位置与季节关系不大; 强度夏季比冬季大, 夏季与冬季之差值白天较大, 夜晚较小.

2000年4月6日磁暴夜侧场向电流变化特征

利用全球地磁台站观测数据,研究了2000年4月6日超级磁暴期间北半球夜侧场向电流变化特征.结果表明,磁暴主相期间,北半球夜侧中纬地区呈现东向磁扰的主要特征,子夜后扇区东向磁扰强于子夜前扇区.这表明夜侧高纬电离层的场向电流以流出电离层为主,流出电离层的场向电流中心在子夜后扇区,靠近子夜,即Ⅱ区场向电流和部分环电流体系在磁暴主相期间向昏侧偏转.磁层亚暴对夜侧流出电离层的场向电流有一个先减弱后增强的效应.磁暴主相期间部分环电流和Ⅱ区场向电流的发展与子夜后-晨侧扇区的西向电集流增强相对应.

2000年7月15～16日磁暴期间高纬地磁场的响应

根据IMAGE台链的地磁资料,对2000年7月15～16日磁暴期间高纬电离层等效电流和极光带电集流进行了分析,结果表明在磁暴期间,高纬地区出现大尺度等效电流的涡旋结构,午后一侧的电流涡可能对应行星际磁场北向时NBZ场向电流、Ⅰ区和Ⅱ区场向电流共同作用形成的4涡等离子体对流的图像.当行星际磁场转南后,电离层恢复双涡对流,因此在清晨一侧仅可观测到单涡的等效电流体系.Harang不连续带出现在IMAGE台链磁当地时子夜之前,从高纬到低纬该不连续带内电流流向的结构为西向-东向-西向.磁暴初相期间,东向电集流的中心所处纬度往低纬迁移,在修正地磁坐标系(CGM)中,其最低到达58～59°纬度.主相开始后西向电集流迅速增强,其电流中心到达、甚至超过观测台链的最南端(56.45°).