高纬向阳侧磁层顶通量传输事件的特性研究——通量管轴线方位及运动分析

本文分析了2001年2月和3月期间ClusterⅡ穿越磁层顶前后的观测资料,检测到13个通量传输事件(FTEs).用多颗卫星磁场测量资料的最小方差分析(MVAB)方法确定FTE的管轴方向(其中6个方向较可靠).FTE管轴方向的分布和低纬处不同,在磁顶法线坐标系LMN中对M轴有较大偏离,比较靠近L轴.deHoffmann-Teller(HT)分析指出,13个FTEs都存在一个很好的HT参考系,表明它们以一个准稳的MHD结构运动.对垂直于管轴方向的运动分析表明FTEs并不一定和背景等离子体一起对流,它们可快于或慢于背景流,但FTEs的运动和背景流基本沿相同方向,其间可有一不大的夹角.在HT坐标系中,10个FTEs的等离子体速度接近零,其他3个FTEs的等离子体速度约为局地Alfven波速的14%,都不符合Walen关系.其中北半球事件的Walen曲线为正斜率,南半球事件为负斜率,这说明等离子体沿磁力线(北半球顺着磁场,南半球逆着磁场)流向磁层.

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

20 0 1年 3月 2日 1 1 :0 0至 1 1 :1 5UT期间 ,ClusterⅡ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到 3个通量传输事件 (简称FTEs) .本文利用ClusterⅡ星簇 4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征 .并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布 .结果指出 :(1 )BY 占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生 ;(2 )FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡 ,达到平衡有一发展过程 ;(3)FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为 1 .89RE;(4 )FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动 ,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动 ;(5 )FTEs通量管中不仅有轴向电流 ,也存在环向电流 .轴向电流基本沿轴向磁场方向流动 .轴向和环向电流在管内均呈体分布 ,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零 ,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值 ;(6 )在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强 ,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了 .

TC-1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究

2004年2至4月期间,探测一号(TC-1)卫星和Cluster卫星有25次同时处在向阳侧磁层顶附近的磁鞘内,TC-1卫星在低纬区,Cluster卫星在中高纬区．利用这一期间两卫星探测到的27个通量传输事件(FTE),分析行星际磁场(IMF)横向分量B_T={B_y,B_z}对磁层顶重联发生位置的影响,以及分量重联的观测事实,得到如下主要结果．(1)当IMF南向分量B_2占优势(|B_2|＞|B_y|)时,FTE大多(约占87．5%)能在低纬观测到,而当IMF B_y分量占优势(|B_2|＜B_y)时,则FTE大部分能在中高纬观测到(占84．2%)；(2)很少观测到相关联的事件(关联事件指在低纬生成的FTE,向高纬运动中先后被TC-1卫星和Cluster卫星探测到的事件),表明在低纬形成的FTE可能大多沿磁层顶两侧滑向磁尾,只有少数可能运动到高纬地区；(3)中纬地区探测到的FTE大多是以分量重联方式产生于该区,而非来自磁赤道附近成对形成的FTE．

通量传输事件磁场的理论计算及其与观测的比较

根据涡旋诱发重联理论,对通量传输事件(FTEs)磁场分布特性作了计算.结果表明,卫星测到的FTEs的不同磁场分布形态,是取决于通量管的运动方向及卫星穿越通量管的部位.在北半球,当通量管由低纬向高纬(由南向北)直向运动时,不论卫星通过什么部位,绝大多数情况下观测到先正后负的B_x,变化(即正FTE),个别部位观测到先负后正的B_x变化(即反FTE);B_z是单峰分布形式,表现为V型、倒V型或是U型和倒U型.当通量管在x方向有正或负速度分量即斜向运动时,大部分部位测到的B_x呈不规则变化,B_z表现为双极分布.与61个FTEs的观测实例作了对比,理论计算与观测符合得较好.

涡旋诱发重联模型(Ⅱ)——通量传输事件理论和模拟

本文应用涡旋诱发重联理论研究了地球磁层顶区发生的瞬时局部重联现象.对向阳面磁顶区通量传输事件(FTEs)的形成、结构和运动进行了理论和模拟研究,并与卫星观测结果作了比较.结果表明,涡旋诱发重联可能是产生FTEs的重要机制.利用这一理论模型能解释FTEs的一些主要观测现象.此外,对背阳面磁顶区的局部重联从理论上作了分析,指出在背阳面磁顶区可能存在类似于向阳面磁顶区的通量传输事件.

向阳面磁顶区可压缩涡旋诱发重联模拟研究:通量传输事件的形成和结构

本文用二维可压缩MHD模型,模拟研究了向阳面磁顶区的涡旋诱发重联过程。重联过程的结果形成了同心的磁流体涡旋。同时还对可压缩模型与不可压缩模型的异同点作了对比研究。结果表明,在同样条件下,可压缩情况的涡旋发展的增长率比不可压缩情况慢;结构特性无显著变化。本文指出,涡旋诱发重联是产生通量传输事件的一种重要机制。通量传输管可看作为磁流体涡旋管。对通量传输事件诸物理量(磁场、速度、密度、压力和温度)的分布特性作了模拟研究,可解释FTEs的主要观测特性。

通量传输事件相关的动力学磁场湍流观测研究

THEMIS卫星观测到通量传输事件(FTE)的同时,也在磁层侧涡流区域观测到强磁场扰动现象.利用快速傅里叶变换分析磁场扰动频谱特征发现:大约在FTE的扰动频率(约0.1 Hz)处,功率谱密度达到峰值;在质子回旋频率(约1 Hz)至64Hz的频段内,功率谱密度随着频率的增大而减小,服从幂律分布P_0f^(-α).因此,可以认为这些磁场扰动为低纬边界层中的动力学磁场湍流.研究结果表明,当低纬边界层(Low Latitude Boundary Layer,LLBL)中卫星相对磁层顶或FTE的位置越来越远时,功率谱密度与功率谱斜率α(幂律指数)降低,但FTE所在的方位角或低纬磁层顶的磁地方时对幂律指数α和功率谱密度没有显著影响.这些观测特征表明移动的FTE是磁场湍流的源.磁层顶上的大规模扰动(如FTE)和相关的磁场湍流从动力学尺度揭示了磁鞘与磁层的类黏滞相互作用.然而低纬边界层中FTE磁层侧涡流形成所需的黏滞性是否可由磁场湍流来提供还需要验证.

高速太阳风条件下日侧磁层顶磁通量传输事件的全球磁流体力学模拟结果

利用全球磁流体力学模拟,研究了高速太阳风条件下日侧磁层顶的磁通量传输事件(FTE)发生率的空间分布.从模拟结果中得到了FTE信号,并且这些FTE信号的特征与观测结果基本一致.磁层顶上的10个取样点共观测到39个FTE信号.统计分析表明,越靠近翼侧则观测到的FTE信号越少.这一现象可能是磁鞘中太阳风速度分布差异导致的.

磁层顶通量传输事件的经验重构

在地球磁层顶附近观测到的通量传输事件(Flux Transfer Event,FTE)—般被认为是瞬态局域磁重联的产物,是太阳风质量、动量和能量进入地球内磁层的重要通道.重构FTE的磁场结构可促进对其形成、演化过程及其与周围等离子体环境相互作用的理解.Grad-Shafranov重构法和磁通量绳拟合法等传统磁场重构方法适用于满足特定物理条件的磁场结构.基于平面线性插值原理,设计了一种不受具体物理条件限定的二维FTE磁场结构重构法.模型测试以及对THEMIS和Cluster卫星簇分别观测到的两个FTE的实际应用表明,在合适的多卫星位形条件下,该方法能快速有效重构出FTE的磁场空间分布,有助于推测FTE的磁场线位形,理解卫星测量数据的时间变化,以及分析等离子体物理量相对于FTE的磁场空间分布特征.

通量传输事件的可压缩MHD模拟及与不可压缩模型的比较

用二维可压缩ＭＨＤ方程组模拟研究了地球向阳面磁层顶区通量传输事件（ＦＴＥｓ）的基本特性，并与不可压缩情况下的结果进行了比较，指出了二者的适用范围。研究结果表明，可压缩模型与不可压缩模型所描述的通量管的基本性质是相同的，可压缩模型还可描述一些不可压缩情况下不能描述的新特性。

磁层顶通量传输事件轴向统计分析

磁层顶通量传输事件(Flux Transfer Event,FTE)与磁重联相关,其典型特征为磁场法向分量的双极变化.在不同FTE模型里,FTE结构可能为重联的通量管、由多X线重联形成的闭合磁通量绳或者由单X线重联形成的开放磁场环,从而在磁层顶有不同的整体位形.使用一种新的轴向分析方法,对Cluster在一个向阳面磁层顶穿越季观测到的505个FTE进行统计研究.结果表明:在磁层顶中低纬度的侧翼,大多数FTE轴向均为沿磁层磁力线方向即南北方向,少数FTE轴向沿着不同于磁层磁力线方向的东西方向;在高纬磁层顶,大多数FTE轴向沿东西方向,少数FTE轴向沿着磁层磁力线方向即南北方向.这些统计特征有助于重新认识FTE的全球形态.

基于ETG-通量校正传输法的短间隙SF_6/N_2混合气体流注放电数值仿真

利用粒子输运方程及耦合泊松方程,研究了短间隙中10%~90%SF_6/N_2混合气体在不同阶段的流注放电特性。针对流注头部粒子空间分布出现陡梯度问题,基于不均匀的三角元网格剖分,采用Euler-Taylor-Galerkin(ETG)格式对粒子连续性方程进行时间离散,利用通量校正传输法(FCT)对离散后的方程进行求解,可以明显提高计算准确度和减小数值扩散。基于以上算法,考虑电子与SF_6/N_2中性混合气体的电离、复合、吸附以及光电离等过程,对短间隙气体流注放电过程进行了仿真。仿真结果表明,初始场强的大小影响流注的发展,随着流注发展,流注头部空间电荷加剧了两极板间的电场畸变,间隙击穿时流注头部电子浓度达到10^(20)/m^3,最大空间场强达到114k V/cm;光电离对加速流注的形成和发展有很大的影响;仿真结果也验证了ETG-FCT法应用于气体放电研究的有效性。

用优化通量校正传输技术压制数值模拟的频散

用常规有限差分法求解波动方程,进行弹性波正演模拟,当单位波长内采样点数较少(粗网格)时会遇到严重的频散现象。通量校正传输(FCT)算法可有效地压制在粗网格情况下产生的数值频散。FCT校正假设所有的极值点都是由数值频散引起的,然后对所有网格点进行扩散通量校正处理,再对非局部极值点进行补偿的逆扩散通量校正。FCT方法用于高阶差分既具有较高的计算精度,又因适应采样间隔较大的情况而节省了计算量,从而具有较高的计算速度。在传统的FCT技术基础上提出的优化FCT技术只在需要压制数值频散处对波场进行平滑处理,可节省约40%的计算量。给出了应用优化FCT技术进行波动方程正演模拟的数值算例,当参数选取合适时不仅有效地压制了数值频散,完好地保存了真实波场,又因节省了计算量而提高了计算效率。

基于通量校正传输算法的局部放电光学信号机理仿真

采用通量校正传输(FCT)算法对二维平面针板结构的正流注模型进行仿真,模拟尖端缺陷局部放电过程,得到正流注移动过程中电子密度分布、净电荷密度分布及电场的变化规律.通过推导光子通量与光电离项的关系,分析光子分布函数,得到流注在空气中运动时光子通量(每秒钟产生的光子数密度)的变化规律.结果表明:空气中正流注的发光位置往往集中在快速移动的流注头部,光子通量的大小与该位置到阴极的距离近似呈指数关系,最大值约为1.4×10^28 s^-1·m^-3.

星地空分复用高通量数据传输技术

未来卫星互联网对星地之间通信速率提出了更高的要求,但当前星地单通道传输模式存在着很多限制,很难进一步提高传输速率,这种限制主要包括频率资源、器件能力、计算能力等。针对资源受限情况下,卫星互联网等新型应用对星地高通量数据传输的需求,提出一种空分复用星地高通量数据传输解决方案,给出了系统总体架构、帧结构、空间解复用及信道均衡方法等,估算了所需计算资源,在频率资源、器件能力受限情况下,可方便实现40 Gbit/s及以上的高通量传输速率。

合肥市冬季颗粒物污染传输通道分析及通量研究

综合前后向轨迹聚类分析、激光雷达探测传输量及典型案例,系统分析2018—2020年冬季合肥市主要传输型重污染过程,揭示合肥大气污染输送通道的主要特征和污染期间PM_(2.5)的传输通量。结果表明:合肥市冬季污染主要输入通道分别为京津冀-山东西部-安徽北部-合肥(35%)、山东南部-安徽北部-南京-合肥(26%)、内蒙古-河北-山东-江苏中部-合肥(24%)、内蒙古-山西-河北南部-河南-安徽北部-合肥(15%);主要输出通道为合肥-六安或安庆-湖北-江西(54%)、合肥-安徽北部-江苏北部(18%)、合肥-河南南部-陕西(17%)、合肥-上海或浙江-海上(11%)。对激光雷达监测结果采用像素检测法分析,结果表明2018—2020年污染传输过程的平均传输通量分别可达20.3、33.7、19.5 t/h,年际差异较大。外源传输通量较高时的主导风向为偏北风,并且风速为3.1 m/s左右。合肥市处于安徽省自北向南污染传输通道的中游区域,受上游城市传输影响显著,典型污染传输型的平均传输通量可比上游城市(淮北市)低57.6%,比下游城市(池州市)高25.5%,且污染过程中常伴随PM_(2.5)的二次生成,主要生成成分为NH^(+)_(4)与NO^(-)_(3)等。

2004年3月18日高纬磁层顶多重通量管事件分析

2004—03—18 23：10-23：50UT期间，“双星（Double Star）”探测一号卫星（TC-1）在向阳面磁层顶高纬晨侧由内向外穿越磁层顶，其时TC-1的GSM坐标为（7．5RE，-5．5RE，-5．4RE），RE为地球半径．穿越过程中TC-1观测到了8个通量管和1个磁通量传输事件（FTEs）．在此期间Cluster星簇位于向阳面太阳风内，其GSM坐标为（18．0RE，-3．1RE，-6．2RE），其4颗卫星监测到行星际磁场（IMF）的易分量持续南向，毋有较大的负值．本文的研究表明：TC-1观测到的前7个通量管具有准周期重现性，周期大约是1—4min，明显小于以前所观测到的FTEs的平均周期（8-11min）；所有的通量管都具有较强的核心场．本文分别使用最小方差分析法（MVA）和Grad-Shafranov反演方法（GSR）对通量管的轴向进行了分析和对比，发现所有的通量管主轴基本沿晨昏向，结果显示GSR方法在轴向分析上比MVA优越．本文使用GSR方法对通量管的磁场结构进行了分析，恢复出了通量管的磁场在卫星穿越面的结构图；此外，本文还对这次多重通量管事件进行了deHoffmann-Teller（HT）分析，结果表明，所有通量管大致朝南极方向运动，均来源于向日面低纬区域．这说明它们可能起源于向日面低纬区，由该区的磁场分量重联产生．

红壤坡地农业景观（旱季）地表界面水分传输研究——Ⅰ．土壤-大气界面水分传输

定位观测研究红壤坡地土壤-大气界面水分传输结果证明,不同地表植被群落构建和不同农业利用景观土壤蒸发量有差异,但水汽传输通量的动态变化规律一致,土壤蒸发量日变化为典型单峰曲线.界面水分传输通量受诸多因素影响,当地表植被群落稳定、作物因素影响较小时,水汽通量除受气候条件影响外还明显受土壤含水量特别是表层土壤含水量的影响.界面水汽传输通量与净辐射能呈显著正相关,与环境温度有很好的相关性,温度越高其蒸发越强,与空气湿度呈极显著负相关.界面水汽传输通量主要受0～20cm表层土壤水分控制,二者间存在线性关系.土壤蒸发量占系统蒸散量的1/3,该部分非生产性水分消耗有控制降低的可能,可通过土壤培肥、灌溉控制、物理障碍等手段抑制土壤蒸发.

红壤坡地农业景观（旱季）地表界面水分传输研究——Ⅱ．叶面冠层-大气界面水分传输

定位观测红壤坡地典型作物系统叶面冠层-大气界面水分传输结果表明,叶面冠层-大气界面水汽传输通量大小取决于景观植物群落的构建,稳定群落叶面冠层-大气界面水汽传输通量有明显日变化规律,除受植物生理机制影响外,还明显受土壤水分和气象条件的影响.植株叶片蒸腾速率有明显日变化规律且呈单峰型曲线及多峰态势.净辐射、空气饱和水汽压差、气温、地表温度、风速对蒸腾的影响均达极显著水平(正相关),其中净辐射、气温为主要影响因子.叶片气孔导度可反映叶片蒸腾速率,叶片气孔阻力日变化规律是植物对气象条件的响应,且受土壤水分状况强烈影响.改善作物生长环境,调节气孔行为,进而协调作物蒸腾作用和光合作用耗水制约,可调控叶面冠层-大气界面水分传输,提高作物水分利用效率.

2019年秋冬季京津冀与周边地区污染传输特征分析

本研究结合大气环境观测数据,应用潜在源分析法(PSCF)和浓度权重轨迹分析法(CWT),以及基于WRF-CMAQ模式的传输矩阵和传输通量计算方法,研究分析了2019年秋冬季京津冀典型城市的大气污染特征与成因,量化评估了京津冀地区与周边省份之间的PM_(2.5)传输贡献.结果表明,京津冀地区冬季较秋季污染严重,且重污染时段PM_(2.5)浓度均与相对湿度呈显著的正相关,和风速呈显著的负相关;京津冀典型城市北京、天津和石家庄的潜在源区主要分布在京津冀本地、山西、内蒙古中部地区和山东地区,这与CWT结果基本吻合.京津冀各省域的PM_(2.5)以本地排放贡献为主,北京、天津和河北的本地贡献率范围为54.33%~66.01%,京津冀受区域外传输的贡献率范围为0.11%~26.54%.传输通量结果表明,冬季PM_(2.5)的传输主要受高空西北气流的作用,尤其清洁天气,高风速驱动清洁气团流入;秋季则主要受低空东南气流作用;传输通量呈现出显著的垂直分布特征,高空区域传输作用更为活跃,传输通量的流入/流出以及垂直分布与污染级别和RH呈现非线性响应关系,主导风向变化导致重污染前的传输效应明显大于重污染期间,高湿环境的传输效应明显小于低湿环境.