空间天气磁流体模型的并行自适应无散计算

介绍如何在并行自适应工具包PARAMESH的基础上实现磁流体并行自适应计算,并在工具包的基础上实现了中心迎风差分的CT格式、相应的插值算法和误差控制等功能模块;特别是为了保持磁流体计算所要求的磁场散度为零的限制,实现了八波方法。最后给出的三个磁流体算例表明,其计算能自动地捕捉磁流体模型的奇性变化,并可保持散度为零。该工作将为国内基于磁流体的空间天气建模研究和应用打下良好的基础。

电离层高频多普勒记录在扩展-F研究中的应用

本文通过观测实例探讨并论证了电离层高频多普勒观测在扩展-F研究中的应用.实例和相应分析表明:首先,由于高频多普勒记录的时间连续性,有利于从观测角度了解扩展-F的时间演化过程;其次,高频多普勒偏移对不规则结构造成的回波弥散、对不同尺度行进电离层扰动(TID)以及耀斑引起的突然频率偏移(SFD)效应都很敏感,这些现象在记录上出现的时间关系有利于了解扩展-F的触发因素或扩展-F与其他电离层背景扰动之间的联系或相互作用;最后,高频多普勒记录对于持续时间较长(几小时以上)或很短(小于1小时)的扩展-F都能够完整地反映,不会产生因为观测间歇形成的缺失,也可以有效区分究竟是连续一次还是一段时间内断续的扩展-F现象.高频多普勒观测有其自身的优点同时也具有一定的局限性,本文对其局限性诸如缺乏空间分辨率等也做了分析.指出发挥高频多普勒观测的优势,综合应用多种资料,通过不同手段的数据分析和比较,可以更好地为电离层扰动的物理机制和预报研究提供正确的观测依据.

等离子体参量的空间探测分布及汶川地震前后的扰动分析

近年来国内外对震前电离层异常扰动进行了大量研究，新的观测证据显示，地震活动前的电离层扰动确实存在，而且在震级大于5级的地震发生前几天到几个小时内的孕震区上空会发生显著电离层扰动。大量工作多是基于地基的空间探测，如，通过雷达测高仪探测的电离层F2层的临界频率扰动和偶发ES层变化，以及通过GPS地面接收器探测的电子浓度总含量扰动等。

海南地区电离层漂移对F10.7响应的分析研究

根据海南地区2002年3月～2004年3月期间的电离层等离子体漂移观测数据，分析了东亚低纬地区（海南）电离层等离子体漂移对太阳F10.7指数的响应特性.结果表明：（1）F10.7指数的强弱对垂直漂移速度的影响在春秋季最大，夏季次之，冬季影响较小；一天中又以日出日落附近影响最为显著，夜间次之，日间最小.（2）F10.7指数强弱对经向漂移没有显著的影响.（3）晚间东向漂移随F10.7增大而增强，日间F10.7弱时有强的西向漂移.（4）与赤道地区（Jicamarca 站）相比较，东亚低纬度地区电离层漂移对F10.7的响应有着较大的差异.

太阳活动低年电离层磁场VLF波的观测特性研究

本文利用搭载在DEMETER卫星上的感应式磁力仪(Instrument Magnetometer Search-Coil,IMSC)探测数据分析了磁场甚低频(Very Low Frequency,VLF)波功率谱的空间分布.在排除地磁扰动影响(Dst≤-30 nT,Kp≥3,AE≥200 nT)的前提下,我们给出2007年不同季节,日侧和夜侧,磁场VLF波功率谱的全球分布的背景场探测和对应的统计误差分布.利用太阳活动低年的背景场探测统计分析了磁场VLF波功率谱的频谱特性和季节变化,以及对来自空间的地磁活动的响应特征.太阳同步高度卫星探测的磁场VLF波功率谱也可以观测到源于地球特定区域里的磁场异常所产生的频谱响应.12.5～17.5 kHz频段的磁场VLF波功率谱全球分布清楚地给出了南大西洋磁场异常区的分布轮廓.夜间百慕大地磁异常影响了磁场VLF波功率谱的多个频段,并显示出类似于高纬极区磁场的地磁活动响应的观测特征.卫星磁场VLF波功率谱探测背景研究表明,源于空间的地磁扰动和源于地球的局部地磁异常都会引起电离层磁场VLF波功率谱的变化.特别是在12.5～17.5 kHz频段,我们发现了沿板块边缘分布的电离层磁场VLF波功率谱增强带,这将为我们探寻由板块运动引起的地球突发事件的电离层响应增加探测依据,为定量甄别此类事件的电离层异常信号积累实用的背景参照.

基于海南VHF雷达观测的低纬E区场向不规则体研究

利用海南VHF雷达(19.5°N,109.1°E;磁纬8.1°N)在2011年7月15—22日期间的连续观测数据,对东亚低纬3 m尺度电离层场向不规则体(FAI)特性进行了分析.主要结果表明,在整个观测期间,E区场向不规则体几乎每天发生,既可发生于夜间,也可发生于白天,且存在各种不同结构.根据E区场向不规则体发生的时间及形态,可将其分为三种结构类型:低部连续型结构、上部下降型结构以及白天连续型结构.这些低纬E区场向不规则体的回波谱特性与赤道电集流(EEJ)和中纬区E区场向不规则体中的2型回波相类似,但其随时间的变化与后两者存在明显差异,且与其他低纬区E区场向不规则体回波存在不同程度的差异.

低纬(海南)地区电离层偶发E层的潮汐类周期研究

基于低纬(海南)台站(19.5°N,109.1°E)电离层测高仪在2004年观测到的偶发E层(Es)临界频率(f_oE_s)和虚高(h′E_s)数据,利用谱分析方法,给出了中国低纬地区Es层在全年和不同季节内的短周期变化特性.对全年数据谱分析表明,Es层除具有非常强的24h周期外,还具有显著的12h和8h周期.对不同季节内两个参数的谱分析进一步表明,8 h周期主要出现在f_oE_s参数的春秋分季和夏末及在h′E_s参数的几乎所有季节;6h周期主要出现在f_oE_s参数的11-12月.海南低纬Es层中具有显著的6h和8h周期特性,特别是这两个周期还能同时出现在冬季,这是以往研究中不曾发现的新结果.初步分析认为,Es层的6 h和8 h周期极可能是分别由1/4日和1/3日潮汐所造成的.

2010年5月4日夜间海口上空钠层密度的激光雷达观测研究

使用Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生的589 nm激光,与中高层大气中钠原子产生共振,利用直径为1000 mm的望远镜接收钠层的光子回波.研究中国海口市2010年5月4日夜间的中高层大气中钠层密度分布,计算钠层的相对密度和绝对密度,研究钠层密度峰值变化.观测到突发钠层出现在23:52 LT,持续12 min.

基于嫦娥一号高能粒子数据的地球磁层屏蔽效应研究

月球绕地球运行轨道约有1／4位于地球磁层内，因此，地球磁层是否会为月球轨道附近高能粒子提供足够的磁场屏蔽对于探索月球活动具有重要影响．嫦娥一号是中国首颗绕月人造卫星，其绕月飞行的工作轨道距离月球表面200km．通过对嫦娥一号高能粒子探测器（HPD）的探测数据进行分析，比较了当月球位于地球磁层内外6个不同能道（能量范围4-400MeV）时质子通量的变化，发现当月球位于地球磁层内时，这些能道的质子通量并没有发生显著减少，结果表明地球磁层不能为月球轨道附近高能粒子提供显著的磁屏蔽．

IMF北向时磁层顶重联的模拟研究

本文基于自己开发的全球三维磁层模型,模拟研究了IMF(Interplanetary Magnetic Field)北向时磁层顶重联及磁尾结构.结果发现磁层顶附近存在两种典型的重联过程:一是高纬极尖区IMF与地球磁场的重联,这与空间观测证据和前人的模拟结果是一致的;二是重联后一端在太阳风中另一端与地球相连的磁力线在向磁尾运动中,会发生弯曲、拖曳,在磁尾晨昏侧低纬区域可与尾瓣开放磁力线满足重联条件而再次发生重联.我们认为前一重联会使磁尾等离子片产生与IMF时钟角方向相反的旋转;而后者可重新形成闭合磁力线,可能是LLBL(Low Latitude Boundary Layer)形成的重要原因.

太阳风一磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层,太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节,是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题.地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难.数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响.国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末,最初的研究局限于二维空间由于磁层内在的三维特性,20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起.本文简要说明了三维全球磁层MHD(磁流体力学)研究的特点及现状,给出了三维全球磁层模型的基本框架,综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风-磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.

磁尾爆发性整体流和地磁Pi2脉动关系研究

利用Cluster,TC-1以及中国和欧洲在中低纬六个地面台站的数据,分析了2004年10月22日1700—1930UT发生的三次BBF事件过程中地面和近地空间磁场脉动的特性.这三次BBF事件都发生在地磁活动的平静时期.结果发现,有两次平静时期的BBF确实对应着阻尼型Pi2脉动,并且脉动的特征与以前观测结果中的特征类似.在第一次BBF事件中,空间观测和地面观测均发现了Pi2脉动;在第二次事件中,地面观测到了Pi2脉动,而空间没有观测到Pi2脉动;在第三次事件中,空间和地面观测都没有发现Pi2脉动.这些观测事实说明BBF所激发的Pi2脉动特征是相当复杂的,而且并不是所有BBF都能产生Pi2脉动,所以到底BBF在什么条件下可以产生Pi2仍然是一个没有解决的问题.

太阳表面磁场的分布与演化研究进展

太阳磁场、较差自转和内部对流使得日面磁场与磁活动在很大的时间尺度和空间尺度范围均表现得相当复杂.其中最有名的是太阳活动的11年周期,或22年磁周期.在较小时间尺度上,从几秒到几小时,有时太阳大气中会发生一些壮观的爆发事件,如耀斑、日珥爆发、日冕物质抛射等.所有这些形式的事件都与太阳磁场紧密关联.简单评述了太阳磁场起源与观测方法,重点论述了不同尺度太阳磁场的空间分布与演化,介绍了从太阳磁活动现象统计得到的有关太阳磁场的几个典型特征,同时讨论了进一步研究的方向.

利用COSMIC数据研究顶部电离层O~＋扩散流的统计特征

从等离子体运动方程出发,利用COSMIC星座的掩星数据,借助相关经验模式,计算了太阳活动低年顶部电离层O^+场向扩散速度和扩散通量,并分析了其全球分布和日变化特征.结果表明,白天等离子体扩散速度的方向随高度增加由向下(极向)逐步变为向上(赤道向),方向转变的高度一般在h_mF_2+80 km以下.在白天较高高度,南北磁纬10°～20°存在着向上方向的最大扩散速度和扩散通量;而在夜间,南北磁纬30°～40°存在向下方向的最大扩散速度和扩散通量.在分点,南北半球的扩散通量和扩散速度大致对称;而在至点,扩散通量存在着明显的南北半球不对称现象.另外,不同纬度的扩散速度有着不同的日变化特征.

基于T96模型的极尖区位形变化特性研究

基于T96模型,定义了极尖区的位形以及相关的描述参量(例如赤道向边界磁纬的最小值,纬向宽度,子午向和晨昏向的张角,倾斜度,扁平度,中心磁地方时等),讨论了太阳风动压(P_d)、行星际磁场(IMF)及磁暴强度对极尖区位形的影响.太阳风动压和磁暴强度越大,则极尖区的赤道向边界磁纬越小,纬向宽度越大,子午向和晨昏向的张角越大,倾斜度越大,扁平度越小;南向IMF B_z越强,则极尖区的赤道向边界磁纬越小,纬向宽度越小,子午向的张角越小,晨昏向的张角越大,倾斜度越大,扁平度越大;北向IMF B_z与南向IMF B_z的情况刚好相反;极尖区的中心磁地方时受IMF B_y控制,IMF B_y为正时,极尖区向昏侧移动,而IMF B_y为负时,极尖区则向晨侧移动,并且极尖区的中心磁地方时与IMF B_y之间有着良好的线性关系.将所得结果与前人的观测结果进行了简单比较,发现利用T96模型确定的极尖区位形与观测基本一致.

子午工程:空间天气领域e-Science应用的典范

本文简要分析了空间天气领域的发展现状和趋势以及对e-Science的需求,介绍了子午工程的建设思路和内容,阐述了子午工程涵括的e-Science基本要素,表明子午工程是空间天气领域e-Science应用的典范。

磁云边界层内朗缪尔波活动现象的初步研究

对35例磁云边界层内朗缪尔波活动现象进行了初步分析，发现两类磁云边界层内特有的朗缪尔波活动现象．一类足相对于邻近鞘区和磁云本体，整个边界层内朗缪尔波活动增强；另一类是短时间的朗缪尔波爆发现象，同时伴随着宽频带的多普勒频移离子声波活动．考察了其中一例朗缪尔波爆发事件对应的高分辨率电子分布函数数据，发现速度约为7×10^3km／s的电子束流形成尾峰分布不稳定性导致了朗缪尔波的爆发．

火星磁层顶形成和变化的理论研究

考虑太阳风动压与行星电离层中的带电粒子热压及磁压之和平衡,建立了有大气(电离层)的行星磁层顶形成的理论模型,结合卫星对火星的观测数据,对子午面内向日侧火星磁层顶位形进行了数值计算和分析,研究了火星磁层顶位形及其与太阳风动压之间的变化关系.结果认为,火星磁层顶位形与地球磁层顶相似.太阳风动压越大,火星磁层顶越靠近火星;太阳风动压越弱,火星磁层顶越远离火星.根据火星内秉磁矩从古到今逐渐减小的观点,探索了大尺度磁场(内禀磁矩)对火星磁层顶的贡献作用,结果认为大尺度磁场越强,火星磁层顶越远离行星.这对于进一步研究火星磁层的长期演化以及其他行星磁层的位形变化都具有重要的意义.

空间天气MHD模型的并行自适应和磁场无散计算的初步应用

近年来,并行自适应方法受到并行计算学界的普遍关注,特别是在磁流体和流体计算领域。本文将介绍如何在并行自适应工具包PARAMESH的基础上实现磁流体并行自适应计算。我们在工具包的基础上实现了中心迎风差分的CT格式、相应的插值算法和误差控制等功能模块。特别是为了保持磁流体计算所要求的磁场散度为零的限制,我们实现了无散度磁场重构。最后给出的三个磁流体算例表明,我们的计算能自动地捕捉磁流体模型的奇性变化,并可保持散度为零。这一工作将为国内空间天气预测的研究和应用打下良好的基础。

海南地区电离层F2层底部厚度模型修正研究

利用海南电离层数字测高仪(DPS-4)垂测数据详细分析了由实测数据所得的F2层底部厚度参数最佳值和电离层经验(NeQuick)模式计算值之间的差异,最佳值季中值和相对值季中值的日变化、季节变化和年际变化特征。结果表明:(1)在所有季节电离层底部厚度参数最佳值和模式值之间都有不同程度的差异;(2)模式值一般都低估了F2层底部厚度;(3)太阳活动中年,不同年份厚度参数相对值R变化规律一样,相对差异较小。在此研究基础上,对NeQuick的计算模型进行了修正。修正后的模型能够较好地给出海南地区电离层F2层底部电子密度剖面。