基于真实地磁场的中低纬电离层电场理论模式

地磁场作为电离层电动力学过程的背景磁场, 对全球电离层发电机过程以及电离层电场、电流的分布有着决定性的影响. 在研究电离层电场经度结构等精细问题时, 以往模拟中经常采用的偶极场近似过于粗糙和理想化. 基于电离层发电机理论, 通过改进原有电离层电场模式, 在改良的APEX坐标系下发展了一个电离层发电机模式. 该模式较为灵活, 地磁场既可采用较为真实的国际地磁参考场(IGRF)也可采用理想的偶极场, 中性风场和电导率由经验模式的输出参数计算得出. 采用逐线法求解电势的偏微分方程得到中低纬电离层静电势、电场和电流的时空分布. 模式较好的再现了电离层电势、电场和赤道电集流的基本结构和形态, 可应用于中高层大气、电离层电动力学过程的相关研究.     

磁尾等离子体片和地球同步轨道区域对行星际激波的响应

2004年7月22日, WIND飞船探测到一个典型的行星际激波, 激波前为持续较长时间的微弱南向磁场, 越过激波面, 磁场发生南向偏转并被压缩. 当激波作用于磁层时位于磁尾等离子体片不同位置的TC-1卫星和Cluster卫星都观测到等离子体对流迅速增强. Cluster上搭载的电场探测仪器可以直接观测到晨昏电场的增加. 位于磁尾等离子体片以及地球同步轨道不同位置的卫星观测到的磁场变化则不同: TC-1观测到磁场大小几乎不变但磁场仰角变小, 而离赤道较远的Cluster卫星则观测到磁场显著增强; 位于午夜侧附近的GOES-10卫星观测到磁场强度突然增加, 磁场仰角变小; 位于晨侧的GOES-12卫星的观测则表现出简单的磁场压缩, 即磁场强度及各分量都显著增加. 另外, 分布在各个磁地方时的LANL卫星观测的高能质子和高能电子通量都脉冲增强, 在向阳面粒子通量的变化比夜侧明显, 位于午夜侧的粒子通量响应则最弱. 文中还讨论了这些观测现象的可能的物理解释. 以上磁层响应是由动压脉冲结构以及磁场南向偏转共同作用的结果.     

GRAPES 变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化

变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料, 使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能. 各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子, 观测算子给出了大气状态物理量和观测物理量之间的确定映射关系. 详细介绍了GRAPES-3DVar同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现, 包括系统中不同选择的模式变量所对应的空间插值、直接同化卫星辐射率观测的物理量变换和质量控制等观测算子的各个组成部分. 之后, 考虑实际卫星辐射率资料, 进行了应用试验. 为此使用NOAA17 AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料, 设计了两个同化试验方案. 根据试验结果能够在清楚的物理意义上理解和反映GRAPES-3DVar系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果.     

火山、温泉成因新探

本文通过对火山爆发时各种现象的综合分析,并结合一些观测资料,提出一种新的观点:火山爆发也是由于电离层、磁层电场与地球发生电磁感应,由于趋肤效应而使电荷集中在地球表层,并感应形成涡电流,对地表物质产生电加热,使地表物质被电离而导致等离子体在地表大量积集,当达到一定条件而发生等离子体复合放能时,火山爆发便形成了.同时,火山爆发还存在显著的地电化学效应.此观点能较好地解释火山爆发时的各种现象.     

中国及周边海海温资料同化系统

在一个嵌套的海洋环流模式基础上,采用基于变分原理的最优插值方法,初步建立了一个中国及周边海海温资料同化系统.利用1998世界大洋数据集(WOD98)中的海温垂直剖面资料和欧洲中心再分析风应力资料进行了连续12年的同化试验,初步结果表明,同化方案是有效可行的,与未同化前相比,资料同化提高了模式计算的真实性,对中国及周边海海洋环流状况的描述有了很大改善.如所揭示的黑潮的强度、流幅、夏季黄海冷水团及其对应的水平环流、晚夏早秋南海的偶极子涡及其中间的东向急流等都更接近于观测结果.     

应用我国再入返回飞行器服务舱探测到较强月球电离层信号

月球电离层的存在是一个具有争议性的问题.迄今为止,前苏联、美国、欧洲和日本先后采用掩星及就位观测手段对月球电离层进行了探测,探测结果存在一定差异.为探测及研究月球电离层,利用我国月球探测工程再入返回飞行器服务舱在地面测量站开展了自主的S/X相干双频掩星观测.本文采用本地相关处理方法提取各频点连续精确的相位信息,初步获得了月球电离层电子柱浓度的探测结果,证实了月球电离层的存在,同时提出了新问题:为什么存在如此强的月球电离层?     

初始扰动对数值模式模拟能力的影响

大气和海洋模式数值模拟的结果是否准确, 首先取决于模式的模拟能力. 由于大气和海洋运动本质上是非线性的, 其运动状态依赖于初始场(初值). 模式作为非线性发展方程的离散化形式, 其运动状态仍然依赖于初始场. 初始场的微小变化有可能导致模式的结果完全不同, 甚至使模式丧失模拟能力. 而对大气和海洋运动的实际问题进行数值模拟时, 无论所用的观测资料如何准确, 初始场难免存在着误差. 由于这些误差的存在, 可能会使得模式的结果与实际状态相比大相径庭. 因此, 探讨初始扰动对模式模拟能力的影响就成为大气和海洋科学中的一个热点和难点问题. 正是基于这种情况, 激发了20世纪80, 90年代资料同化技术的快速发展. 通过资料同化的方法对初始场误差进行订正, 极大地改善了初始场的质量, 使其更接近大气和海洋运动的实际状态, 模式的模拟能力得到了一定的提高. 但资料同化的方法到底能在多大程度上改进模式的模拟能力, 到目前为止仍是一个尚未解决的难题.     

中纬电离层电子密度和垂直漂移速度的潮汐波谱对比分析

利用CHAMP卫星观测数据对全球中纬电离层电子密度(?Ne)和纬向风引起的等离子体漂移速度(?Vz)进行了非迁移潮汐波谱分析,研究发现:D0(DE1)为南(北)半球?Ne和?Vz大尺度一(二)波结构的主导周日非迁移潮汐分量,南半球主导波谱幅度大于北半球;全球电离层-热层模型证实这些主导潮汐分量主要由电离层-热层当地物理过程激发;?Ne和?Vz主导波谱强度的相对强弱程度不同,随季节的变化规律不一致,对太阳活动水平的响应也相反,表明观测到的电子密度的经向差异还来源于除纬向风之外的其他物理过程.     

一个载水的套网格N层原始方程模式

为了预报和研究大尺度云系的云物理特征,设计了一个载水的套网格N层原始方程模式.在粗网格区域上运行常规的大尺度数值模式山,在细网格区域上可运行载水模式.粗网格为细网格提供时变的侧边界值. 1 模式方程组     

回旋动力论进展

在实验室和自然界等离子体中有限Larmor半径效应(FLR)影响诸多不稳定性,发展保留有限Larmor半径效应的约化动力学方程显得相对重要.将动力学方程从粒子坐标表象变换到引导中心坐标表象有效地保留了有限Larmor半径效应,由此而得到的约化动力学方程称之为回旋动力方程.自Rutherford和Frieman及Taylor和Hastie等人开创性的工作后,经Chen,Tsai,Dubin,Brizard 等人的发展,回旋动力论经历了从低频模到任意频率模、从恒定磁场位形到任意磁场位形、从静电模到电磁模、从非相对论到相对论、从线性理论到非线性理论的发展过程,自身理论框架不断得到完善,形成了等离子体动力学理论的一个重要分支,成为国际上的研究热点之一,并在高能粒子分量对等离子体的稳定与激发、静电低频涨落的数值模拟、保留有限Larmor半径效应的MHD方程等方面得到应用.     

天体物理和空间物理中辐射磁流体动力学数值模拟研究现状与展望

宇宙中超过99%的重子物质都是等离子体,磁场在其中广泛存在且与等离子体相互作用.另外,辐射也往往对于这些等离子体的动力学起着重要影响.因此,完整描述这些等离子体的基本物理规律依赖于辐射磁流体动力学.由于非线性以及物理上多尺度耦合的特征,数值模拟在求解辐射磁流体动力学方程中起着重要的作用.近年来,由于技术及软硬件的快速发展,数值模拟的作用越来越显著,已经与观测、理论一起,发展成为了3种主要的研究方法.本文综述辐射磁流体动力学的数值模拟在天体物理(包含太阳物理)以及空间物理领域的研究现状,并对未来的发展进行展望.     

太阳耀斑和相关电离层吸收事件

利用23周太阳峰期期间南极中山站(不变磁纬74.5°S)成像式宇宙噪声接收机的观测结果, 对由太阳质子和X射线耀斑引起的日侧电离层吸收事件进行了分析, 定量地给出电离层吸收和X射线耀斑强度的对应关系, 同时还利用北极Ny-Alesund(不变磁纬76.08癗)站的观测数据对此关系进行对比研究, 得出了在理论和观测上都较为一致的结论. 同时, 认为M级以上的X射线耀斑才能引起日侧电离层较为明显的吸收.     

MSRT系统工作模式的新发展: 一维日像仪和行星际闪烁望远镜

介绍了北京天文台米波综合孔射电望远镜（MSRT）新发展的工作模式：太阳一维日像仪和行星际闪烁（interplanetary scintillation,IPS)望远镜,简述了两种新工艺模式的科学目标、硬软件配置及系统功能,并给出了观测太阳米波爆发和IPS的实例。实测结果表明：这两种新工作模式不仅可以提供太阳活动空间及时间演化的信息,而且可追踪监测太阳活动引起的行星际等离子体激波的传播、空间分布及电离层不稳定性等,两者构成了填补部分前沿空白的新设施。     

电离层与太阳活动性关系

秉含着不同时间尺度的太阳电磁辐射变化无疑会调制电离层. 作为电离层物理的核心 问题之一, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结构与演变的基础. 本文简要地综 述最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得的进展, 涉及的内容包括: (1) 在太阳 辐射的观测与太阳活动指数方面, 以电离层研究的视角评述了太阳活动指数存在的问题, 统 计证实了太阳活动指数与EUV 辐射通量间的非线性关系, 以及改进太阳活动指数的一些努 力; (2) 阐述了在不同高度电离层的太阳活动性依赖性的工作进展, 特别是最近的统计研究发 现, 随着太阳EUV 辐射通量变化, 电离层电子密度变化趋势与所在纬度、季节、地方时和高 度有关, 可区分为准线性、放大和饱和3 种类型, 取决于不同的主控物理过程; (3) 太阳活动 历史序列和23/24 太阳活动周极低展示出太阳活动性存在极端现象, 讨论了太阳辐射极端条 件下的电离层状态; (4) 在电离层的耀斑响应方面, 对全球观测数据的分析研究揭示出耀斑期 间电离层响应与一些太阳参数的统计关系, 特别是修正了以往关于电离层响应与天顶角无关 的错误论断. 利用电离层模式成功模拟了耀斑期间电离层响应的季节、地方时变化和高度差 异等的观测特征. 以上相关工作有助于理解电离层的基本过程, 并为电离层建模、预报和相 关工程应用提供指导.     

汶川特大地震前电离层主要参量变化

利用GPS-TEC和厦门电离层测高仪数据, 分析了汶川大地震前我国地区电离层的形态和变化. 其中, 利用JPL提供的电离层TEC地图数据分析发现, 在地震前3天的下午16~18 LT, 汶川以东南约20°范围内的我国地区电离层TEC出现了10~15 TECU的显著增强, 同时在南半球磁力线共轭区也出现了电离层TEC增强现象, 增强幅度约10 TECU, 在此区域外全球其他地区未见明显TEC增加或减少. 从TEC数据中也可以看出在地震前6天(5月6日)我国南方地区发生了电离层TEC减小现象, 与9日出现的电离层TEC增强现象相比, 此次减小的幅度较小(约4 TECU)、区域较大(经度方向约80°), 在南半球磁力线共轭区域未见如此大面积的TEC同步减小现象. 主要分析厦门站数据并参照少数其他台站测高仪资料的监测结果显示, 我国多个电离层垂测站均观测到电离层的异常扰 动. 发现震前3天地震附近地区出现了电离层参量异常增加, 与以往研究发现的震前电离层参量异常减小的结果不一致, 初步分析此次震前震前3天电离层参量异常增加可能与该区域电场突然增加有关, 可能是本次地震的电离层前兆; 震前6天电离层参量的异常减小可能与发生在5月5日的地磁小扰动有关, 具体因素需进一步分析.     

GRAPES新一代全球/区域变分同化系统研究

概要叙述了新发展的全球与区域同化预报系统的资料同化部分的科学设计与初步试验的结果. 本阶段的目标设定为建立可以直接同化卫星辐射率等遥感观测资料的系统框架, 采用三维变分同化方法, 并实现全球与区域一体化. 为了与预报模式一致, 分析变量定义在离散格点上. 将分析变量分解为动力平衡与不平衡两个部分, 并引入递归滤波或谱变换滤波进行变量变换, 得到与分析变量相异的控制变量, 它们使目标函数的极小化过程的性状得以大大改善. 而平衡关系的选择可以根据分析变量的尺度特征来确定, 其在总分析方差中所占的比例则由背景场的误差方差所控制. 理想试验的结果与解析求解一致, 表明了系统数值方案的正确性. 利用实际观测资料进行连续同化试验, 结果表明即使在使用常规资料条件下, 变分同化方案与过去通行的同化方案相比也有突出的优势. 最后讨论了系统进一步发展的问题.     

TC-1卫星在近地磁尾观测到的持续尾向流事件

2004年7月11日ACE卫星、Imagine卫星和TC-1卫星联合观测到伴随有持续尾向流的亚暴过程. TC-1卫星在近地磁尾晨侧观测到的磁尾亚暴过程有三个阶段: 增长相过程(11:43~12:19), 预膨胀过程(12:19~12:28)和偶极化过程. Imagine卫星在12:26观测到极光突然增亮; 2 min后偶极化过程发生. 尾向流的持续时间约45 min, 经历了增长相和预膨胀相. 随偶极化过程的发生, TC-1卫星进入等离子体片内观测到高速地向流. 尾向流具有明显的高密、低温和沿磁场方向流动的特征, 与Cluster等卫星在近地磁尾观测到的电离层上行离子流特征吻合. 卫星的联合观测表明近地磁尾尾向流与南向行星际磁场密切相关, 对亚暴过程有重要影响.     

均匀引力场中的热平衡和磁静力平衡

均匀引力场中等离子体的磁静力平衡方程,在太阳物理学中得到了广泛的应用.太阳大气中的很多现象,例如太阳黑子、宁静曰珥以及色球层和日冕中的某些结构,常常能够维持几小时到若干天的时间,因此,一般可以采用磁静力平衡模式近似处理.磁静力平衡方程是     

马航MH370残骸漂移轨迹分析和预测

2014年3月8日,马航MH370航班在从吉隆坡飞往北京的途中失联.2015年7月29日,位于南印度洋西侧的法属留尼汪岛发现疑似属于该航班的残骸,后经法国检方证实该残骸来自失联的MH370航班.首先从观测数据入手,对印度洋表面漂流浮标数据进行分析,发现有11个经过南印度洋疑似坠机海域的表面漂流浮标最终经过留尼汪岛海域,其中有2个向西北方向漂移的浮标耗时500 d左右,与残骸实际漂移时间相近,从观测事实的角度证实了飞机残骸漂移至留尼汪岛的可能性.基于Leeway海上漂移理论和蒙特卡洛方法,建立了南印度洋海上目标漂移轨迹预测模式.分析处理了南印度洋的再分析风场、流场数据作为动力强迫场,在疑似坠机海域设置大量的漂移目标,设置相隔5 d不同初始时刻的3组实验,每组实验包括风漂系数为1.2%,1.5%和1.8%三种情况,对目标进行500 d的漂移轨迹预测,预测结果与表面漂流浮标轨迹分析结果基本一致,说明漂移轨迹预测模式性能是可靠的.结果显示,不同初始时刻3组实验的目标大部分最终位于印度洋10°~35°S之间,且都有一定数量的目标能够漂移到留尼汪岛海域,平均概率为16‰.这些漂移到留尼汪岛海域的浮标轨迹类型可分成三类:第一类是先向东北漂移,到达澳大利亚西部海域时再向西北漂移,在15°S附近受南赤道流的影响再向西漂移;第二类为先向北再向西漂移;第三类为向西北漂移.这也从侧面验证了之前相关部门推算的MH370航班在南印度洋的坠落区域及搜寻区域大致正确.     

海表温度的自适应变分同化

在以前工作的基础上，进一步对所提出的自适应变分资料同化方法在表面海温（SST）资料同化进行了探讨，并将其应用到实际的SST资料同化中，利用一个湍流封闭混合层模式对LOTUS锚系浮标资料进行了同化试验，同化结果表明，自适应变分方法对海表和海面以下混合层的海温都能够进行较好地订正。