扰动条件下极区电离层数值模拟研究

The polar ionosphere is greatly influenced by aurora particle precipitation and convection electric field originating from the solar wind and the magnetosphere. During period of large geomagnetic storms, enhanced sunlit plasma density from lower latitudes in the postnoon sector was observed to follow the convection contours toward the cleft and the polar cap, evolving into polar ionosphere space weather phenomena such as polar cap patches under the influence of auroral precipitation and convection. However, there is still no agreement on the formation mechanisms of patches and little is known about their evolving features across the polar cap area. This project is intended to study formation mechanisms of polar cap patches theoretically using a 3-dimensional time-dependent high latitude ionosphere model. It is expected to obtain new knowledge about the patch formation between different potential mechanism under different interplanetary solar wind conditions, and the forming and evolving features of polar cap patches in different seasons and geomagnetic activities. The 3-dimensional time-dependent high-latitude ionosphere model is expected to get improved to reproduce polar ionosphere feature during disturbed space conditions.

极区电离层强烈受到来自太阳风和磁层极光沉降粒子和极区对流电场的影响，特别是磁暴期间较低纬度的光致电离等离子体水平输运经过极隙区，在极光粒子和对流电场的工作作用下，形成极盖等离子体云块等空间天气现象。目前对于极盖等离子体云块的形成机制和演化过程尚无定论。本项目拟通过已经建立的极区三维时变电离层模型，理论研究各种可能的物理机制对极盖等离子体云块形成的贡献，获得极区等离子体云块在不同行星际太阳风条件下的规律性认识，研究不同季节和不同地磁活动条件下等离子体云块的形成规律。改进极区电离层模型，开展扰动期间极区电离层响应的数值模拟。

本项目研究发现，中山站冬季NmF2磁中午异常主要由光致电离等离子体与极区对流共同作用的结果。与中山站构成地磁共轭的Longyearbyen站NmF2日变化在太阳活动高年和低年的不同形态分别由F层等离子体水平输运和极光粒子沉降所引起。中山站、Tromso站和Longyearbyen站NmF2月中值随太阳活动指数P总体上呈线性增长趋势。在北极两个台站冬季，NmF2随P变化还表现出一定的放大效应。ZHS站夏季，NmF2随P变化表现出了一定的饱和效应。中山站在地磁扰动期间的F-lacuna均发生在03:00-13:00MLT时间段，即主要集中于磁地方时晨侧。F-lacuna发生期间的电离层TEC的变化分析显示，TEC越大，F1-lacuna发生率越大，TEC越小，F2-lacuna发生率越大，Total lacuna在不同水平TEC下，发生率几乎不变。F2-lacuna的发生与局地增强的极区对流电场有关。数值模拟显示，日侧局部增强的极区对流电场能有效“切割”逆阳对流导致的舌状等离子体结构（TOI），形成机盖区等离子体云块。等离子体云块在午后的传输强烈受到行星际磁场南向分量变化的调制，行星际磁场转北向时，等离子体云块传输受到抑制。极区电离层TEC统计结果显示负向行星际磁场By和Bz有利于日侧等离子体传输穿越极盖区进入夜侧，并在极光带纬度出现主要向晨侧运动的趋势。改进的三维时变高纬电离层模型初步具备模拟极区扰动电离层特性的能力。.本项目对南北极极隙区纬度F层特性进行了系统研究，特别针对南极中山站测高仪观测数据，对F层日变化磁中午现象和扰动条件下的测高仪F层观测空白现象进行了系统研究，在极区全域范围内的电离层TEC等离子体云块的形成和演化方面取得了创新的研究成果，结合观测结果分析的数值模拟，对其中的物理过程进行了细致的分析，相关研究结果对构建极区电离层预测模型奠定了基础。