我国中低纬地磁感应电流及其空间驱动源的研究

Exisiting research shows that threaten of high-latitude under the geomagnetically induced currents (GICs) arises from instantaneous fluctuation, as well as the influence on in mid- and low- latitudes. However, there is lack of adequate samples for the analysis on the space sources of GIC, because the low-level GIC observed in middle- and low- latitude regions during moderate storms, given the low probability of extreme events. In this project, we will deal with the real-time monitoring DC-currents in local power grid by the HHT technology, which is applied for identifying the intrinsic mode functions with responses to storm. On the other hand, we consider the relations between GIC and its space sources in different phase of storm by the Hilbert spectrum analysis, using the space observations of the solar wind, magnetosphere, ionosphere, for the purpose to obtain the key parameters of GIC at mid- and low- latitudes compared with those at high-latitudes. The application of HHT method can show the characteristics of the observation data with violence disturbance, and helps to got more various GIC events for GIC simulation and prediction.

已有的研究表明，极端空间天气事件不但会对高纬度地区的电网系统造成威胁，也会影响到中低纬区域。由于地磁感应电流（GIC）决定于地磁扰动幅度、大地电性结构和电网的基础条件三方面因素，在理论模拟GIC时存在很多不确定性，尤其是涉及磁层和电离层多种扰动源的中低纬区域。鉴于极端事件的发生概率很低，而普通强度的磁暴在中低纬区域感应出的GIC水平非常小，因此缺乏足够的事件样本来分析该区域GIC的空间驱动源。本项目计划从电网的直流监测信号入手，运用HHT方法识别电网监测信号中对磁暴有响应的本征模。同时，联合太阳风、磁层、电离层的空间观测资料，通过Hilbert能量谱分析中低纬GIC及其空间驱动源在磁暴不同时间相的对应关系，力求得到中低纬GIC的关键参数指标及其与高纬区域的差别。HHT方法的运用能客观地反映观测数据的暴时扰动特征，同时有助于各种强度GIC事件样本的积累，为中低纬GIC的模拟和预报提供参考。

本项目从空间天气管网效应的角度出发，探讨我国中低纬局域电网地磁感应电流（GIC）对磁暴的实际响应及其有效的空间驱动源。具体的研究成果体现在三方面：.针对中低纬电网GIC实际监测数据很有限且信号弱的问题，项目组提出了一种GIC弱信号识别的方法，可以在很大程度上扩充电网GIC事件的样本，为深入分析影响局域电网GIC水平的关键因素提供了有利条件。识别过程中对太阳静日周期变化成份的识别和去除，对暴时扰动本征模的筛选和组合，以及通过对暴时扰动信号的Hilbert能量谱按照四个磁暴时间相进行叠加，来量化分析电网GIC的扰动幅度，是本项目研究的一个创新点。.在对极端GIC事件期间暴时扰动特征的研究中，项目组运用不同的时频技术对超强磁暴期间的地基观测数据进行功率谱和时频能量谱的对比分析。研究结果表明，GIC监测信号存在两个频带上的能量集中分布，分别对应地磁水平分量的低频带能量和地磁水平分量差分信号的高频带能量。由此构建了一组双频带GIC地磁振幅指数，相比于已有的地磁感应电场指数，该组指数能较准确地捕捉GIC实测信号的瞬时扰动能量信息。.本项目基于上述两方面GIC实际监测事例的分析，结合已有的相关研究结果，讨论了影响局域电网GIC效应的各方面因素，其中包括GIC的内部和外部空间驱动源、大地深部电性结构和电网系统的自身因素。提出了用于综合分析局域电网GIC的三个关键指标，分别是太阳风能量注入函数、双频带地磁振幅指数和电网扰动能量振幅指数。.此外，项目组在研究扰动事件的行星际驱动源时，还考虑到行星际太阳风时序信号中存在Alfvén波动结构，并提出了一种基于EEMD技术进行Alfvén波动辨析的新方法，为多尺度非稳态空间观测的数据分析提供了一种新的思路。.以上研究结果有助于扩充GIC实测事例的样本，深入分析GIC的瞬时扰动特性，为局域电网GIC潜在风险的评估、GIC预测模型的构建等方面的研究提供了重要的参考。