电离层电流与风场的耦合和反馈模拟研究

在非耦合或部分耦合电离层理论模式中，电场和风场作为独立或部分"自洽"的输入量在电离层理论模式中分别影响等离子体运动，可能因重复考虑而夸大它们对等离子体动力学的影响。而"自洽"模式如NCAR的TIEGCM由于过于庞大并不方便独立的研究风场和电场的反馈效应。本项目在现有电离层发电机理论模式和热层风场模式的基础上，设计一套中性风场和发电机电流的耦合模拟方案，通过调整耦合模式系统各个耦合开关，分析发电机电流通过安培力作用对不同高度、不同地方时中性风场的影响；分析电离层E区风场通过发电机效应对F区风场的影响；定量研究耦合体系下中性风场和电流相互反馈导致各自形态和结构的变化和差异，以及其对等离子体运动的影响。本项目研究工作可增进我们对一些独立风场和电场模式的研究结果的理解和认识，促进对中性大气和等离子体通过动量方程和发电机方程相互耦合机制的理解，加深我们对电离层中的风场电场等动力学过程和机制的认识

利用现有的电离层发电机理论模式和热层风场模式，设计了一个将电离层水平电场与风场耦合的模拟方案，在考虑电场和风场相互反馈的情况下，模拟研究了电流函数和风场在耦合前后的变化与差异。结果表明，电场与风场相互反馈后，风场的形态结构变化较小：经向风在白天有很小的差异，夜晚的差异比白天小，这个很小的差异主要出现在中高纬地区，并随高度的增加而增大，在300km左右达到最大值，其后几乎保持不变。纬向风有跟经向风相似的变化，并且纬向风耦合前后的差异更小。与中性风不同，电流函数在耦合后有较大的改变：两个涡旋强度都有较大的增加，耦合后春分日北半球涡旋有15kA的增强，程度大于南半球的涡旋，而夜晚差异较小。结果说明电离层电场与风场耦合时，风场对电场的控制作用大于电场对风场的影响。通过本研究可以增进对等离子体和中性大气通过发电机效应和动量方程耦合机制的理解，加深对电离层电场和风场等动力学过程的认识。本项目研究指导一名硕士研究生，完成相关论文9篇。