暴时极区舌状电离结构的热层效应研究

During geomagnetic storms, the energy from the solar wind can be deposited into the polar I-T system and induce complex variations. The ionospheric plasma in the polar cap region often flows as a two-cell convection pattern during geomagnetic disturbances. The high-latitude enhanced convection electric field during storm time transports the dense plasma from the daytime mid-latitudes into the polar cap region and then causes a tongue of ionization (TOI), which is characterized by a longitudinally narrow region of enhanced plasma density from middle to high latitudes in the noon-midnight direction. In this study, we use the high-resolution Coupled Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere Model (CMIT) to study the behavior of polar thermosphere during geomagnetic storms. We will concentrate on the TOI effect on the thermospheric temperature, density, and winds, including the magnitude, latitudinal and longitudinal range, time scale and the solar wind/interplanetary magnetic field dependence of the influences. The underlying physical mechanisms such as the processes of Joule heating, collision heating, and ion drag will also be investigated. This study will improve the accuracy and reliability of spacecraft navigation and positioning, and give better forecasts of space weather.

磁暴期间，中低纬日侧电离层的等离子体在增强的对流电场的作用下被输运至极区，并形成舌状电离（Tongue of Ionization，TOI）现象。受观测手段的覆盖范围和模式精度所限，目前磁暴期间TOI结构影响热层的过程和机制尚不清楚。本项目计划利用高精度磁层-电离层-热层耦合模式研究暴时极区电离层热层系统的响应，重点围绕TOI结构对热层的影响为主题，分析TOI结构对热层温度、密度和风场等参量的影响过程，探究其影响的大小、空间范围、时间尺度，及对太阳风/行星际磁场和季节等条件的依赖性，甄别焦耳加热、摩擦加热等因素在热层变化中的相对贡献，揭示暴时极区电离层-热层耦合的物理机制，为提高空间天气预报能力服务。

极区电离层-热层直接连接磁层和地球大气，是空间天气效应的重要组成部分。而舌状电离结构（TOI）是暴时极区电离层的典型现象，对极区TOI结构及其热层效应的研究有利于提升该区域的空间天气预报能力，为通讯、导航以及卫星定位等提供支持，具有重要的科学意义和应用价值。在本项目的三年执行期内，主要围绕极区电离层TOI结构这一现象，通过观测和数值模拟，研究地磁活动期间极区电离层TOI结构的精细演化特征，探究TOI结构对热层影响的变化规律和物理机制。主要取得的研究成果包括：（1）创新地发展了环形抛物线重构滤波方法，建立和发展了高精度的电离层-热层-电动力学耦合模式，该模式拥有经纬度0.625度的精度，并与磁层及低层大气模式相耦合，具有国际先进水平，解决了过往极区不稳定结构的问题；（2）利用研发的高精度热层-电离层-电动力学耦合模式，结合DMSP卫星、GPS TEC和电离层测高仪等多种观测手段，首次报道了双舌状电离层结构（TOI）的存在，同时基于模式控制实验证明，异常的上午侧TOI的主要来源于日侧极光粒子沉降；（3）利用高精度磁层-电离层-热层耦合模式（CMIT），探究了2015年3月磁暴期间电离层TOI结构对热层的影响，发现TOI结构通过改变F层电导率影响热层焦耳加热过程，继而造成热层温度和密度的改变。系列研究将为提高空间天气预报能力提供理论基础。.在本项目的资助下，共发表9篇高水平论文，其中项目负责人第一/通讯作者文章7篇（包括GRL、GMD、JGR等）。