基于多台站观测的区域地磁活动指数研究

The analysis of geomagnetic state and its perturbation is one of the important topics at the forefront of space weather and near-Earth space environment field. As the physical mechanism of the influence of geomagnetic activity is not fully understood yet, currently there are no systematic quantitative or scale levels description for geomagnetic state and its perturbation, except the auroral zone area, which greatly limits the development of regional geomagnetic activity forecast. The aim of this project is to design regional geomagnetic activity index and set scale levels mainly using the long time series of geomagnetic data from Meridian Project. We extract the main geomagnetic observation elements for the operational requirements of the space weather service, analysize the characteristic of geomagnetic activity in different regions of China, and design a new regional geomagnetic index, then construct the nowcast system. We expect to explore the physical meaning and the relation to interplanetary conditions by comparing the new index with other geomagnetic indices, then establish a forecast algorithm of the new regional geomagnetic index.

地磁状态及其扰动特征的分析研究，是空间天气与近地空间环境领域的重要前沿课题之一。但由于影响地磁活动的物理机制非常复杂，目前还没有极区外的区域地磁状态及其扰动的定量或分级描述，这极大的限制了区域地磁活动预报的发展。本项目基于子午工程等长时间序列的地磁观测数据，分析我国不同区域的地磁扰动特征，结合空间天气业务预报的实际需求，提取主要的地磁观测要素的背景值和扰动量，构建我国各区域的区域地磁活动指数及其分级描述，通过与现有单站和全球地磁指数的统计分析和比较，验证新指数及其分级的合理性，建立区域地磁指数现报系统，探讨其物理内涵及与行星际条件的关联性，研究区域地磁指数预报方法，建立区域地磁指数预报系统。

我们采用全球地磁台网和中国地磁台网提供的地磁场水平分量分钟值数据，分析rH指数的时空分布特征，探讨其影响因素。根据台站的空间分布，采用改进的K-means聚类方法对中国区域地磁台站进行区域划分，并基于rH指数提出区域地磁指数Rr。.研究表明（1）rH指数具有与太阳自转周相对应的27天变化周期，但其季节变化不显著；（2）各纬度地区rH指数具有相似的变化形态，rH指数随纬度的增高而增大，其幅度和形态在磁暴主相期间均表现出明显的经度差异，不同经度的地磁台站其rH达到磁暴水平的时间也不相同，rH指数具有地方时效应，磁暴期间rH指数存在晨昏不对称性，昏侧幅值较大而晨侧幅值较小；（3）根据rH指数的经纬度分布特征，将中国大陆14个地磁台站合理划分为7个区域，并初步提出区域地磁指数Rr的加权算法。Rr指数能有效表达区域地磁扰动水平，并且能即时捕捉短时间尺度的地磁扰动，如磁暴急始，从而能对各区域的地磁扰动进行更精细的描述。.地磁指数与太阳风-磁层-电离层能量耦合关系密切，我们也研究了磁层顶位置的能量输运过程。磁层顶的能量传输存在南北不对称，大部分的能量在XGSE>0Re的向日面区域进入磁层；在IMF北向-晨向时，大部分电磁能在垂直于IMF时钟角的平面上输入进入磁层，相反，在南向-晨向IMF时，大部分电磁层在（反）平行与时钟角的平面进入磁层；在北向或晨向IMF时，机械能向磁层的输入主要发生在北半球极尖区的磁层顶，而在南向-晨向IMF时，则主要发生在向阳面磁层顶的赤道面区域；在北向IMF伴随较大By分量时，高纬磁层顶可同时存在两种类型的磁重联。.我们也对磁层电离层电动耦合数值模拟方面的研究进展进行了总结和讨论。我们讨论了电离层电子加热的非线性过程，总结了小垂直尺度的剪切阿尔芬波基础理论和剪切阿尔芬波的频率、时间和空间变化特征，并展示了双流简化MHD方程组的非线性演化数值模拟结果。总结了两维磁层-电离层电动耦合交互式有限元模式数值模拟的研究成果，分析和模拟了极光产生的两种主要机制，即磁层起主要作用的磁层场线共振机制和电离层起主要作用的电离层反馈不稳定机制。给出了三维情况下偶极地磁场中的场线共振模拟的初步结果。场线共振稳定之后的极区场向电流的最大值为2.9 μA/m^2左右，与观测数据吻合。.基金资助发表论文3篇，其中SCI论文1篇，学术专著章节1篇。