环电流拓扑结构的地磁反演方法及Dst指数修正

环电流是磁层中很重要的电流体系，当其能量增强时，环电流将会引起全球范围内的磁场扰动，造成剧烈的空间天气灾害性事件- - 磁暴。相对于卫星在时空轨迹线上的测量，覆盖全球的地磁台网可以针对不同扇区连续监测，这是地磁数据反演环电流的优势所在。目前对环电流拓扑结构的整体认识尚不充分，使得Dst指数计算的合理性存在一些问题，如环电流偏离磁赤道面给Dst指数带来的系统误差和"伪"日变化。为此，本项目将收集全球地磁台网数据，采用最小二乘方法，反演环电流的拓扑结构，借以增强对环电流形态特征的认识及物理过程的理解，期间引入的定量参数将应用在Dst指数修正中，进一步优化和完善该指数。

项目主要完成了（一）地磁场数据积累和数据质量控制等基础性工作，特别是对外源场数据的分解，尝试了多种方式，特别是运用经验正交函数算法（EOF）分离出具有日变特征的太阳静日变化（Sq），使得背景场各个成份的进一步划分更加清晰、合理，同时考察了不同空间天气条件下（平静、微扰、活跃和磁暴期间），各个成份的动态演变过程及时空分布规律；（二）EOF方法进一步升级，扩展到电离层临频变化中，通常空间天气业务中描述临频变化都是相对于背景值而言，而背景值通常采用7天（或27天）的平均值，忽略了背景场的逐日变化特征，人为造成了超过30%的偏移误判，为此采用EOF算法不仅快速提取临频基本形态，而且给出对应的幅度值，由于EOF收敛快、物理特征明显，模型重构后与原始观测高度符合，平均相关系数达到82%以上，并衍生出3个电离层临频标定量；（三）环电流拓扑结构的地磁反演，基于前面全球地磁台网数据积累和成份分离等工作，运用4条子午链的32个台站的数据，对磁暴期间环电流的空间分布特征进一步分析，并提出2个参量，纬向移动和倾斜角，前一参量可描述位于磁赤道面上环电流的沿磁轴向北（南）的整体移动，后一参量描述环电流相对磁轴的倾斜程度，最终完成环电流拓扑结构的重构，与地面地磁观测相符。（四）地磁场的时间变化与电网中的地磁感应电流（GIC）的经验统计，实践经验表明当地磁场剧烈扰动时，电网中变压器中性直流会变大，其过饱和、振动及温升效应对电网安全产生危险，特别是1989年加拿大魁北克的电网断电事故就是其GIC烧毁变压器造成的，鉴于上述原因，通过量纲分析和对数经验拟合的方法完成了地磁场时间微分与GIC的经验统计关系，对空间天气灾害事件的安全预警等级提供了必要的参考依据。