热层大气密度的变化特性研究

本项目拟基于CHAMP与GRACE卫星获取的全球热层大气密度观测数据，借助稀疏自然正交函数分析方法，研究热层大气密度在相同太阳活动及地方时条件下的年、半年变化和年异常变化及其随纬度与太阳活动的依赖性。同时，利用美国国家大气研究中心的全球热层电离层耦合理论模式NCAR-TIEGCM，研究观测到的热层大气季节变化的物理机制，特别是热层大气的年异常，揭示热层与电离层年异常产生机制的异同。另外，相对于季节变化的较"小"时间尺度的热层变化也是该项研究的内容，即热层大气对太阳冕洞经度分布而引起的数天周期性扰动随地方时、季节和太阳活动的变化特性，行星际磁场IMF扇形结构以及IMF By分量较强等条件下热层大气的响应等国际热点问题。本项研究将加深对热层光化学与动力学过程的认识，推动我国在热层及热层-电离层耦合研究方面的进展，而且该项研究对卫星设计、定轨以及国防安全有着重要的应用价值。

基于CHAMP与GRACE卫星获取的全球热层大气密度观测数据，借助稀疏自然正交函数分析方法，首次得出热层密度的年与半年变化随纬度变化的规律；探索了热层大气年异常，并与电离层年异常比较,我们发现400公里高度处全球平均热层密度在12月比6月份达47%左右，而这一差异并不能简单由日地距离导致太阳辐射的区别解释；分析热层大气夜间增强现象的纬度、太阳活动依赖等，结果表明赤道地区的午夜密度增强现象发生在所有季节，且午夜增强现象从赤道地区向南半球传播现象十分显著，尤其在低太阳活动期间。结合全球热层电离层耦合理论模式，研究观测到的热层大气季节变化的物理机制，包括热层大气的年异常、赤道异常和夜间增强现象的产生机制的异同。我们发现热层赤道异常槽与电离层驼峰的形成原因不同：离子与中性大气的场向拖曳作用形成热层赤道槽，而离子与中性气体相互碰撞引起的能量交换是热层赤道异常驼峰的形成机制；中间层顶的半日潮汐和8小时潮汐通过上行，并在高层大气的相互作用，可以有效解释高层大气的午夜增强现象。利用观测数据与数值模拟研究磁暴期间热层恢复过程，报道‘热层过冷却’现象，并研究受行星际磁场IMF扇形结构以及IMF By分量较强等地磁扰动条件下热层大气的响应等国际热点问题。在春秋分附近，太阳风扇形极性反转引起400公里高度的大气密度约20%的变化，并且这个变化随季节，大气高度的不同而不同。CIR有很高的概率发生在扇形极性反转的附近，因此CIR会调制扇形结构对热层密度的影响。.依托该项目支持，我们在热层大气变化特性方面研究取得系列成果，发表论文20余篇，其中以项目负责人第一或通讯作者JGR论文15篇。