磁暴期间高纬地区坡印廷通量与粒子沉降的相关性研究

The 20 years of satellite measurements have shown that the neutral density perturbations are mostly frequently observed in the cusp and polar cap regions. However, it has been believed that most of the high-latitude energy input is coming into the auroral oval where the energetic particles precipitate. The distributions of the energy input and its dissipation are different. A careful investigation of the observed energy input in the high latitude region is desired to solve the polar density anomaly. We propose to investigate the characteristics and the correlation of the Poynting flux and the particle precipitation in the high latitude region during magnetic storms. The data collected by the DMSP satellites will be analyzed to derive the Poynting flux and the particle energy flux. The objective of this proposal is to develop two empirical models of the convection reversal boundary and precipitating particle boundary, which are consistent with each other and provides the relative variation in time and locations in space. The improved high-latitude energy inputs will be applied to the General Circulation Model and used to study the impacts of different energy inputs to the polar neutral heating and density variation.

对20年卫星数据的分析研究显示大气密度扰动集中发生在极尖区与极盖区，但是高纬能量输入被普遍认为是发生在有高能粒子沉降的极光椭圆带中。高纬地区能量输入位置与耗散位置的不一致，让我们觉得有必要仔细地分析观测数据来研究高纬能量的准确分布，从而解决极区大气密度异常扰动的问题。我们提议通过分析庞大的DMSP卫星数据来研究磁暴期间高纬的两种能量输入，坡印廷通量与粒子沉降的特性和它们之间的相关性。我们的研究目标是开发完全自洽的经验模型，给出正确的对流反转边界和沉降粒子边界在时间上的变化和空间上的相对位置。新的高纬地区坡印廷通量与粒子沉降描述将用来改进大气环流模型的高纬能量输入，并且用来深入探讨两种能量输入对极区大气的加热机制及对密度扰动的影响。

本项目围绕高纬地区高层大气能量输入为核心，使用了数十年的高精度DMSP卫星数据，建立了40多个磁暴期间的坡印廷通量、沉降粒子通量等数据库，采用数据分析、数值模拟等方式研究了以下几个内容：（1）磁暴事件中太阳风能量输入在高纬地区的空间分布；（2）磁暴事件中坡印廷通量与沉降粒子分布特征与两者的相关性；（3）极区异常大气密度扰动的物理机制。主要取得的成果如下：（1）建立了40多个磁暴期间DMSP卫星坡印廷通量、沉降粒子通量数据库，为我们和同行的后续研究与合作提供数据基础。（2）统计了磁暴期间极区坡印廷通量输入的空间分布，结果显示大约30%的坡印廷通量输入在了开放磁场区（包括极盖区、极尖区、极幔区等），而43%的能量输入发生在了闭合磁场区（包括极光带区、BPS、CPS等）。（3）给出了极盖区沉降粒子的特征，包括电子与离子的能量、通量的空间分布特征，其南北半球不对称性，其年变化和季节变化，还有随太阳风条件的变化等。研究发现极盖区沉降粒子主要是低能电子和低能离子，且沉降粒子的能量和通量的空间分布随磁纬度和磁地方时变化。电子能量与太阳活动呈负相关，而离子能量呈正相关。研究结果还显示极盖区沉降粒子特征有明显的季节变化，夏季粒子能量小于冬季，而夏季通量大于冬季。（4）数值模拟结果显示出由于低能沉降电子的作用，400 km高度的中性大气和等离子体产生了明显的增强，变化分别可达110%（电子密度）和25%（中性密度）。该结果为极区密度异常扰动问题提供了一个可能的机制，揭示了极盖区低能沉降电子对高层大气扰动的重要性。该结果可以用于改进未来的高层大气数值模拟。（5）研究了对流反转边界（CRB）和沉降粒子极向边界（PPB）的识别方法，并给出了它们之间的相关性结果。研究结果显示，CRB和PPB之间的磁纬度差可高达5°。在北半球，CRB往往位于PPB的极向，而在南半球我们发现CRB倾向于在PPB的赤道方向。已接收1篇相关论文，待发表3篇论文。培养研究生2名，其中1名已取得硕士学位，1名在读。