三维非对称磁层顶模型建模研究

论文摘要

基于以往低纬和高纬磁层顶经验模型所存在的问题及其局限性，本文进行了磁层顶位形统计研究及建模工作,采用多颗卫星磁层顶穿越数据，利用Levenberg-Marquardt多参量非线性拟合方法，最终构建了一个动态三维非对称磁层顶经验模型。这为太阳风与地球磁场相互作用理论研究提供了定量基础，对空间环境预报及空间灾害性事件预报的应用研究具有重要意义。本文收集了1226个近地空间磁层顶穿越点，分别来自Geotail、IMP8、Interball、TC1、THEMIS、Wind、Cluster、Polar、LANL和GOES系列卫星，并主要利用吻合行星际空间和磁鞘磁场Clock-Angle或等离子体参数变化轮廓的方法为这些穿越点配对上5分钟平均值太阳风数据，来自ACE卫星和Wind卫星。在分析和拟合高纬磁层顶位形时，我们增加了网上公布的1482个Hawkeye卫星穿越点，配有1小时平均值太阳风数据。为了进一步改善低纬磁层顶经验模型，我们提出了一个新的连续性方程用于描述IMF BZ对磁层顶位形影响。基于该方程、Shue模型方程、631个低纬磁层顶穿越点（包括所对应上游太阳风数据），以及Levenberg-Marquardt多参量非线性拟合方法，构建了新的低纬磁层顶经验模型，该模型考虑了太阳风动压（DP）和IMF BZ对磁层顶位形影响。基于本文数据，通过与以往低纬磁层顶模型定量预报比较可知，新低纬磁层顶模型降低了对低纬磁层顶穿越点预报偏差，并具备了更广的适用范围；通过对中高纬磁层顶穿越点预报结果可知，这些动态低纬磁层顶模型不适合于高纬磁层顶位形预报。为此，我们对这2708个近地空间磁层顶穿越点进行了分析研究，得到：（1）高纬磁层顶在极隙区处存在内凹结构，其内凹范围比较大；（2）磁层顶内凹位置明显受地磁偶极倾角控制，最内凹点所对应的天顶角和地磁偶极倾角大致呈线性关系，这种关系在南北半球大致呈反对称；（3）磁层顶内凹深度、内凹范围以及内凹中心不变纬度基本不受地磁偶极倾角影响。为了构建三维磁层顶模型，我们提出了一个新的三维非对称磁层顶模型方程。该模型方程能够较好地描述近地空间全球磁层顶位形，包括不对称性以及内凹结构。该模型方程同时具备了远磁尾拓展能力强以及模型方程物理意义强等优点。利用以上2708个磁层顶穿越数据、新的三维非对称磁层顶模型方程以及Levenberg-Marquardt多参量非线性拟合方法，通过逐步分区域拟合方法，筛选出了控制磁层顶位形主要几个参量，并建立了一个动态三维非对称磁层顶经验模型。该模型被参数化为太阳风动压加磁压（DP+BP）、IMF BZ以及地磁偶极倾角函数。基于本文数据，通过与以往磁层顶模型定量预报比较可知，新三维非对称磁层顶模型降低了对各区域磁层顶穿越点预报偏差,提高了对三维磁层顶位形预报水平。新三维磁层顶经验模型可用于定量研究地磁偶极倾角对磁层顶位形南北不对称性和内凹结构影响过程、DP+BP对磁层顶压缩过程以及IMF BZ对磁层顶侵蚀过程。该模型不仅可用于预报各种各样太阳风条件下近地空间磁层顶位形，而且在通常太阳风条件下也可为远磁尾磁层顶位形提供合理的预报。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁层顶基本特征
• 1.2 磁层顶位形研究发展状况
• 1.3 发展动态磁层顶经验模型意义
• 1.4 本文研究动机和主要内容
• 第二章 以往磁层顶经验模型介绍和比较
• 2.1 低纬磁层顶经验模型
• 2.1.1 Fairfield [1971] 模型
• 2.1.2 Howe and Binsack [1972] 模型
• 2.1.3 Holzer and Slavin [1978] 模型
• 2.1.4 Formisano et al. [1979] 模型
• 2.1.5 Sibeck et al. [1991] 模型
• 2.1.6 Roelof and Sibeck [1993] 模型
• 2.1.7 Kuznetsov and Suvorova [1996] 模型
• 2.1.8 Petrinec and Russell [1996] 模型
• 2.1.9 Shue et al. [1997]模型
• 2.1.10 Shue et al. [1998]模型
• 2.1.11 Kuznetsov and Suvorova [1998]模型
• 2.1.12 Kawano et al. [1999]模型
• 2.1.13 Kalegaev and Lyutov [2000]模型
• 2.1.14 Chao et al. [2002]模型
• 2.2 高纬磁层顶经验模型
• 2.2.1 Formisano et al. [1979]模型
• 2.2.2 Boardsen et al. [2000]模型
• 2.3 动态低纬磁层顶经验模型比较
• 2.4 动态高纬磁层顶经验模型预报能力分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 数据介绍
• 3.1 卫星数据概况
• 3.2 磁层顶穿越判断
• 3.3 磁层顶穿越点配对上游太阳风数据
• 3.4 坐标系变换介绍
• 3.5 磁层顶穿越数据分布
• 第四章 拟合方法介绍
• 4.1 线性最小二乘法拟合
• 4.2 非线性最小二乘法拟合
• 第五章 新低纬磁层顶经验模型
• Z 控制方程介绍'>5.1 Shue 模型方程和 IMF B_Z控制方程介绍
• 5.2 模型拟合
• 5.2.1 日下点距离拟合
• 5.2.2 磁尾张角拟合
• 5.2.3 最终拟合结果
• 5.3 与以往动态低纬磁层顶经验模型比较
• 5.3.1 Dp和IMF BZ对磁层顶位形影响比较
• 5.3.2 定量预报误差比较
• 5.3.3 对同步卫星穿越磁层顶预报能力比较
• 5.4 本章小节
• 第六章 高纬磁层顶位形统计分析
• 6.1 数据介绍
• 6.2 高纬磁层顶和低纬磁层顶位形差异
• 6.3 高纬磁层顶位形特性分析
• 6.4 高纬磁层顶模型预报效果
• 6.5 本章小结
• 第七章 三维非对称磁层顶经验模型
• 7.1 三维非对称磁层顶位形模型方程介绍
• 7.2 模型拟合
• 7.2.1 日下点拟合
• 7.2.2 低纬磁层顶磁尾张角拟合
• 7.2.3 磁层顶位形南北不对称以及东西尺度与南北尺度不一致拟合
• 7.2.4 高纬磁层顶内凹结构拟合
• 7.2.5 三维非对称磁层顶模型最终拟合
• 7.3 新三维磁层顶经验模型特点
• 7.4 与以往动态磁层顶经验模型定量预报误差比较
• 7.5 与高纬磁层顶模型预报效果比较
• 7.6 本章小结
• 第八章 总结和展望
• 8.1 本文研究内容总结
• 8.2 未来研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表、录用及提交的文章目录
• 致谢