热层电离层耦合过程的模拟研究

摘要

电离层热层系统是空间天气的重要组成部分，对通信、导航、卫星和航天飞机的空间活动等都会产生深远影响。这一区域既受到太阳风磁层活动的影响，也通过大气波动耦合与低层大气进行能量和动量的交换。同时在电离层和热层内部也存在着复杂的光化学、动力学和电动力学耦合过程。因此，对热层电离层耦合系统的研究具有重大的科学意义和应用价值。数值模拟是研究这一耦合系统的有效手段之一。本文基于全球电离层-热层-电动力学耦合模式，发展和完善了模式的诊断方法，进而研究电离层热层的耦合过程，探究电离层热层变化规律及其形成物理机制。同时，本文将模式的空间精度拓展至经纬度0.625°×0.625°，在目前同类模式具有较高精度，并以此为基础研究了磁暴和日食期间电离层和热层的响应特征，取得了一系列原创性发现。主要工作如下:
　　一、完善数值模式诊断方法，探索电离层-热层耦合现象的物理机制
　　(1)探究形成电离层赤道异常半球不对称性的物理机制
　　赤道异常是低纬电离层的一种经典现象，过去研究发现赤道异常的全球分布存在明显的南北半球不对称性，但其产生的物理机制尚不清楚。本研究利用电离层热层耦合模式，结合模式诊断方法探究了6月份赤道异常南北半球不对称性的产生机理。研究发现，跨赤道中性风造成的夏季到冬季半球的等离子体输运过程是产生赤道异常半球差异的主要因素，光化学作用也有贡献。此外，本研究还发现这一半球不对称性存在显著的经度变化，这一变化由地理坐标和地磁坐标的偏离造成。通过对氧离子连续性方程的分析表明由坐标偏离导致的中性风经度变化是产生半球不对称性经度结构的主要原因，而电场漂移和光化学作用的贡献较小。
　　(2)阐明电离层年异常现象的新机制
　　电离层年异常指全球范围内12月份电离层电子密度大于6月份的现象。虽然年异常现象早有报道，但其形成机理至今尚不透彻。以前的研究认为，12月和6月的日地距离差异、地磁场位形以及低层大气潮汐上传都是造成电离层年异常现象的可能因素。然而。本研究结合电离层热层耦合模式，通过一系列控制变量模拟实验，探究了日地距离影响电离层年异常现象的物理机制。我们的研究发现，12月和6月的日地距离差异是产生电离层年异常现象的主导因素。具体地说，日地距离主要通过光化学过程和双极扩散引起6月和12月的电子浓度差异。在白天，日地距离效应导致原子氧电离和中性成分复合的差异，进而造成电离层年异常现象。而在中纬度区域，日地距离也能引起等离子体温度的年变化，从而通过双极扩散作用影响年异常现象。此外，在夜间，中性成分复合和扩散过程也受日地距离作用调制，造成夜间电离层的年异常现象。
　　二、发展高精度的电离层热层耦合模式，探究电离层中尺度物理过程
　　(1)实现高精度(0.625°×0.625°)的电离层-热层耦合模式
　　中尺度的电离层热层变化是空间天气中的重要过程，然而常见的电离层热层模式无法达到模拟中尺度过程所需要的空间精度。高精度模式开发的挑战在于极区数值解的稳定和收敛问题。原有电离层热层模式在极区采用傅里叶滤波的方法，在极区每个纬度截断一定频率的高频振动，用以保持数值稳定。但是，该方法会造成极区的非物理结构，同时也会改变所模拟的真实物理过程的结构，而且不同纬度的截段频率需要通过大量的数值实验进行确定，导致模式精度难以提高。本研究在已有电离层-热层耦合模式的基础上，在极区引入分段抛物线重构的方法，避免原有傅里叶滤波引起的信息丢失和非物理结构，且不需要进行复杂的数值实验来确定傅里叶滤波的截止频率，保证数值计算的稳定和收敛。同时，基于该重构方法，实现经纬度1.25°×1.25°和0.625°×0.625°的高精度电离层热层耦合模式。
　　(2)发现磁暴期间电离层双舌状等离子体结构
　　地磁扰动期间，在极区对流电场作用下，中纬度地区日侧的高密度等离子体被进一步输运到极盖区，从而产生电离层舌状等离子体(Tongue of Ionization，TOI)结构。TOI结构是指在正午-午夜方向上从中纬延伸到高纬区域的狭长高等离子体密度区域。虽然TOI结构已经被广泛报道，但受观测覆盖范围和模拟精度的限制，TOI结构的精细演化过程却很少被研究。本文利用高精度(0.625°×0.625°)模式研究2013年3月17日磁暴期间的极区电离层变化特性。首次发现，在磁暴主相期间，两个舌状电离结构同时出现。两个舌状结构分别来自晨侧和下午侧的极区对流电场。双TOI结构的产生与极区对流结构和中纬等离子体源区的位形有关。
　　(3)揭示日全食期间的电离层-热层的全球响应
　　日食期间，月球的阴影会扫过地球。通过影响太阳辐射和能量注入，日食会对电离层和热层系统产生显著影响。本文利用高精度(0.625°×0.625°)模式研究了2017年8月21日的日全食对电离层-热层系统的影响。研究发现电离层和热层对日食的响应不仅局限在月影的日食区内，而是有着全球的响应。通过动力学和电动力学的耦合过程，电离层电子浓度、漂移速度以及热层风场、成分都呈现显著的全球扰动。日食结束后，热层扰动以大尺度行进式扰动的形式向全球传播，造成全球热层电离层系统的扰动。同时，通过全球电动力学耦合过程，电离层电场在日食开始之初就呈现全球的响应。
　　(4)首次报道日全食对极区电离层舌状等离子体结构的影响
　　极区电离层是连接中高层大气和磁层的重要区域。然而，鲜有工作研究中低纬日食对极区电离层的影响。基于高精度(0.625°×0.625°)数值模式，本文探究了2017年8月21日的日全食对极区电离层的影响。研究发现，虽然此次日全食位于中纬度区域，但其对极区电离层也能产生显著的影响。由于中纬度源区电离层电子密度降低，极区电离层的舌状等离子体结构被明显抑制。GPS TEC观测结果也支持这一结果。此外，日食可以引起的极区电离层电导率变化，而后者在磁层动力学及磁层-电离层耦合中起重要作用。本文提出了日食对电离层-磁层耦合过程的潜在影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 大气垂直结构和热层

1．2 电离层概述

1．3 电离层-热层耦合概述

1．3．1 电离层对热层的影响

1．3．2 热层对电离层的影响

1．4 电离层热层模式研究

1．5 本文的研究目的和主要内容

第二章 全球电离层-热层耦合模式介绍

2．1 模式简介

2．2 模式基本方程

2．2．1 热层大气方程

2．2．2 电离层方程

2．2．3 热层-电离层耦合在模式中的处理

2．3 模式外部条件输入

2．3．1 太阳辐射

2．3．2 极区对流与粒子沉降

2．4．1 初级光电离

2．4．2 次级光电离

2．4．3 夜间电离

2．4．4 离子化学

2．5 数值方法

第三章 高精度电离层热层耦合模式构建

3．1 构建高精度模式面临的挑战

3．1．1 CFL条件

3．1．2 傅里叶滤波及其存在问题

3．2 分段抛物线重构法

3．3 高精度模式构建和初步结果

3．4 本章总结

第四章 电离层赤道异常半球不对称性模拟研究

4．1 研究背景

4．2 研究方法

4．3 模拟结果及讨论

4．3．1 中性风和热层成分设置

4．3．2 模拟-观测结果对比

4．3．3 中性风和光化学作用的相对贡献

4．3．4 跨赤道经向风作用

4．3．5 半球不对称性的经度变化

4．4 本章总结

第五章 电离层年异常现象模拟研究

5．1 研究背景

5．2 模拟方法

5．3 模拟结果

5．3．1 基本模拟

5．3．2 日地距离在日间电离层年异常中的作用

5．4 讨论

5．5 本章总结

第六章 极区电离层对磁暴响应的精细结构研究

6．1 研究背景

6．2 模拟方法

6．3 模拟结果

6．4 讨论

6．5 本章总结

第七章 电离层-热层对日食响应研究

7．1 研究背景

7．2 日全食模拟方法

7．3 2017年8月21日日全食简介

7．4 电离层-热层系统对日全食的全球响应

7．4．1 全球电离层-热层模拟结果

7．4．2 讨论

7．5 极区电离层的日全食响应

7．5．1 TIEGCM模拟和GPS观测的TEC结果

7．5．2 日食期间极区电离层电导率变化及讨论

7．6 本章总结

第八章 总结与展望

8．1 本文工作总结

8．2 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果