三维非对称磁层顶模型建模研究

题名:三维非对称磁层顶模型建模研究
作者:林瑞淋
学位授予单位:中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）
关键词:磁层顶模型;;低纬磁层顶模型;;高纬磁层顶模型;;磁层顶大小和形状;;内凹结构;;不对称
性;;饱和效应;;太阳风;;地磁偶极倾角;;太阳风传输时间;;Levenberg-Marquardt方法;;非线性拟
合
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Magnetic lifter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，http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter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。
学位年度:2009