基于SuperDARN的极区电离层对流特征研究

The plasma convection in the polar ionosphere, due to the potential difference caused by the interaction between solar wind and earth's magnetic field and mapped from magnetosphere into polar ionosphere along magnetic field lines, plays an important role in energy coupling among solar wind-magnetosphere–ionosphere. Although polar ionospheric convection responds obviously to solar wind-magnetosphere interactions and different kinds of magnetospheric dynamics, closely related to space weather, there is no space weather index for the polar ionosphere convection. Using SuperDRAN global polar ionospheric convection observations, conjugate aurora and ionosphere observations at Zhongshan Station, Antarctica and Yellow River station in the Arctic with Aurora All Sky CCD Imaging System, Magnetometers, Digisonde and Imaging Riometers, and in-situ observations with Cluster/THEMIS/ DMSP, this program will concentrate on polar ionospheric convection characteristics and performance in different IMF and solar wind conditions, and their responses to the dynamics in magnetopause and magnetotail. We will try to establish a space weather index system for polar ionospheric convection, to provide a tool for geo-space weather prediction.

极区电离层等离子体对流是反映太阳风-磁层-电离层耦合的一个重要现象。大尺度的极区电离层对流由太阳风和地球磁场相互作用产生的晨昏电场映射到极区电离层引起。极区电离层对流对太阳风磁层相互作用、磁层边界层各种动力学过程等的响应明显，目前还没有一个表征极区电离层对流的空间天气指数体系。本项目利用SuperDRAN雷达网的极区电离层全域对流观测和中山站及黄河站上已有的先进观测设备（极光成像系统、地磁链、数字式电离层测高仪（DPS-4）、成像式宇宙噪声接收机等）的共轭观测数据，结合Cluster/THEMIS/DMSP等卫星的协同观测，对各种行星际磁场和太阳风参数条件下的极区电离层等离子体对流展开深入研究，进一步探讨极区等离子体对流对磁层顶边界层和磁尾各类动力学过程的响应及其在对流特征参数上的表现，探索极区电离层对流的指标体系，为近地空间环境预报提供物理依据。

我国于2010年4月在南极中山站建成首部高频相干散射雷达并于2012年6月正式加入SuperDARN国际雷达网组织。在获准使用该雷达网的科学数据、国家极地空间环境科考数据常年积累以及系列前期研究基础之上，申报《基于SuperDARN的极区电离层对流特征研究》获得资助。极区电离层对流是太阳风能量、质量和动量向地球空间传输效率的重要体现。结合卫星、地面极光成像仪和无线电探测设备等的观测数据，本项目的研究内容包括极区电离层对流对日侧和夜侧磁层顶动力学过程的响应，探索对流特征参数化。在项目的资助下，研究团队基于自主的高时空分辨率地面极光和对流观测，在电离层对流喉区发现并原创性地提出“喉区极光”的物理概念，对其开展的系统研究引起广泛关注；首次发现电离层对流输运在极区总电子含量的世界时变化中占据主导；发现太阳活动高年电离层对流使得大尺度不均匀体主要向晨侧输运的事实；获得了不同算法计算的全域对流图和电势分布，对其分别进行越极盖电势差、对流涡位置等参数的提取，统计分析获得越极盖电势差与IMF、太阳风等离子体参数及不同地磁指数的相关系数，在此基础之上选取越极盖电势差作为典型的对流特征参数；利用基于AI的深度学习算法，构建了越极盖电势模型并分析了其饱和效应。截止到目前为止，发表标注学术论文35篇，在审3篇，其中SCI检索28篇，目前还有部分相关研究工作待投稿。获得发明专利一项，编制数据演示软件程序包一套，雷达原始数据交换程序包一套。培养硕士研究生5人，博士研究生2人，招聘博士后1人。喉区极光的发现和深入研究增进了人们对日侧磁层顶动力学过程对极光和对流影响的认识，对传统磁层顶位形模型提出了挑战，体现了极光和电离层对流遥测磁层顶过程的关键作用；SuperDARN全域电离层对流数据参数化的研究结果表明越极盖电势差主要由磁层外部因素调制，基于SuperDARN实测和深度学习算法构建的越极盖电势差有望成为近地空间环境预报的主要指标。