第23太陽活動周期太陽風(fēng)參數(shù)及地磁指數(shù)的統(tǒng)計分析

沈曉飛，倪彬彬，顧旭東，周晨，劉勇，項(xiàng)正，趙正予

1武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430072

2武漢大學(xué)電子信息學(xué)院空間物理系，武漢 430072

3中國科學(xué)院空間天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

1 引言

太陽風(fēng)是由源于太陽的等離子體流以及隨著等離子體流一起流動的行星際磁場構(gòu)成的.太陽風(fēng)經(jīng)過地球時，地磁場阻擋太陽風(fēng)，并形成地球弓激波、磁鞘和磁層頂.太陽風(fēng)和地球磁層的耦合導(dǎo)致在后者區(qū)域產(chǎn)生電流、電場，并驅(qū)動磁層中大尺度對流，造成磁層頂位形變化，驅(qū)使著地球磁層的內(nèi)部變化，產(chǎn)生磁暴或者亞暴；也影響著磁層內(nèi)部各電流體系及各區(qū)域空間的分布狀況，如環(huán)電流、輻射帶等（苑順周，2011）.

地磁活動是受太陽風(fēng)影響很大的空間天氣中的一種重要現(xiàn)象.地磁環(huán)境發(fā)生變化時，特別是巨大磁暴期間，電離層、高層大氣和高能粒子環(huán)境都會出現(xiàn)強(qiáng)烈的響應(yīng)，空間環(huán)境變得非常惡劣，會對各種航天器以及宇航員安全構(gòu)成極大威脅.日冕物質(zhì)拋射（CME）和共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)（CIR）是影響地磁活動的主要因素（Heber et al.，1999；Cane and Richardson，2003；Zhang et al.，2008）.其中CME事件是大尺度的太陽活動，主要發(fā)生在太陽活動極大期，持續(xù)時間較短，但經(jīng)常伴有磁暴急始，且強(qiáng)度很大；與此相反的是，CIR事件往往較溫和，主要發(fā)生在太陽活動極小期，持續(xù)時間較長，很少出現(xiàn)磁暴急始，且強(qiáng)度較小，很少出現(xiàn)Dst值小于－100nT的情況.地磁暴的產(chǎn)生與CME和CIR事件有著密切關(guān)系（Turner et al.，2009）；而地磁暴的產(chǎn)生又能對地球磁層的粒子動力學(xué)過程以及等離子體波擾動產(chǎn)生顯著的影響（Reeves et al.，2003），并隨著時間的長短表現(xiàn)出不同時間尺度的變化特征.因此，深入、細(xì)致地了解太陽風(fēng)以及地磁活動的時變特性對全面、系統(tǒng)地認(rèn)知地球磁層對太陽活動的響應(yīng)特性以及太陽風(fēng)－磁層的粒子、能量耦合過程具有重要的價值.

本文通過對第23太陽活動周期（1996—2008）太陽風(fēng)參數(shù)以及地磁指數(shù)的詳細(xì)分析，構(gòu)造可靠的CME事件、CIR事件以及地球磁暴的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而細(xì)致、定量地研究多個重要的太陽風(fēng)參數(shù)與地磁水平指數(shù)的統(tǒng)計與平均特性.

2 數(shù)據(jù)與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)說明

本文用于研究的太陽風(fēng)及地磁活動的數(shù)據(jù)均來源于美國NASA的 OMNIWeb公開數(shù)據(jù)（http：／／omniweb.gsfc.nasa.gov／）.主要分析的參量與指數(shù)包括行星際磁場Bz分量（IMFBz）、太陽風(fēng)質(zhì)子密度（Nsw）、太陽風(fēng)速度（Vsw）、太陽風(fēng)動壓（Pdyn＝2×）、地磁Dst、AE以及Kp指數(shù).采用數(shù)據(jù)的時間分辨率為1h.

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

本文主要采用事例分析法和時間序列疊加法詳細(xì)分析1996—2008年的三類重要事件：日冕物質(zhì)拋射、共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)以及孤立地磁暴.

基于事例分析法，對第23太陽活動周期所有CME事件、CIR事件和孤立地磁暴事件進(jìn)行判別，確定各個事件的起始與結(jié)束時間，建立CME、CIR以及磁暴事件的完整列表，繪制每個事件重要太陽風(fēng)與地磁參數(shù)的時間變化圖，并分析具體事例參數(shù)間的潛在聯(lián)系.

時間序列疊加方法則對某一類事件按照相同標(biāo)準(zhǔn)選擇時間零點(diǎn)，晚于時間零點(diǎn)記為正，早于時間零點(diǎn)記為負(fù).例如，將發(fā)生于2002年5月23日10時16分選為時間零點(diǎn)，則2002年5月24日10時16分記為＋1天，2002年5月22日10時16分記為－1天，以此類推.然后將待分析的參量數(shù)據(jù)依據(jù)相同的時間序列描述，在感興趣的代表性時間序列長度內(nèi)對各個參數(shù)的變化特征及平均特性進(jìn)行詳細(xì)的量化分析，以求獲取一般性的時變規(guī)律.

本文在分析CME及CIR事件時選取事件的起始時間為時間零點(diǎn)，CME及CIR事件的起始時間依據(jù)行星際激波的到達(dá)時間或行星際磁場南向開始時間進(jìn)行選取，結(jié)束時間依據(jù)太陽風(fēng)參數(shù)及地磁指數(shù)恢復(fù)平靜的時間進(jìn)行選?。–hen et al.，2012）.其優(yōu)勢在于可以獲取CME及CIR事件隨時間變化的一般性規(guī)律，為研究和辨識CME及CIR事件提供依據(jù).在分析地磁暴時選取Dst指數(shù)達(dá)到最小值的時刻為時間零點(diǎn)，其優(yōu)勢在于便于對地磁暴進(jìn)行分類，獲取不同類型地磁暴的發(fā)生規(guī)律，也便于研究地磁暴期間Dst指數(shù)與其他地磁指數(shù)的關(guān)系.

3 分析結(jié)果

3.1 CME與CIR事件舉例及其磁暴

圖1 CME與CIR事件舉例及與其對應(yīng)的磁暴Fig.1 Examples of CME and CIR events and associated geomagnetic storms

圖1中左圖給出一個CME事件及其對應(yīng)的磁暴現(xiàn)象.CME事件如圖中兩條豎虛線所示，其起始時間為1998年第267天（9月24日）2321UT，結(jié)束時間為1998年第269天（9月26日）1142UT，持續(xù)時間約為1.5天.而磁暴發(fā)生的時間更長，其結(jié)束時間一般選擇為Dst指數(shù)基本恢復(fù)到暴前水平的時刻.在這期間，太陽風(fēng)參數(shù)與地磁指數(shù)有以下的變化：（1）初始有一個較大的南向IMFBz分量，約為－17.7nT，發(fā)生在第268天0200UT.對應(yīng)著IMFBy的增大、持續(xù)為正及IMFBz的南向偏轉(zhuǎn)，在5小時內(nèi)，太陽風(fēng)速度從433km·s－1增加到809km·s－1，太陽風(fēng)質(zhì)子密度從 7.6cm－3上升到 12.0 cm－3，太陽風(fēng)動壓從2.67nPa上升到8.06nPa.隨后，IMFBz北向偏轉(zhuǎn)，幅度最高達(dá)到7.5nT.IMFBz最終在0nT附近小幅度變化.太陽風(fēng)速度降低緩慢，太陽風(fēng)質(zhì)子密度與動壓降低速度相對更快，說明這是一個密度增強(qiáng)主導(dǎo)的動壓脈沖事件；（2）對應(yīng)著南向IMFBz，地磁暴初相有一個最大幅度為－4 nT的磁暴急始.地磁Dst指數(shù)最小值為－207nT，這是一個劇烈磁暴，發(fā)生在第268天0900UT，對應(yīng)著較小南向IMFBz；AE指數(shù)最大值可達(dá)1616nT，發(fā)生在第268天1200UT；Kp指數(shù)最大可達(dá)8.3，發(fā)生在第268天0600UT.磁暴恢復(fù)相持續(xù)大約1天半的時間；AE峰值后出現(xiàn)較多極值幅度為幾百nT的振蕩，表明亞暴的持續(xù)發(fā)生；Kp則在1天的時間內(nèi)降低到3.磁暴急始的出現(xiàn)和Kp指數(shù)迅速恢復(fù)平靜都是CME激發(fā)磁暴的典型特征（Borovsky and Denton，2006；Chen et al.，2012）.

圖1右圖給出一個CIR事件及其對應(yīng)的磁暴現(xiàn)象.如圖中兩條豎虛線所示，其起始時間為1996年第80天（即3月20日）0000UT，結(jié)束時間為1996年第84天（即3月24日）0000UT，持續(xù)時間約達(dá)4天.在這期間，太陽風(fēng)參數(shù)與地磁指數(shù)表現(xiàn)出以下的變化：（1）南向IMFBz值更小，僅為－5.8nT，發(fā)生在第80天0700UT，但是By與Bz分量均表現(xiàn)出更頻繁的振蕩.太陽風(fēng)速度從397km·s－1增加到653km·s－1，于第81天2300UT達(dá)到最大值，隨后緩慢降低.太陽風(fēng)質(zhì)子密度與動壓變化也非常緩慢，最大質(zhì)子密度為15.5cm－3，而太陽風(fēng)動壓不超過6nPa；（2）Dst指數(shù)最小值僅為－66nT，發(fā)生在第81天2200UT，屬于一個中等磁暴，而且沒有磁暴急始現(xiàn)象.AE指數(shù)最大值為844nT，同樣發(fā)生在第80天1900UT；AE指數(shù)振蕩比較明顯，說明亞暴事件比較頻繁.Kp指數(shù)峰值僅為5.7，并在Kp＝3附近保持很長時間，對應(yīng)著持續(xù)一天多的磁暴恢復(fù)相.引發(fā)地磁暴強(qiáng)度較弱和Kp指數(shù)恢復(fù)平靜時間較長都是CIR事件激發(fā)磁暴的典型特征（Borovsky and Denton，2006；Chen et al.，2012）.

3.2 CME與CIR事件完整列表

基于3.1節(jié)展示的對CME與CIR事件的判斷，同時依據(jù)Borovsky等總結(jié)出的CME與CIR事件特征的主要差別（Borovsky and Denton，2006），本文分析了1996—2008年太陽風(fēng)參數(shù)以及地磁指數(shù)的OMNIWeb數(shù)據(jù)庫，共判定269個CME事件和456個CIR事件及其起始與結(jié)束時間.下面對這些CME與CIR事件進(jìn)行分析.

3.3 CME與CIR事件的太陽風(fēng)參數(shù)統(tǒng)計分析

3.3.1 時間序列疊加法分析

本文采用時間序列疊加方法對269個CME事件和456個CIR事件（少數(shù)CME事件及CIR事件因跨越年份或數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重等原因未納入分析）對應(yīng)的IMFBz、太陽風(fēng)速度（Vsw）、太陽風(fēng)質(zhì)子密度（Nsw）、太陽風(fēng)動壓（Pdyn）、Dst指數(shù)、AE指數(shù)及Kp指數(shù)7個參量進(jìn)行分析.選取CME或CIR事件的起始時間為時間零點(diǎn)，對于CME事件，時間范圍選取為起始時間前一天及后兩天，共三天數(shù)據(jù)；對于CIR事件，時間范圍選取為起始時間前一天及后四天，共五天數(shù)據(jù).

圖2左右兩列圖分別是1996—2008年所有CME事件和CIR事件的太陽風(fēng)參數(shù)（IMFBz分量、太陽風(fēng)速度、太陽風(fēng)質(zhì)子密度、太陽風(fēng)動壓）采用時間序列疊加分析得到的統(tǒng)計結(jié)果.其中黑色“＋”號表示每個CME或CIR事件的數(shù)據(jù)點(diǎn)，紅線表示采用時間序列疊加分析后得到的算術(shù)平均時變曲線.從統(tǒng)計意義上講，CME事件比CIR事件表現(xiàn)出跨越度更大的IMFBz、太陽風(fēng)速度與太陽風(fēng)動壓數(shù)值區(qū)間，而CIR事件對應(yīng)的太陽風(fēng)質(zhì)子密度數(shù)值區(qū)間更大.比如，有的CME事件對應(yīng)著＞1000km·s－1太陽風(fēng)速度，而CIR事件的太陽風(fēng)速度普遍＜1000km·s－1；另外，太陽風(fēng)動壓峰值大于30nPa的CME事件甚多于相應(yīng)的CIR事件.CME事件的太陽風(fēng)質(zhì)子密度均不超過60cm－3，而CIR事件的質(zhì)子密度峰值可達(dá)100cm－3.時間序列疊加后的平均結(jié)果顯示，CME與CIR事件對應(yīng)的IMFBz分量相差不大.雖然CME與CIR事件對應(yīng)的平均太陽風(fēng)速度在時間零點(diǎn)都表現(xiàn)出顯著的增大，但前者的變化更迅速，且在零點(diǎn)后幾個小時內(nèi)隨時間明顯降低，后者的變化相對平緩，且在零點(diǎn)后1～2天時間內(nèi)緩慢增大.另外，CME事件對應(yīng)的平均動壓變化比CIR事件明顯，但CIR事件對應(yīng)的平均質(zhì)子密度比CME事件略強(qiáng).

圖3左右兩列圖則給出1996—2008年所有CME事件和CIR事件的Dst指數(shù)、AE指數(shù)和Kp指數(shù)采用時間序列疊加分析得到的結(jié)果.很明顯，CME事件導(dǎo)致的強(qiáng)磁暴更多，在時間零點(diǎn)前的地磁擾動更明顯，磁暴急始發(fā)生的概率更高.相對而言，CIR事件也能觸發(fā)少數(shù)的Dstmin可達(dá)－350nT以下的巨大磁暴，AE指數(shù)最高也能達(dá)到1500nT以上，Kp指數(shù)最高也能達(dá)到9左右，但AE與Kp指數(shù)在時間零點(diǎn)以后的變化沒有CME事件明顯.

表1給出了IMFBz、太陽風(fēng)速度、太陽風(fēng)質(zhì)子密度、太陽風(fēng)動壓、Dst指數(shù)、AE指數(shù)及Kp指數(shù)的平均最大（或?。┲导霸撝迪噍^于時間零點(diǎn)的時間間隔.其中負(fù)值表示早于時間零點(diǎn)達(dá)到最值，正值表示晚于時間零點(diǎn)達(dá)到最值.

表1 1996—2008年所有CME及CIR事件對應(yīng)的各參數(shù)平均最值及相較于時間零點(diǎn)的時間間隔Table 1 Min or max of average values of various parameters corresponding to all CME and CIR events of 1996—2008 and associated time distances to zero epoch time

對于CME事件，起始時間后各參數(shù)均很快達(dá)到最值；而CIR事件，各參數(shù)達(dá)到最值的時間往往較長.結(jié)合表1，可以獲知，從平均意義上講，CME事件有更大的南向IMFBz分量、太陽風(fēng)動壓Pdyn、AE指數(shù)、Kp指數(shù)與更小的Dstmin，說明CME事件往往比CIR事件更加劇烈，激發(fā)的磁暴與亞暴也更強(qiáng)（Denton et al.，2006）；而 CIR事件的太陽風(fēng)速度和太陽風(fēng)質(zhì)子密度值更大，則是因?yàn)镃IR事件常與太陽風(fēng)質(zhì)子高速流有關(guān).

3.3.2Nsw／Pdyn斜率的線性擬合

圖2 1996—2008年所有CME及CIR事件對應(yīng)的四個主要太陽風(fēng)參數(shù)（IMF Bz，Vsw，Nsw，Pdyn）的時間序列疊加分析結(jié)果Fig.2 Superposed epoch analysis results of four important solar wind parameters（IMF Bz，Vsw，Nsw，Pdyn）corresponding to all CME and CIR events of 1996—2008

圖3 1996—2008年所有CME及CIR事件對應(yīng)的三個主要地磁活動指數(shù)（Dst，AE，Kp）的時間序列疊加分析結(jié)果Fig.3 Superposed epoch analysis results of three major geomagnetic indices（Dst，AE，Kp）corresponding to all CME and CIR events of 1996—2008

基于圖2給出的時間序列疊加分析結(jié)果，本文對1996—2008年所有CME及CIR事件的Nsw與Pdyn參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析：用Nsw除以Pdyn，并對該曲線隨時間的變化趨勢進(jìn)行線性擬合獲取直線斜率，擬合區(qū)域?yàn)闀r間零點(diǎn)后整個CME或CIR事件的持續(xù)時間.圖4給出第23太陽活動周期所有CME和CIR事件Nsw／Pdyn線性擬合斜率的分布，其中紅色“＋”號代表CME事件，藍(lán)色“＊”代表CIR事件.

分析發(fā)現(xiàn)，CME事件和CIR事件發(fā)生期間的Nsw／Pdyn曲線線性擬合斜率正負(fù)相反，89.6%的CME事件對應(yīng)的線性斜率k值為正，99.8%的CIR事件對應(yīng)k＜0.由于Nsw／Pdyn＝5×（http：／／omniweb.gsfc.nasa.gov／html／ow＿data.html 3），其中Pdyn、Nsw、Vsw單位分別為nPa、cm－3、km·s－1，CME與CIR事件期間Nsw／Pdyn曲線線性擬合斜率的顯著差異體現(xiàn)了CME、CIR發(fā)生期間太陽風(fēng)速度不同的變化特征.CME期間，太陽風(fēng)速度先在較短時間內(nèi)大幅上升，然后緩慢下降，下降持續(xù)時間比上升時間長，對應(yīng)到Nsw／Pdyn曲線表現(xiàn)為：曲線先急劇下降再緩慢上升，因此總體的Nsw／Pdyn擬合曲線斜率為正.CIR期間，由于高速質(zhì)子流的影響，太陽風(fēng)速度持續(xù)增強(qiáng)并維持較長時間，使得Nsw／Pdyn曲線擬合斜率為負(fù).圖4結(jié)果表明，太陽風(fēng)速度的整體變化趨勢是辨別CME和CIR事件的有效、合理參量.

3.4 地磁暴的地磁指數(shù)統(tǒng)計分析

確定地磁暴的發(fā)生必須滿足兩個基本條件：（1）具有較大的地磁擾動強(qiáng)度，即Dst指數(shù)最小值小于－30nT；（2）有明顯的起始相、主相和恢復(fù)相.其中，孤立地磁暴具有重要的研究價值.本文著重于研究孤立地磁暴事件，其判斷標(biāo)準(zhǔn)是：（1）Dst指數(shù)下降和上升過程中擾動較小，Dst時變曲線比較平滑或可用平滑曲線擬合；（2）起始時間和結(jié)束時間對應(yīng)的Dst值接近于磁靜狀態(tài).通過對1996—2008年的Dst指數(shù)曲線圖逐一進(jìn)行目測分析，最終確定355個孤立地磁暴事件，平均每年約27個.

地磁暴強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)有很多種，本文采用Loewe等給出的利用Dstmin的分類標(biāo)準(zhǔn)（Loewe and Pr?lss，1997），如表2所示，同時也給出按此標(biāo)準(zhǔn)分類得到的1996—2008年各類強(qiáng)度的孤立磁暴總數(shù).

選取Dst指數(shù)最小值（對應(yīng)于磁暴主相峰點(diǎn)）為時間零點(diǎn)，向前取兩天，向后取五天，共七天數(shù)據(jù)，對不同強(qiáng)度地磁暴事件對應(yīng)的主要太陽風(fēng)參量與地磁水平指數(shù)進(jìn)行時間序列疊加分析，其平均結(jié)果如圖5所示.可以看出，地磁暴主相期間Dst指數(shù)衰減很快.隨著地磁暴強(qiáng)度的增強(qiáng)，Dst衰減的速度變快，并且恢復(fù)相的持續(xù)時間變長.但總體而言，對于不同強(qiáng)度的地磁暴，Dst指數(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的相似性.對于其他六個參數(shù)，也有類似結(jié)果.另外，需要說明的是：由于巨大磁暴樣本非常少，疊加平均后仍有較大波動.

圖4 1996—2008年所有CME及CIR事件Nsw／Pdyn線性擬合斜率（k）分布圖Fig.4 Scatter plot of the linear fitting slope of Nsw／Pdyncorresponding to all CME and CIR events of 1996—2008

表2 地磁暴強(qiáng)度分類及1996—2008年各類孤立磁暴總數(shù)Table 2 Classification of geomagnetic storm intensity and the total number of different classes of geomagnetic storms of 1996—2008

圖5 1996—2008年所有孤立地磁暴事件的時間序列疊加分析結(jié)果Fig.5 Superposed epoch analysis results of all isolated geomagnetic storms of 1996—2008

4 總結(jié)與討論

CME事件和CIR事件是造成日地空間行星際擾動和地磁擾動的兩個主要原因，提供了地球磁暴的主要驅(qū)動力，進(jìn)而顯著影響了地球空間環(huán)境.在深入研究1996—2008年（第23太陽活動周期）太陽風(fēng)活動及受其影響的地磁活動的時間分布特征后，本文得到以下主要結(jié)論：

（1）第23太陽活動周期共發(fā)生269個CME事件與456個CIR事件.從統(tǒng)計意義上講，CME事件比CIR事件表現(xiàn)出跨越范圍更大的IMFBz、太陽風(fēng)速度與太陽風(fēng)動壓數(shù)值區(qū)間，而CIR事件對應(yīng)的太陽風(fēng)質(zhì)子密度數(shù)值區(qū)間更大.

（2）從平均意義上講，CME事件有更大的南向IMFBz分量、太陽風(fēng)動壓Pdyn、AE指數(shù)、Kp指數(shù)與更小的Dstmin.CME事件往往比CIR事件更加劇烈，激發(fā)的磁暴也更強(qiáng).

（3）89.6%的 CME事件對應(yīng)的Nsw／Pdyn曲線線性擬合斜率k值為正，99.8%的CIR事件對應(yīng)的Nsw／Pdyn曲線線性擬合斜率k值為負(fù)，體現(xiàn)了CME、CIR發(fā)生期間太陽風(fēng)速度不同的變化特征，因此太陽風(fēng)速度的整體變化趨勢是辨別CME與CIR事件的有效、合理參量.

（4）1996—2008年共有355個孤立地磁暴.隨著地磁暴強(qiáng)度的增強(qiáng)，Dst衰減的速度變快，并且恢復(fù)相的持續(xù)時間變長.但總體而言，對于不同強(qiáng)度的地磁暴，Dst指數(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的相似性.

本文的研究專注于第23太陽活動周期，對第24太陽活動周期的研究將在后續(xù)的工作中展開.本文工作集中統(tǒng)計分析了期間的CME事件、CIR事件及孤立地磁暴事件特征，對于太陽風(fēng)參數(shù)及地磁指數(shù)表現(xiàn)出來的統(tǒng)計性特征或差異性并未深入探討.下一步的工作也將包括通過AE－Dst雙指數(shù)間的比較考察磁層亞暴與磁暴之間的關(guān)聯(lián)性，定量分析驅(qū)動不同強(qiáng)度磁暴的太陽風(fēng)條件及參數(shù)特征，以及將CME事件和CIR事件引起的磁暴分立開分別進(jìn)行更細(xì)致、更本質(zhì)的分析.另外，把太陽風(fēng)以及地磁活動的詳細(xì)分析與地球磁層的粒子動力學(xué)過程以及波場時空分布數(shù)據(jù)系統(tǒng)地結(jié)合起來，將大大有助于更深入地認(rèn)識地球磁層包括等離子體片、環(huán)電流、輻射帶對太陽活動的時變響應(yīng)特性，從而更有效、合理地建立太陽風(fēng)－磁層－電離層的全球耦合模型.

致謝感謝UCLA大學(xué)的Tung－Shin Tsu博士以及NASA的Lan Jian博士給予的幫助與討論.

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附中文參考文獻(xiàn)

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