第四课题课题任务书.docx

1、第四课题课题任务书国家重点基础研究发展计划（973计划）课题任务书 项目名称：日地空间天气预报的物理基础与模式研究 课题编号：2011CB811404 课题名称：磁层空间暴的能量传输与释放过程研究中华人民共和国科学技术部制二一年 九月一、研究内容本课题致力于深入研究空间天气中的基本磁层物理过程，并建立创新性定量物理模式，为空间天气过程中磁层空间暴的预报和应用提供理论基础。1 太阳风向磁层传输的物理机制及定量模式：分析研究磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；综合分析各种行星际条件下磁层顶三维磁场重联规律，X-线方向的分布特征；从三维角度对磁层顶瞬时磁重联(FTEs)磁通量管结构与运动进行观测

2、研究，将数据分析结果与理论模型与数值模拟结果进行对比，建立磁层顶三维磁重联的统一模型；在不同太阳风条件下，太阳风等离子体向磁层传输的途径和效率。2 磁层亚暴机制与模式：分析磁层亚暴能量释放的时序,研究近磁尾地向流和尾向流在亚暴触发过程中的作用,了解磁层亚暴高能粒子的加速与注入过程,深入理解极光亚暴粒子在极区的加速与沉降过程；在全面系统分析的基础上，完善磁层亚暴的物理模型，建立亚暴相关指数的预报模式。3 磁暴机制与模式：分析磁暴的发生机制及其与亚暴的关系；研究磁暴/亚暴期间电场和电流体系的发展与演化，以及它们与太阳活动、行星际条件的关系；利用观测资料可以对不同类型的扰动事件建立经验-统计模型，并

3、结合深入的理论研究，逐步形成实用性的磁暴预报模式。4 辐射带粒子暴机理及模式研究：研究地球磁层相对论电子的物理加速和扩散机制，研究相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系，磁层暴时，太阳质子事件中高能质子的磁层进入过程，行星际扰动对辐射带的影响，辐射带模式的比较研究。二、预期目标总体目标：通过对多点卫星探测数据以及地面观测数据的联合分析研究，结合深入的理论分析和数值模拟研究，揭示磁层空间暴全球演化的特性和规律，建立部分磁层空间暴的定量预报模式，为磁层空间暴预报提供可靠的理论基础。具体目标：1.研究太阳风向磁层传输的机制及模式：磁层顶边界层的全球拓扑结构、三维磁场重联及统一模型、太阳风向磁层传输的途

4、径和效率；2.研究磁层亚暴机制与模式：磁层亚暴能量释放的时序、亚暴触发过程、磁层亚暴和极光亚暴粒子的加速与传输，建立亚暴预报模式的物理基础；3.研究磁暴机制与模式：磁暴与亚暴的关系、磁暴/亚暴期间的电场和电流体系，建立磁暴预报模式的物理基础；4.研究辐射带粒子暴机理及模式：地球磁层相对论电子的加速机制、相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系、磁层暴时太阳高能质子的磁层进入过程、行星际扰动对辐射带的影响。5.完成论文约50篇三、研究方案及技术路线总体研究方案运用多点卫星全球联合探测的协同分析研究，深入认识磁层全球跨尺度物理过程，以揭示磁层空间暴的全球演化图景及其物理机制；运用统计分析、理论分析和数

5、值模拟相结合的方式，建立磁层空间暴模式，并开展实际应用研究。具体技术路线1利用双星，Cluster等多点卫星探测数据，进行典型个例分析和大量统计分析研究，综合分析各种行星际条件下磁层顶边界层结构以及三维磁场重联的特性和规律，太阳风物质向磁层传输的途径和效率。2通过双星,Cluster和THEMIS的全球联合探测的协同分析研究, 深入认识磁层全球跨尺度物理过程, 发现小尺度不稳定性、重联过程等与磁层整体能量释放、等离子体输运的关系,以揭示磁层亚暴的触发机理及全球演化图景.3运用自主开发的多点卫星数据分析新方法，分析研究双星、Cluster、Themis等多点卫星观测数据，探索磁层空间暴期间全球电

6、流体系的空间分布及其发展规律，磁层等离子体的粒子分布及其加速、加热和向内磁层输运的机制，揭示磁层亚暴-磁暴的物理关系。4在观测分析的基础上，通过深入细致的理论分析研究，建立创新性的磁层亚暴模型。5从资料分析入手，以多个地磁台链和太阳、电离层台站观测资料为基础，同时结合太阳和行星际的卫星观测资料，对不同扰动条件下的典型事件进行分类。通过对比近地空间电磁环境的背景状态和扰动特征，分析地磁场静日、扰日期间电流体系的短期（日）和中长期（季节、活动周）变化规律，研究描述磁层-电离层过程以及地磁场对空间灾害性事件响应的综合模型，探索适合实际情况且实用性较强的空间环境扰动预报新手段。6针对磁层磁场的实际位形

7、结构，建立合理的磁层粒子通量全球时空演化的动力学方程，对各种行星际条件下不同强度的磁层空间暴进行数值模拟研究，以揭示内磁层环电流离子和相对论电子的动态发展规律，为磁层空间暴的数值预报打下良好理论基础。特色与创新之处1.充分利用双星, Cluster， THEMIS和ACE等多点卫星联合探测数据，分析研究磁层空间暴物理过程，以发现磁层空间暴全球多时空尺度特性及演化规律.2. 利用自主开发的多点卫星数据分析的系统工具和软件，区分空间天气现象的时间变化和空间变化过程，获得磁尾等离子体片/电流片中磁力线几何结构，电流密度以及在自然坐标系中三分量，磁场大小的等值线，磁场的空间旋转特性，磁场结构的特征尺度

8、和特征方向等等，以发现磁层各关键区域的空间位形结构，全球三维电流体系分布特性以及其对行星际条件变化的响应过程。3.观测分析研究与理论分析研究相结合，从而建立切合实际的物理模型，以认识行星际太阳风-磁层-电离层耦合的定量化规律，揭示磁层空间暴触发和演化的物理机理.4. 采用动力论的表述方法，以比较完备地分析和把握磁层辐射带电子暴等复杂多变的空间天气现象，并且充分利用数值模拟分析的优势，建立磁层空间暴的数值预报模式。可行性1双星和Cluster具有很好的轨道配合,能够对磁尾全球过程进行有效的联合观测,揭示磁层空间暴演化的时空过程的真实图象. THEMIS将进一步加强磁层空间暴的全球联合探测. 2C

9、luster 磁场数据空间分辨率100km-10000km, 因而能够有效分析空间尺度约0.05-20 个地球半径的磁场结构的位形特征。依据Cluster 四点立体探测数据，分析磁层各区域和各种结构的磁力线几何位形，磁压力梯度的大小和方向，磁场矢量旋转的三维特性等，从而获得磁场几何结构的各种参量的定量化关系，得出磁层磁场结构的实际位形特征。3自第一期973项目始，课题组成员已经利用Cluster 立体探测数据分析磁层磁场几何结构， 提出了磁力线曲率分析，磁压力梯度分析， 磁场矢量旋转分析， 磁场最小变化分析等几种创新性的磁场数据分析方法，并已编制了系统的工具软件；对Cluster 数据的初步分

10、析结果显示以上分析方法的正确性和有效性。课题组成员也有信心和能力进一步根据课题目标和研究需要提出原创性数据分析方法。4课题组已经成功开展了磁层空间粒子暴稳态过程理论分析和数值模拟工作，验证了思路的可行性，因此能够如期完成本课题目标要求磁层空间粒子暴动力学分析、数值编程及数值计算工作。5近十年来磁层多卫星探测取得了大量的观测成果，对磁层亚暴和磁暴过程物理图像获得了更深入、更清晰的认识，在进一步理论分析的基础上，预期将提出更符合实测的磁层亚暴和磁暴模型。6课题组成员开展广泛的国际合作。将与英国Rutherford -Appleton 实验室科学家M.Dunlop 教授联合研究，而且本项目负责人是国

11、际空间科学研究所组织的“Cluster双星磁尾探测研究”科学工作队主要成员；在磁尾电流片的磁场结构的研究方面，将与俄罗斯科学院空间科学研究所(IKI) 著名学者Zelenyi 教授和Malova 博士等协同合作；将与美国NASA Goddard 空间飞行中心科学家J.A. Slavin 博士展开联合数据分析。总之，项目负责人及项目组成员拥有较强的科研能力和必要的科研资源，能够完成此课题预期的研究目标。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年2011年度： (1)收集国内外相关的卫星和地面观测台站对磁层空间暴（亚暴-磁暴-粒子暴）的探测数据，并选择一些典型事件进行个例分析；自主开发具有原创性的多点

12、卫星探测数据分析新方法。(2)利用双星，Cluster，Themis以及其它卫星的观测数据，进行统计和个例研究，综合分析各种行星际条件下，尤其强CME-磁层耦合期间，磁层顶三维磁重联X-线方向的分布规律，以及FTEs事件中磁通量管的结构特性；运用自主开发的多点卫星数据分析方法研究磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；(3) 深入分析辐射带粒子动力学规律，研究磁层高能粒子的来源、加速和耗散机制；探讨磁层相对论电子的物理加速和扩散机制。建立磁层空间暴典型事件数据集；提出原创性的多点卫星探测数据分析新方法；初步分析磁层顶边界层的全球拓扑结构及其内部结构；初步认识磁层粒子暴物理机理。完成学术论文8-

13、12 篇。第二年2012年度：(1) 利用双星, Cluster， THEMIS和ACE等多点卫星全球联合探测数据，对磁层亚暴进行大量的个例分析以及统计分析研究；分析近地磁尾等离子体片结构，建立经验模式；分析近地磁尾电流片的不稳定性及效应，粒子加速与加热机制；对等离子体片中高速流与磁结构的关联以及演化问题开展统计研究；着重开展卫星资料的联合观测，注重新的现象和物理过程的发现，为建立新的理论模型提供依据；分析研究亚暴在近地磁尾蓄积磁能，触发以及能量释放的整体演化过程；(2)分析研究磁暴期间，尤其超强磁暴期间，磁层-电离层系统中的电场和电流体系全球三位分布及演化，概括磁层磁暴多尺度特性及演化规律，

14、揭示磁暴-亚暴物理关系；(3) 研究相对论电子事件与地球磁暴和亚暴的关系；在充分分析辐射带粒子暴机理的基础上，建立辐射带粒子暴动力学方程，编制数值模拟程序。建立磁尾动力过程的若干模式；获得磁层-电离层系统中的电场和电流体系全球三位分布及演化规律；认识磁暴-亚暴关系物理图像；建立辐射带粒子暴模型，编制数值模拟程。完成学术论文8-12 篇。第三年2013年度：(1) 在磁层顶边界动力学方面，将数据分析结果与理论模型与数值模拟结果进行对比，建立磁层顶三维磁重联的统一模型；建立太阳风向磁层传输的物理机制及定量模式；(2) 从理论上认识行星际磁场对磁层的渗透效应，以及行星际磁场变化在磁尾等离子体片/电流

15、片响应的物理定量规律，揭示亚暴触发和发展的物理机制；在大量的观测分析研究的基础上，深入进行动力学分析研究，建立有效合理的亚暴-磁暴物理模式； (3) 开展辐射带粒子暴以及磁暴环电流能量粒子动力学过程计算机数值模拟，研究其传输、加速、扩散和损失规律，并与实测比较。建立磁层顶三维磁重联模型以及向磁层传输的定量模式；揭示亚暴物理机制；开展磁层粒子暴过程数值模拟分析，揭示磁暴机理。完成学术论文8-12 篇。第四年2014年度： (1) 在前几年工作的基础上，较全面地、系统地对高速流发生的机制以及相关物理现象的本质进行研究，重点在于建立或发展理论和模型，形成较为完整的有关等离子片中高速流形成与作用的结论

16、；继续利用多点探测数据分析亚暴全球演化过程。通过数据分析和理论分析研究，建立亚暴在磁尾等离子体片触发和演化的创新性模型。(2) 结合经验-统计模型以及理论分析成果，建立实用性的磁暴预报模式。(3) 继续辐射带粒子暴数值模拟研究，对大量的数值计算结果进行总结，建立辐射带粒子暴物理模型。建立亚暴创新性模型；建立实用性的磁暴预报模式；建立辐射带粒子暴物理模型。完成学术论文8-12 篇。第五年2015年度：(1) 结合实测分析，进一步修正和改进所建立的磁层顶结构模型、太阳风向磁层传输的定量物理模式、亚暴创新性模型、磁暴预报模式、辐射带粒子暴数值模式。(2) 结合第24周太阳活动峰年期间空间灾害性事件频

17、繁且剧烈的形势，开展所建磁层空间暴模式在空间天气预报中的实际应用研究，为我国航天事业的安全保障提供支持和服务。(3) 完成结题和总结工作。改进所建立磁层空间暴物理模式，并开展实际应用研究，为我国航天活动的安全保障做出贡献。完成学术论文8-12 篇。五、科学数据汇交计划 课题依托单位中国科学院空间中心主持地球空间双星探测计划，空间天气国家重点开放实验室负责运行中国双星科学数据中心，课题负责人沈超研究员主持双星科学运行中心的工作,因此课题组能够通过双星首席科学家刘振兴院士领导的中国双星数据中心获得双星各探测仪器的各级数据。 课题依托单位中国科学院空间中心/空间天气国家重点开放实验室负责子午工程计划

18、，能够提供低纬地面探测和两极极光活动探测数据。 课题依托单位中国科学院空间中心负责运行中国CLUSTER 数据中心，课题负责人沈超研究员、课题组骨干北京大学傅绥燕教授和北航曹晋滨教授皆为Cluster计划合作科学家，因此课题组能够获得CLUSTER 四点卫星的各级（包括高精度）数据。 课题组骨干曹晋滨教授主持十二五期间北航近地空间探测小卫星计划，能够及时提供三颗小卫星的探测数据。 课题组海外合作者李炘璘博士为THEMIS 项目Co-I ，能够提供THEMIS 各级探测数据。李欣璘博士也是辐射带暴探测计划RBSP（2012 年发射）MORE 执行PI，能够提供最新的粒子暴多点探测数据。 课题负责

19、人作为国际空间科学研究所“THEMIS-双星-Cluster探测与地面观测对磁层顶动力学的比较研究”科学工作队主要成员，能够获得SuperDawn雷达极光电离层对流成像数据。六、课题承担人员负责人姓名性别身份证号码专业技术职务单 位每年工作时间(月)签字沈超男110108*研究员中国科学院空间科学与应用研究中心10参加人员傅绥燕女110108*教授北京大学10陈耿雄男110108*副教授中国科学院地质与地球物理研究所10肖池阶男362227*教授北京大学10曹晋滨男340104*教授北京航空航天大学10王源女410205*博士后中国科学院地质与地球物理研究所8研究生马永辉男博士研究生中国科学院

20、空间科学与应用研究中心8李金星男博士研究生北京大学8崔燕波男博士研究生北京大学8罗浩男博士研究生中国科学院地质与地球物理研究所8卢志新男博士研究生北京大学8郭志斌男博士研究生北京大学8曾刚男硕士研究生中国科学院空间科学与应用研究中心8徐丹男硕士研究生北京航空航天大学8董宜萱女硕士研究生北京航空航天大学8七、签字盖章及意见课题负责人签字： 我将严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定，根据本课题任务书，按计划组织课题组开展研究，确保完成课题研究计划，实现预期目标。课题负责人（签字）： 年 月 日课题承担单位盖章： 我单位严格遵守973计划项目和经费管理的各项规定，对参加研究的人员给予各方面的保障和支持，对课题的研究工作和经费使用进行监督，确保本课题顺利、圆满完成预期目标。负责人（签字）：（单位盖章）年 月 日项目首席科学家意见：首席科学家（签字）： 年 月 日