0254-6124/2020/40(6)-1000-07Chin.J.Space Sci.空间科学学报
LI Shiyou,XIE Rong,XIAO Yang.Statistical study on the geomagnetic substorm(in Chinese).Chin.J.Space Sci.,2020, 40(6):1000-1006.DOI：10.11728/cjss2020.06.1000
李世友谢蓉肖扬
渗铝(湖南信息学院电子科学与工程学院长抄410151)
扌商要利用AL和AE指数对第24个太阳活动周发生的亚暴事件进行统计分析.主要统计了关于磁层亚暴的强度，亚暴初值与恢复值的关系，亚暴持续时间，亚暴恢复相与增长相(包括膨胀相)持续时间的关系等.统计结果表明：在第24个太阳活动周中2008-2016年发生的亚暴事件大部分比较剧烈，其峰值大都在200〜1200nT；初值和恢复值大都在30-100nT，并且事件占比符合正态分布；大部分亚暴都能恢复到亚暴初值60nT以内，并且差值越小，事件的占比越大.大部分亚暴的持续时间较长，在100-400min之间，其中增长相(包括膨胀相)持续时间均在120min以内，并且持续时间越长，其事件占比越小；大部分亚暴事件的恢复相持续时间在60-300min之间，并且呈现出正态分布特征.绝大多数亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的10倍以下，其中约一半亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的1〜4倍.这说明亚暴的能量聚集速度约为能量释放速度的1〜4倍. 关键词亚暴强度，亚暴起始，亚暴持续时间，太阳活动周
中图分类号P353
Statistical Study on the Geomagnetic Substorm
LI Shiyou XIE Rong XIAO Yang
(School of Electronic Science and Engineering,Hunan University of Information Technology,Changsha410151)
Abs t ract The substorm is a process that releases enormous energy in the magneto s phere,including auroral,ionospheric,magne t o s pheric and t h ermospheric substorms.The substorm can resul t in severe disturbances in the whole magnetosphere and ionosphere.In this work,the AL and AE indices are employed to analyze the substorm events in the24th solar cycle.Statistical analysis is performed on the relationship between the intensity of substorm,the initial value of substorm and the recovery value,the duration of a substorm,the relationship between substorm recovery phase and the duration of the grow t h phase(including expansion phase)and so on.The statistical results show that:most of the substorm events occurred in the24th solar activity cycle from
2008to2016are severe,with the peak value of the substorm mostly around200〜1200nT;the duration of most of the substorms ranges from100to400min,the duration of the recovery phase of most of the substorms is between60to300min,and presents the normal distribution characteristics;the recovery phase duration of most substorm events is less t h an10times of the grow t h phase dura t ion.The statistical
*湖南省教育厅优秀青年项目(18B572)，湖南省自然科学基金面上项目(2020JJ4451)和国家自然科学基金青年
基金项目(41304132)共同资助
2019-07-22收到原稿，2020-08-19收到修定稿
E-mail:toneylab@163
李世友等：地球磁层亚暴统计分析1001
results on the substorm are helpful for fuTthei*understanding of the occurrence and development of substorm in the magne t o s phere.Therefore,it is of practical significance to further understand the energy evolution process in the magne t o s phere.
Key words Substorm intensity,Substorm onset,Substorm duration,Solar activity circle
0引言
亚暴是一种频繁发生的磁场扰动现象，起源于地球磁尾，能够导致磁场中的粒子加速.被加速的粒子沿磁力线沉降到极区电离层中时，导致极光突然变亮并逐渐向低纬度扩张.磁层亚暴是磁层中能量存储、释放和耗散的一种瞬变活动，其发展和发生涉及日地系统的整体过程，包括：行星际空间中太阳瞬变事件的表现形式，行星际磁场与磁层的相互作用及其与太阳风、磁层、电离层和上层大气的耦合过程等U7］.磁层亚暴包括电离层亚暴、极光亚暴、热层亚暴和磁亚暴Ml.几乎每天都会发生磁层亚暴.其发生频率为每天3〜4次同.磁层亚暴会引起地球空间环境（磁层、电离层和上中层大气）的剧烈干扰，包括电离层暴和电离层骚扰及热层结构变化等，磁层中各种类型的粒子事件，例如亚暴粒子注入事件、电离层上行离子事件、辐射带粒子变化和环电流粒子变化等［6J1，这些干扰对外太空活动、地面通信及人类生存环境具有严重影响.
磁层亚暴包括两个过程，即太阳风直接驱动过程和卸载过程.当太阳风-磁层发电机输出功率达到一定值时，才有可能发生磁层亚暴事件.截至当前，已提岀了多种磁层亚暴模式，包括近地中性线（NENL）模式【Ml，近地电流中断（CD）模式【9］，边界层模式，热灾变模式，磁层-电离层耦合（M-I-C）模式及近地位形（结构）不稳定模式等.但是这些模式不能完全解释磁层亚暴引发的各种现象.同时，一些新的观察结果引发了关于磁层亚暴理论的新问题.
磁层亚暴给地球空间带来的剧烈扰动对外太空活动、地面通信与人类的生存环境有重大影响，例如导致地空信号中断，对人类生活带来极大不便1101•因此，深入认识磁层亚暴有助于减轻其对人类活动的危害影响.亚暴的发生与许多因素有关.关于太阳活动对亚暴的影响已有很多研究.2013年Li等网利用1995-2011年的极光电急流AL指数的数据，采用统计分析的方法研究了太阳风对亚暴增长相持续时间和亚暴强度的影响，结果表明，亚暴增长相阶段持续数分钟至2〜3h，持续时间的长短主要受太阳风条件控制［叫.2015年Chu等Ml研究了太阳活动对亚暴发生和持续时间的影响，发现亚暴增长相的时间取决于太阳风条件，其最可能的值为80min，而亚暴扩展和恢复阶段的持续时间不随太阳周期的变化而变化.2018年Liou等［13】研究了三种太阳风结构（日冕物质抛射、高速气流和慢太阳风）对磁层亚暴发生概率和亚暴强度的影响并进行统计分析对比，采用了Newell等1141根据Supermag SML指数得到的亚暴事件.Newell等Ml利用1983-2009年的Supermag SML指数数据对磁层亚暴事件进行筛选，共选出53468个地磁亚暴事件，平均每年近2000个，每天5.4个.2018年Liou等Id］按三种太阳风类型对这些亚暴事件进行了分类和对比研究.本文采用统计方法研究磁层亚暴的发生和发展规律.
1数据分析方法
典型的磁层亚暴包括增长相、膨胀相和恢复相三个阶段町对磁层亚暴的强度、持续时间等进行统计分析，需要首先确定亚暴三个阶段的时间节点.
1994年Nakamura等［闵提出一个利用AL指数判断亚暴起始的标准.极光带地磁台链得到的水平分量正负扰动的平均值分别称为AU和AL指数.分别表征东西向电急流的强度.AE指数即极光电急流指数，在数值上等于AU指数和AL指数的差值，即AE=AU-AL.Nakamura等【闵认为，当AL指数减少超过100nT时即认为有亚暴的存在，其中AL 指数由-100nT减少到-300nT的过程可认为是增长相或膨胀相.在这个过程中.如果AL指数减少比较迅速.例如每10min变化值在70-230nT，则该过程被认为是膨胀相.Hsu等提岀了一种利用AL指数的急剧减小和Pi-2地磁扰动的突然爆发来确定亚暴爆发的近似方法.Li等Ml也采用类似方法研究了太阳风参数对磁层亚暴的影响・主要
1002
Chin. J. Space Sci. 空间科学学报 2020, 40⑹
是利用AL 指数的突然急剧减少来确定亚暴的爆发. 为了尽可能减少数据不确定性的影响.选取事件时要
求AL 指数在1.5h 内降至—lOOnT 以下.
从统计的角度出发，利用AE 和AL 指数发生突 变的时刻来区分增长相、膨胀相和恢复相.图1给出 了 2012年4月23日的一次典型磁层亚爆事件.
图1(b)中竖线L1和L2, L2和L3, L3和L4包 括的时间范围分别为增长相、膨胀相和恢复相对应
的阶段.
增长相是磁层亚暴发生后的第一个阶段，通常在
行星际磁场转为南向时开始［111-本事件中L1与L2
之间AE 指数急剧增高，因此该时间范围内为增长 相.增长相通常持续0.5~lh 同.本例亚暴增长相的 时间范围为05:05 UT —05:35 UT，时长约0.5 h.增长 相略有恢复后，进入磁层亚暴的膨胀相阶段，一般持
续30min.图1中L2与L3之间即为膨胀相，时
间范围为05:35UT-06:05UT，约持续30min.在膨 胀相期间,AE 指数从一个极小值开始迅速膨胀到最 大值.在亚暴膨胀相期间，磁层储存的磁能等能量快
速释放，在远磁尾可观测到高速尾向流和等离子体团 以及重离子束流，在中近磁尾可探测到地向快速等离
子体流Ml. Sun 等［19)研究发现，亚暴膨胀相期间, 等离子体片中的局地高速流可以触发磁重联过程从 而导致磁尾磁能的快速释放.膨胀相结束对应于AL
指数达到最小值，同时恢复相开始.此时亚暴电流楔
和极光电急流开始减弱，极光活动从子夜区向晨侧移
动㈤】.近磁尾和电离层恢复到亚暴前平静状态的 过程较慢；远磁尾可观测到高速流和等离子体团Ro 】.
图1中L3与L4之间即为恢复相，持续时间超过2 h.
这里主要利用AE 和AL 指数对2008-2016年
第24太阳活动周的磁层亚暴进行统计分析.分析所 采用的数据，包括AE, AU, AL 指数以及计算AE 指数所用到的各个地磁台站的地磁场数据来自日本
京都地磁数据网站*，数据时间分辨率为lmin.
* http //wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/aedir /index.html
2亚暴特性统计分析
采用统计分析方法对第24太阳活动周［21】期间
天下名站的亚暴事件进行统计分析.对所得数据制图并人工 搜索孤立型亚暴，记录亚暴的起始时间、起始值、最 高峰时间、最大值、恢复时间、恢复值等基本信息,
然后进行统计分析.这里采用自动制图结合人工筛 选的方式筛选事件，得到2008-2016年6400多个孤
立型亚暴事件，平均一天约2.2个.
2.1亚暴强度统计
精确度量亚暴强度通常比较困难，而且也没有统 一的标准.文献［22］使用了多种参数作为亚暴强度
东风汽车公司电视台
的量度，包括电离层、磁层区域中可测量的物理量及
500
1000
图1 2012年4月23日亚暴事件AU, AL 与AE 指数
Fig. 1 AU, AL and AE indices of sub-storm events on 23 April
2012
李世友等：地球磁层亚暴统计分析1003
组合【22】.在电离层测量方面，极光电急流指数(AE, AL)、西向极光电急流总电流、极盖区极光点亮的总 面积、极光功率、极光隆起的最大极化前移和极光亚
暴的持续时间等均可作为量度；在磁层观测方面，亚 暴注入边界最里面的位置和交叉尾流减少量等可作
为量度【221.本文采用极光电急流AE 指数在亚暴持 续期间内的最大值作为亚暴强度的量度.
利用AE 指数的极大值代表亚暴强度，称为亚 暴峰值或亚暴幅值.图2给出亚暴强度的统计分
析结果，其纵坐标为亚暴事件中AE 指数的极大 值，即亚暴幅值.由图2可以看岀，绝大部分亚 暴事件的亚暴峰值在200~1200nT.其中：亚暴峰值
在300-400nT 的事件占比最大，约为14.5%；大于
400nT 的事件数随着峰值强度的增大而逐渐减小;
超过1200nT 的事件有236个，占比在5%以
下，说明极其剧烈的亚暴事件发生较少.统计结果表 明：在第24个太阳活动周中2008-2016年发生
的亚暴事件大部分比较强烈；亚暴事件的峰值大都 在200-1200nT，占比超过90%；极其剧烈的亚暴事 件偶有发生，总体占比不超过5%.2.2暴初值和恢复值统计
亚暴初值定义为亚暴起始时刻AE 指数的绝对
值.亚暴恢复值定义为亚暴恢复到正常水平时AE
指数的绝对值.图3(a)给出了亚暴初值的统计结果, 图3(b)给出了恢复值的统计结果.从图3(a)可看岀: 亚暴初值大都在30-100 nT，占整个事件样本的80% 左右.利用正态分布函数进行拟合，发现其符合正态 分布，正态分布参数为M = 59.4 nT, o = 27 nT.极少
数事件的亚暴初值在100nT 以上总占比小于10%.
由图3(b)可以看出，亚暴恢复值的分布与亚暴初值 非常类似，也大都在30-100 nT 且呈正态分布，其正 态分布参数为M = 61.2nT, er = 25.5 nT.亚暴恢复值
比亚暴初值的分布稍微陡峭.
图4给出亚暴初值与恢复值差值的统计结果.由 图4结果可知，亚暴恢复值和初值的差值与事件的占 比成反比关系，即差值越小，事件的占比越大.差值 在0~10nT 的事件有1777个，约占样本总数的27%;
差值在10-20nT 的事件有1462个，占样本总数
的22%；差值在20-30nT 的事件有1194个，占样本 总数的17%；差值在30-40nT 的事件有813个，占
样本总数的18%；差值在40-50 nT 的事件有591个, 占样本总数的13%；差值在50-60 nT 的事件有358
个，占样本总数的9%；差值在0〜60nT 的事件总占 比超90%；差值在60nT 以上事件总占比小于10%.
根据对增长相与恢复相差值的统计，可以得出以 下结论：增长相初值与恢复相初值的差值主要分布 在0〜60nT，占总比的90%左右.统计结果表明，绝 大多数亚暴事件能恢复到亚暴初值60 nT 以内，并且
差值越小事件占比越大.
志愿军进行曲
H e _ U P 2二
d E 0
lusuo
u u o -s q n s
>150' <150 <140 <130 <120<110<100 <90<80<70<60<50<40<30<20<10
25 30 35 40
(a)
>1500
<1500<1400<1300<1200<1100<1000<900<800<700<600<500<400<300<200<100
5
H e 、u p 2二 duly
lu 01sqns
39
769!
■ 277■ 316hi 367
406494612733780
965
837
■WH 71910 15 20 25 30 35 40
Ratio/(%)
图2亚暴峰值统计
Fig. 2 St a t i stical result of the subs t orm peak value
I u
、u p a 一
-d E E lusuo
u u s s q n s
71
0 5 10
15 20 25 30 35 40
Ratio/(%)
图3 (a)亚暴初值统计，(b)亚暴恢复值统计Fig. 3 Statistical results of substorm onset value (a)
and recover value
(b)
1004Chin.J.Space Sci.空间科学学报2020,40(6)
2.3亚暴持续时间统计
亚暴持续时间定义为亚暴恢复到正常水平的时间与亚暴起始时间的差.图5给岀亚暴持续时间的统计结果.全部亚暴事件分为11个档次，其中：持续时间lOOmin以下的事件分为3档，即0〜30min, 30〜60min和60〜lOOmin；持续时间100〜300min 之间的事件以50min间隔划分档次；持续时间大于300min的事件以lOOmin间隔划分档次.结果表明，绝大多数亚暴持续时间在100〜400min，总占比约为85%;442个事件的持续事件在60~100min，占比6%左右.因此，2008-2016年发生的亚暴事件中，绝大多数亚暴事件的时间持续时间较长，只有少数事件的持续时间较短或特别长.
2.4亚暴增长相时间和恢复相时间统计
图6给出了亚暴增长相(包括膨胀相)和恢复相持续时间的统计分析结果.图6(a)给出了增长相(包
H
u
、
二
一
p
I
L
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图4亚暴初值与恢复值差值统计
Fig.4Statistical result of the difference between
substorm onset value and recovery value of substorm
U
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二
0AJU1U
一
l
u
j
s
s
q
n
s
Ratio/(%)
图5亚暴持续时间统计
Fig.5Statistical result of substorm duration 括膨胀相)持续时间的事件占比统计.由图6(a)可以看出，亚暴事件增长相(包括膨胀相)持续时间都在120min以内.持续时间<30min,30~60min, 60〜90min和90~120min等各类占比均大于10%，并且持续时间越长，其事件占比越小.也有极少数事件的亚暴增值相持续时间>120min.例如增长相时间在120〜150min的事件有204个，占比约3%.
图6(b)给出了恢复相持续时间的亚暴事件占比统计结果.由图6(b)可知，恢复相持续时间的分布特征与增长相不同，基本呈现出正态分布规律，分布函数参数为“=164.9min,o=76.3min.其中：亚暴恢复相持续时间为100-150min的事件有1591个，占总比的23.6%；持续时间为150〜200min的事件有1473个，占总比的21.8%，二者均超过了20%.因此，大部分亚暴事件的恢复相持续时间为60〜300min，并且呈现出正态分布特征.
根据同一个事件的恢复相持续时间与增长相持续时间比值可以看出亚暴的相对剧烈程度，该比值体
u
lu
u
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ns
u-lu
二
P
A
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3
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一
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2
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>300
<300
<270
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<210
<180
<150
<120
<90
<60
<30
0510152025303540 >450
<450
<400
<350
<300
<250
<200
<150
<100
华硕z99s
<60
<30
0510152025303540
Ratio/(%)
含泪劝告图6亚暴增长相持续时间(a)和恢复相持续
时间(b)统计结果
Fig.6Statistical result of the duration of substorm growth and expansion phase(a)and
substorm recover phase(b)
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