中国科学院近地空间环境重点实验室

中国科学技术大学

Key Laboratory of Geospace Environment CAS

University of Science and Technology of China

年度报告

2013 Annual Report

2013-12-27

目 录

一、 基本信息………………………………………………………………………………………1

二、 实验室概况……………………………………………………………………………………2

（一） 实验室历史沿革…………………………………………………………………………2

（二） 实验室定位、研究方向和内容…………………………………………………………3

1.实验室定位…………………………………………………………………………………3

2.实验室研究方向和内容……………………………………………………………………4

（三） 实验室优势与特色………………………………………………………………………5

（四）已有的人才队伍、科研条件等基础………………………………………………………5

1. 人才队伍……………………………………………………………………………………5

2. 科研条件等基础……………………………………………………………………………6

（五）研究单元和支撑平台简介………………………………………………………………6

1. 研究单元简介………………………………………………………………………………6

1.1 近地空间环境中的基本物理过程 ……………………………………………………6

1.2 近地空间环境对太阳活动的响应 ……………………………………………………7

1.3空间等离子体环境的实验室研究 ……………………………………………………8

1.4地基探测技术与研究 …………………………………………………………………9

1.5 天基探测技术与研究…………………………………………………………………10

2. 支撑平台简介 ……………………………………………………………………………11

2.1蒙城国家野外观测台站………………………………………………………………11

2.2临近空间探测平台……………………………………………………………………12

2.3空间有效载荷研制平台………………………………………………………………13

2.4空间环境的实验室模拟平台…………………………………………………………14

2.5数据、模式与计算平台………………………………………………………………15

三、 人员信息……………………………………………………………………………………17

1. 学术委员会…………………………………………………………………………………17

2. 队伍建设……………………………………………………………………………………17

2.1 研究单元………………………………………………………………………………17

2.2 固定人员名单…………………………………………………………………………18

2.3 重要人才情况…………………………………………………………………………20

2.4国内外学术组织任职情况……………………………………………………………21

2.5国内外学术期刊任职情况……………………………………………………………22

3. 人才培养……………………………………………………………………………………23

3.1在读研究生及博士后信息一览表……………………………………………………23

3.2毕业研究生一览表……………………………………………………………………25

3.3研究生获奖一览表……………………………………………………………………26

四、 科研工作与成果………………………………………………………………………………27

1. 实验室年度承担项目情况概述…………………………………………………………27

2. 各研究方向工作进展和代表性研究成果………………………………………………27

2.1近地空间环境中的基本物理过程…………………………………………………27

2.2近地空间环境对太阳活动的响应…………………………………………………29

2.3空间等离子体环境的实验室研究…………………………………………………31

2.4地基观测技术与研究……………………………………………………………33

2.5天基探测技术与研究………………………………………………………………40

3. 科研项目及成果统计表…………………………………………………………………44

3.1国家科研项目一览表……………………………………………………………44

3.2横向合作及其他项目一览表……………………………………………………53

3.3获奖等重要成果………………………………………………………………………55

3.4发表论文列表……………………………………………………………………55

3.5授权发明专利……………………………………………………………………69

五、 学术交流………………………………………………………………………………………71

1. 国内外交流情况……………………………………………………………………71

2. 举办的国际会议情况…………………………………………………………………72

3. 参加的国内外会议情况…………………………………………………………………73

4. 开放课题一览表…………………………………………………………………………75

六、 运行管理 …………………………………………………………………………………76

1．固定资产情况………………………………………………………………………76

2．30万元以上仪器设备使用情况………………………………………………………76

七、 实验室大事记………………………………………………………………………………77

一、基本信息

实验室中文名称：中国科学院近地空间环境重点实验室

实验室英文名称：Key Laboratory of Geospace Environment, CAS

实验室代码：2005DP173052

依托单位：中国科学技术大学

实验室主任：窦贤康

实验室学术委员会主任：魏奉思

通讯地址：安徽合肥 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 邮编:230026

联系人：孙婵娟

联系电话：0551-63607930

传真：0551-63607930

E-MAIL：chjsun@ustc.edu.cn

网址：http://geospace.ustc.edu.cn

学科与学位点：

学科1

学科2

学科3

名称

代码

名称

代码

名称

代码

学科分类

空间物理

070802

等离子体物理

070204

大气物理学与大气环境

070602

硕士点

空间物理

070802

等离子体物理

070204

大气物理学与大气环境

070602

博士点

空间物理

070802

等离子体物理

070204

博士后站

空间物理

0708

等离子体物理

0702

研究性质

■基础研究 □应用基础研究 □社会公益性研究 □高技术研发

归口领域(选1项)

□化学 □数理 ■地学 □生命科学 □医学科学 □信息 □材料 □工程

注：学科与代码可参考国务院学位办颁布的“授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录”

二、实验室概况

（一） 实验室历史沿革

中国科学院基础等离子体物理重点实验室成立于2005年，主要开展聚变等离子体物理、低温等离子体物理和空间等离子体物理三个方向的研究，经过4年的建设，实验室得以长足发展。近年来，国家在近地空间的航天活动日益活跃，本实验室加强了空间等离子体物理的科学研究和人才队伍建设，同时大力发展了地面探测手段和空间有效载荷研制技术，在近地空间的探测和研究方面取得了重要进展和突出成果，已成为我国在近地空间环境研究领域的重要科研基地。因此，为更好的服务国家在近地空间中航天活动的重大战略需求，经实验室学术委员会讨论，实验室的研究方向自2010年底起转向以近地空间环境为主。2013年5月正式更名为中国科学院近地空间环境重点实验室。

近地空间（Geospace），系指地球上空对流层以外直至地球内磁层的广大区域。近地空间由中高层大气、电离层和内磁层等圈层组成，既是日地空间（太阳大气、行星际空间、地球空间）的重要组成部分，也是固体地球及大气对流层的自然延伸。近地空间是一个极为复杂的耦合系统。在其内部，电离气体和中性大气通过光化学、热力学、动力学和电动力学过程相互作用；在其下部，通过各种波动过程与对流层交换能量和动量；在其上部，磁层和电离层之间则通过高纬和极区通道，进行成分、动量和能量的输运与反馈。因此，近地空间各圈层存在复杂的耦合过程，对近地空间环境的研究具有重要的学术意义，是当前空间物理学的重要研究领域。

近地空间环境发生的灾害性变化，对空间及地面技术系统可造成严重损伤和危害，而空间时代给人类社会带来的巨大效益也主要体现在近地空间环境的利用方面。因此，研究近地空间环境也是保障空间及地面技术系统的运行安全、开发利用空间资源的需要，具有重大的应用价值。本实验室将瞄准近地空间环境的前沿课题和国家需求，推动我国近地空间环境研究的快速发展。

（二） 实验室定位、研究方向和内容

1. 实验室定位：

实验室将致力于近地空间环境前沿科学问题的研究，揭示近地空间环境各圈层之间的耦合过程以及物质与能量的输运机制，提高国内地基光学和空间有效载荷的研制水平，建成国际上重要的近地空间环境研究中心和高端人才培养基地，满足国家在近地空间环境保障、空间探测等方面的战略需求。

2. 研究方向和内容：

（1）近地空间环境中的基本物理过程：开展不同电离特性介质中的各种基本物理过程和机理的研究，如中高层大气中各种波动现象及其对近地空间环境中的能量和动量输运过程的影响，地球磁层中磁场重联以及波和粒子的相互作用过程，各圈层间的动力耦合过程及其效应等。

（2）近地空间环境对太阳活动的响应：主要研究太阳爆发活动及其在日冕和行星际空间中的传播和扰动，以及在各时空尺度下近地空间环境对太阳活动和行星际扰动的响应。

（3）空间等离子体环境的实验室研究：建设产生近似空间环境的实验室等离子体研究平台，开展空间等离子体物理过程的实验室模拟研究。

（4）地基观测技术与研究：发展各种激光雷达以及被动光学遥感仪器，应用于临近空间大气探测，结合卫星遥感，并辅助于大气模式，了解临近空间的动力学过程，定量研究中高层大气环流的变化和各种波动的传播以及与背景大气的相互作用。

（5）天基探测技术与研究：发展空间有效载荷研制技术，着重研制空间低能粒子探测器，开展空间有效载荷的设计、加工、测试、定标、数据分析等多方面的研究，以满足国家在航空航天领域的需求。

（三）实验室优势与特色

1. 学科齐全：实验室依托中国科学技术大学空间物理和等离子体物理两个国家级重点学科，并借助学校学科齐全的优势，联合了其他相关专业如大气物理、原子分子物理、物理电子学、物理化学等科研力量。

2. 国内唯一以近地空间环境为目标的实验室：目前在空间物理领域国家重点实验室只有一个“空间天气学”国家重点实验室，它们侧重于行星际空间和地球磁层的研究。本实验与 “空间天气学”重点实验室能形成有效的互补。

3. 具有自主观测和实验能力、研究手段多样：实验室拥有蒙城国家野外观测台站，建有成体系的中高层大气测温测风激光雷达探测系统，建有空间有效载荷研制平台。在空间环境的实验室模拟研究方面，建有磁场重联等基本等离子体物理过程研究的实验装置，可有针对地开展实验模拟研究。此外实验室具有很强的数据分析以及数值模拟能力，拥有从磁流体力学到全粒子模拟的多种数值计算格式。

（四）已有的人才队伍、科研条件等基础

1. 人才队伍

实验室共有固定人员46人，其中研究人员31人、技术支撑人员13人、行政管理人员2人；正高级职称人员28名、副高级职称人员11名；中国科学院院士2名、千人计划A类入选者2名、杰青8名、青年千人3名、百人计划入选者3名（不重复计算）。拥有国家基金委“地球空间环境及其对太阳活动的响应”创新群体。在读博士生65人, 硕士生各75多名。先后培养出全国百篇优秀博士学位论文奖获得者4人。

2. 科研条件等基础

实验室面积约占7000平方米，其中仪器用房面积约4000平方米（不含蒙城国家野外观测台站所占面积）。拥有5实验观测支撑平台：

（1）蒙城国家野外观测台站：担负观测中高空大气、太阳活动、地震、地磁、地电等现象的任务，是中国科学院日地观测网络的重要基地。

（2）临近空间探测平台：建成了“Mie-Rayleigh-Na荧光双波长激光雷达系统”和“车载多普勒测风激光雷达系统”，正发展可探测至70公里的多普勒测风激光雷达系统和钠层测温测风激光雷达。

（3）空间有效载荷研制平台：拥有千级洁净室、电子学实验平台、离子束标定系统、真空室、测试和存储真空箱等，可用于有效载荷的设计、组装和测试。

（4）空间环境的实验室模拟平台：主要设施有线性磁化等离子体装置、飞秒激光等离子体装置、光学诊断系统。该平台建设目的是建造或改造实验装置，研究空间物理的某些重要物理过程。

（5）数据、模式与计算平台：建有总数据容量为80T的大容量数据存储系统，已实现对本实验室的激光雷达观测数据、以及国外的STEREO、SOHO等卫星数据的自动收集和整理。建有计算集群，浮点运算能力为1.36Tflops，可用于各种近地空间环境模式的运行。

（五）研究单元和支撑平台简介

1. 研究单元简介

1.1 近地空间环境中的基本物理过程

简介：近地空间环境主要包括中高层大气（平流层、中间层、和低热层）、电离层和磁层。中高层大气主要由中性气体组成，电离层则是部份电离的等离子体，而磁层空间则充斥着稀薄的等离子体。不同的圈层中发生的物理过程有着不同的特点，如中高层大气中，大气重力波的耗散或破碎过程及其对背景大气的作用程度，重力波、潮汐波、和行星尺度波的相互作用对于中高层大气动量和能量的影响。地球磁层中磁场重联以及波和粒子的相互作用过程；各圈层间的动力耦合过程及其效应等。对有关的物理问题的研究不仅有着重要的物理意义，同时对开展积极而安全、可靠和高效的航空航天活动也起着重要的指导作用。

研究方向：

（1） 中高层大气中大气重力波的耗散或破碎过程

（2） 地球磁层中的磁场重联过程及其效应

（3） 地球磁层中的波和粒子间的相互作用及其带电粒子加速

（4） 近地空间环境中各圈层间的动力学耦合。

1.2 近地空间环境对太阳活动的响应

简介：近地空间环境对太阳活动的响应可分为瞬时、短期和长期变化三类。瞬时变化主要来自太阳大气中的各类爆发现象，如日冕物质抛射（CME）、耀斑、日珥爆发等。这类爆发活动往往会引起行星际空间以及地球空间的剧烈扰动，形成灾害性空间天气事件、从而影响人类社会，尤其是高技术系统的正常运行。短期的变化最主要的因素是太阳自转和地球自转与公转。比如太阳自转会带来27天的周期变化，起源于冕洞的太阳风高速流每27天左右扫过地球，从而引起重现性地磁暴等地球空间环境变化。长期的变化则属于空间气候学范畴，有来自于太阳11年周期的影响，也有以世纪为单位的更长尺度的变化。本研究单元主要研究太阳爆发活动及其在日冕和行星际空间中的传播和扰动，以及在各时空尺度下近地空间环境对太阳活动和行星际扰动的响应。

研究方向：

（1） 太阳爆发活动及其日冕和行星际过程

（2） 日冕和行星际参数的太阳周行为研究

（3） 地磁暴及太阳高能粒子事件的因果链研究

（4） 电离层和热层对太阳活动水平以及行星际扰动的响应

（5） 太阳活动对低层大气的影响

1.3 空间等离子体环境的实验室研究

简介：在实验室条件下研究空间等离子体的基本物理过程是空间观测研究的重要补充。空间观测一次性投资大，实施周期长，对某些空间等离子体过程难以做到深入研究。在实验室产生近似空间环境的等离子体研究平台，无疑可以对许多空间等离子体物理过程展开深入细致的研究，例如，可以在实验室条件下研究磁场重联过程、无碰撞激波的产生和传播，等等。而且，依托空间等离子体环境的模拟平台，还可以对星载探测器进行考核，有效降低发展星载探测器的风险。

研究方向：

（1） 磁场重联的实验室研究；

（2） 等离子体基本波动过程的研究；

（3） 等离子体相互作用的研究；

（4） 带电粒子辐射对探测器的影响。

1.4 地基观测技术与研究

简介：向上传播的具有各种尺度和周期的重力波、潮汐波和星际波，对于中高层大气能量和动量的输运有着重要影响。这些波动在向上传播过程中，由于增大的振幅或者逼近临界高度，它们逐渐趋于不稳定和饱和，并因而导致波的耗散或破碎。它们所携带的能量和动量将会被传输到背景大气中，直接改变中高层大气平均温度和风场,实现了不同大气圈层之间耦合，进而也非常显著的影响到全球的能量和动量的分布。随着激光技术和电子技术的发展，各种激光雷达以及被动光学遥感仪器被广泛的应用于大气探测。全面的地基观测结合卫星遥感，并辅助于大气模式， 对了解临近空间的动力过程、定量的研究中高层大气环流的变化和各种波动的传播以及与背景大气的相互作用具有重要意义，同时也将直接提高空间天气预报的精度。

研究方向：

（1） 主动和被动光学遥感仪器系统：高光谱分辨率激光雷达系统用于探测中高层大气风场和温度；高精度全自动化被动光学仪器用于探测中间层顶重力波和大气温度和风场。

（2） 中高层大气动力学研究

（3） 中高层大气气候学研究

（4） 中高层大气与电离层、对流层大气的耦合研究

1.5 天基探测技术与研究

简介：空间环境中充满了等离子体，其中绝大部份是能量低于20Kev的背景态的低能粒子，作为背景态的空间低能粒子是空间等离子体探测中最基本的探测对象之一。对它的探测可以提供研究空间等离子体中物理过程的数据，有助于我们更好地了解其中发生的物理过程。另外，对空间等离子体中低能粒子的探测，可为空间环境中的灾害性天气事件提供警报，并更好地了解空间航天器表面的充放电过程，为航天活动提供基本的技术保障。因此，研制空间低能粒子探测器无论在重大科学前沿还是在国家航空航天领域的战略需求方面都有着极为重要的意义。

研究方向：

（1） 低能离子能谱仪的研制

（2） 低能离子质谱仪及其核心技术（TOF，扫描高压电源等）研究

（3） 太阳紫外光污染防护设计研究

（4） 空间探测仪器电磁兼容的设计与测试

（5） 空间探测仪器的地面检测方案与设备研制

（6） 空间探测仪器的数据校正与处理

2.支撑平台简介

2.1 蒙城国家野外观测台站

简介：蒙城地球物理国家野外科学观测研究站担负观测地震、地磁、地电、中高空大气、太阳活动等物理场，是监测华东地区地球物理过程的国家地球物理观测网络重要节点，也是科学院日地观测网络的重要基地。在临近空间探测方面，主要目标是建成一套探测具有多种探测手段的综合性示范站，并利用其提供的各种地基探测数据研究平流层、中层大气动力学过程及其耦合的非线性效应，分析大气重力波、潮汐与对流层、电离层的相关物理参数的耦合关系，为深入研究东亚地区中高层大气的动力学过程和气候学过程提供帮助。

2.2临近空间探测平台

简介：临近空间探测平台包括地基主动和被动遥感设备的研制和建设，目前主要是建设地基激光雷达设备，用于探测平流层和中间层大气风场和温度，以及中间层顶金属Na原子数密度等，地基（FPI）用于探测中间层顶和低热层的大气风场。我们已经建立了《Mie-Rayleigh-Na荧光双波长激光雷达系统》和《车载多普勒测风激光雷达系统》。这两个系统均已通过业内专家的鉴定或验收，均先后投入常规的观测运行。Mie-Rayleigh-Na荧光双波长激光雷达2005年投入使用，已经进行了近五年的观测，积累了大量的钠层观测资料。目前我们正在研制用于探测0－60km大气风场的Doppler激光雷达系统和80－110km大气风场和温度的高光谱分辨率钠激光雷达系统，和三通道FPI设备。

仪器设备及功能：

（1） Mie-Rayleigh-Na荧光双波长激光雷达系统: 主要利用532nm激光对30-70km的大气温度和密度探测，589nm激光对中层顶附近的钠的数密度的测量。

（2） 车载多普勒测风激光雷达系统：用于探测10－40km大气风场垂直廓线。首次在国内实现了多普勒测风激光雷达对40km高度平流层大气风场的探测，且具有可重复部署性。该雷达所达到的技术指标与国际上此前唯一报道的一台车载平流层多普勒测风雷达技术指标。

2.3 空间有效载荷研制平台

简介：航天器有效载荷能否在轨正常工作，获取有效的科学数据，取决于有效载荷的可靠性。而检验有效载荷可靠性的最有效途径之一，就是在对空间环境充分研究的基础上，建立数个空间环境模拟器，对有效载荷的研制全过程，进行充分的环境模拟试验，通过环境模拟试验发现隐患，改进设计，完成有效载荷的研制，并尽可能提高有效载荷的可靠性。本单元主要配合天基探测技术与研究单元，完成空间等离子体探测仪器的设计加工、组装、改进和地面测试、标定等。

仪器设备及功能：

（1） 组装工作室：拥有千级洁净室一间，用于有效载荷的组装、测试等。

（2） 电子学实验室：对有效载荷的电子学系统进行测试和改进。

（3） 离子束标定系统：包括一个真空室（直径1.5米，极限真空10-7Pa），内含转动平台一个，可放置分离的传感器或者整个探测仪器；一套能量范围为0.3 - 5 keV的离子源系统，能够提供特定能量和质量或者变化强度的平行束流；一套计算机数据采集系统。

（4） 测试和存储真空箱：10Pa左右的仪器尖端放电测试，真空老化实验等。

2.4空间环境的实验室模拟平台

简介：利用卫星进行空间现象观测具有成本高、周期长的特点。通过适当的实验装置可以部分再现空间物理的某些重要的过程。在地面的开展此类研究，一方面可以对空间观测研究形成有效补充，另外可以对某些重要物理线性进行定量的、规律性的实验研究，还可以缩短研究的周期和成本。空间环境的实验室模拟平台的建设目的就是建造或改造实验装置，研究空间物理的某些重要物理过程。

该模拟平台的主要设施有：(1)线性磁化等离子体装置。该装置的最大工作磁场强度为1000高斯，均匀磁场的空间尺度为100cm；根据实验设计，可采用灯丝放电、helicon放电、热阴极放电等，能够产生电子密度为109-1012/cm3的等离子体，可用于磁重联、磁化等离子体中的波等过程的研究；(2) 飞秒激光等离子体装置。该装置的激光脉冲为50mJ/50fs，可产生100keV以上的电子脉冲或10keV左右的质子脉冲，可用于研究空间的单电荷效应； (3) 光学诊断系统，包括：高分辨光学光谱仪(0.02nm波长分辨)，可用于等离子体的光谱测量，超高速摄影机(200K帧/秒)，可用于等离子体的运动测量，二维可移动探针，可用于等离子体参数的二维测量。

线性磁化等离子体装置 飞秒激光装置

2.5数据、模式与计算平台

简介：本实验室对近地空间环境的研究将在发展各种观测仪器的基础上，主要以观测资料分析和数值研究两种方法进行，故平台将为实验室提供数据存储、模式运行和计算模拟的支撑。随着本实验室各种观测平台的逐步发展和运行，将获取大量的对近地空间环境的观测数据。而近地空间环境的相关研究，需要对大量观测数据（包括实验室自有仪器数据以及国内外其他相关设备观测数据）进行分析。一个大型的、稳定的数据存储系统为这些观测资料的收集、整理和存储提供支撑。而大型、快速的计算平台为各种近地空间环境模式（包括各种大气研究模式、粒子模拟模式和磁流体力学模拟模型等）的准确、快速运行提供支撑。

仪器设备及功能：

（1） 大容量数据存储系统：总数据容量为32T的大容量数据存储系统，主要用于本实验室自有仪器的观测数据、模拟计算结果以及研究过程中需要用到的其他数据的存储。该数据库已实现对本实验室的激光雷达观测数据、以及国外的STEREO、SOHO等卫星数据的自动收集和整理。

（2） 计算集群：每个计算节点为2颗4核的Intel Xeon E5430 CPU (2.66GHz), 8GB内存、16个计算节点128核的大型计算集群，浮点运算能力为1.36Tflops。主要用于各种近地空间环境模式的运行。

三、人员信息

1、学术委员会

序号

姓名

性别

国别

学委会职务

职称

是否院士

工作单位

1.

魏奉思

男

中国

主任

研究员

是

中科院空间科学与应用研究中心

2.

俞昌旋

男

中国

副主任

教授

是

中国科学技术大学

3.

涂传诒

男

中国

委员

教授

是

北京大学

4.

吕达仁

男

中国

委员

研究员

是

中科院大气所

5.

陈 颙

男

中国

委员

研究员

是

国家地震局

6.

王 水

男

中国

委员

教授

是

中国科学技术大学

7.

万卫星

男

中国

委员

研究员

是

中科院地质与地球物理研究所

8.

王 赤

男

中国

委员

研究员

否

中科院空间科学与应用研究中心

9.

李 定

男

中国

委员

教授

否

中国科学技术大学

10.

易 帆

男

中国

委员

教授

否

武汉大学

11.

曹晋滨

男

中国

委员

教授

否

北京航空航天大学

12.

林 郁

女

美国

委员

教授

否

美国奥本大学

13.

窦贤康

男

中国

委员

教授

否

中国科学技术大学

2、队伍建设

2.1 研究单元

序号

研究单元

学术带头人

其它固定人员名单

1.

近地空间环境中的基本物理过程

陆全明、王水、李陶

陈出新、李毅、王传兵、陶鑫

2.

近地空间环境对太阳活动的响应

汪毓明、刘睿

郑惠南、申成龙、缪彬、祝宝友、马明、苏振鹏、李会民

3.

空间等离子体环境的实验室研究

郑坚、李定、秦宏、刘万东、孙玄、王少杰、俞昌旋

马锦秀、曹金祥、李弘、谢锦林、蔡辉山

4.

地基观测技术与研究

窦贤康、陈旸、孙东松、雷九侯、傅云飞

薛向辉、周任君、栾晓莉、陈廷娣

5.

天基探测技术与研究

张铁龙、陈向军

单旭、汪海、李毅人、郝新军

2.2 固定人员名单

序号

姓名

性别

出生日期

职务

职称

所学专业

工作性质

近地空间环境中的基本物理过程

1.

王 水

男

1942.04

教授、中科院院士

空间物理

研究

2.

陆全明

男

1969.02

副主任

教授、杰青

空间物理

研究

3.

李 陶

男

1974.10

教授、杰青

空间物理

技术

4.

陶 鑫

男

1984.10

教授、青年千人

空间物理

研究

5.

陈出新

男

1961.12

教授

空间物理

研究

6.

李 毅

男

1963.12

教授

空间物理

研究

7.

王传兵

男

1970.02

教授

空间物理

研究

近地空间环境对太阳活动的响应

8.

汪毓明

男

1976.09

副主任

教授、杰青

空间物理

研究

9.

刘睿

男

1977.08

教授、青年千人

空间物理

研究

10.

郑惠南

男

1966.03

教授

空间物理

研究

11.

申成龙

男

1981.12

副教授

空间物理

研究

12.

缪 彬

男

1976.02

副教授

空间物理

研究

13.

苏振鹏

男

1986.01

副教授

空间物理

研究

14.

祝宝友

男

1972.07

副教授

大气科学

技术

15.

马 明

男

1976.09

副教授

大气科学

研究

16.

李会民

男

1977.02

高 工

天体物理

技术

空间等离子体环境的实验室研究

17.

俞昌旋

男

1941.07

教授、中科院院士

等离子体物理

研究

18.

秦 宏

男

1968.10

教授、千人A类

等离子体物理

研究

19.

李 定

男

1957.02

教授、杰青

等离子体物理

研究

20.

郑 坚

男

1970.06

副主任

教授、杰青

等离子体物理

技术

21.

王少杰

男

1967.10

教授、杰青

等离子体物理

研究

22.

孙 玄

男

1975.06

教授、青年千人

等离子体物理

研究

23.

朱 平

男

1970.10

教授、中科院百人

等离子体物理

研究

24.

刘万东

男

1960.09

教授

等离子体物理

研究

25.

曹金祥

男

1952.07

教授

等离子体物理

研究

26.

马锦秀

男

1964.04

教授

等离子体物理

研究

27.

李 弘

男

1972.04

副教授

等离子体物理

研究

28.

蔡辉山

男

1980.01

副教授

等离子体物理

研究

29.

谢锦林

男

1977.09

讲 师

等离子体物理

技术

地基观测技术与研究

30.

窦贤康

男

1966.01

主任

教授、杰青

空间物理

研究

31.

孙东松

男

1962.11

教授、中科院百人

光学

技术

32.

陈 旸

男

1964.05

教授、中科院百人

物理化学

技术

33.

雷久侯

男

1977.10

教授、青年千人

空间物理

研究

34.

傅云飞

男

1961.11

教授

大气科学

研究

35.

薛向辉

男

1979.12

教授

空间物理

研究

36.

栾晓莉

女

1978.10

教授

空间物理

研究

37.

周任君

男

1976.12

副教授

大气科学

研究

38.

陈廷娣

女

1980.12

工程师

空间物理

技术

天基探测技术与研究

39.

张铁龙

男

1962.09

教授、千人A类

空间物理

研究

40.

陈向军

男

1966.05

教授

原子分子物理

技术

41.

单 旭

男

1976.06

副教授

原子分子物理

技术

42.

李毅人

男

1984.01

工程师

等离子体物理

技术

43.

汪 海

男

1966.05

实验师

电器工程

技术

44.

郝新军

男

1982.02

工程师

物理电子学

技术

行政管理

45.

李勤秀

女

1970.07

管理

46.

孙婵娟

女

1983.07

管理

注：工作性质：研究、技术、管理、其他，从事科研工作的兼职管理注：工作性质：研究、技术、管理、其他，从事科研工作的兼职管理人员其工作性质为研究。

2.3 重要人才情况

序号

人员姓名

荣誉称号

获得年份

1.

秦 宏

千人计划

2009

2.

张铁龙

千人计划

2010

3.

李 定

杰 青

1995

4.

王少杰

杰 青

2004

5.

汪毓明

杰 青

2005

6.

郑 坚

杰 青

2006

7.

陆全明

杰 青

2007

8.

窦贤康

杰 青

2010

9.

李 陶

杰 青

2012

10.

雷久侯

杰 青

2013

11.

孙 玄

青年千人

2011

12.

刘 睿

青年千人

2012

13.

陶 鑫

青年千人

2013

14.

陈 旸

百人计划

2000

15.

孙东松

百人计划

2003

注：杰青、“千人计划”、“百人计划”等。

2.4 国内外学术组织任职情况

序号

姓名

学术组织名称

职务

1.

俞昌旋

国家磁约束核聚变专家委员会

委员

2.

俞昌旋

中国科学院等离子体物理研究所学术委员会

主任

3.

俞昌旋

国家大科学工程EAST装置科枝委员会

副主任

4.

俞昌旋

ITER国际组织科技咨询委员会（STAC）

专家

5.

窦贤康

中国空间科学学会

理事

6.

窦贤康

中国地球物理学会空间天气专业委员会

副主任

7.

窦贤康

国家大科学工程“子午工程”

副总工程师

8.

陆全明

中国地球物理学会空间天气专业委员会

委员

9.

陆全明

空间科学学会空间物理专业委员会

理事

10.

汪毓明

中国地球物理学会空间天气专业委员会

委员

11.

汪毓明

SCOSTEP下属ISEST国际合作计划科学委员会

委员

12.

汪毓明

中国空间科学学会空间物理专业委员会

委员

13.

孙东松

中国光学学会环境光学专业委员会

委员

14.

孙东松

安徽省大气与环境光学监测标准化技术委员会

委员

15.

薛向辉

863主题专家组

成员

16.

傅云飞

中国气象学会理事会

理事

17.

傅云飞

中国气象学会卫星气象学委员会

副主任

18.

陈向军

全国原子分子物理学会专业委员会

委员

19.

李 定

中国物理学会等离子体物理分会

主任

20.

李 定

中国核学会理事暨学术工作委员

副主任

21.

李 定

国际纯粹与应用物理联盟（IUPAP）等离子体物理专业委员会

委员

22.

李 定

国家磁约束核聚变专家委员会

委员

23.

李 定

ITER国际组织管理咨询委员会（MAC）

专家

2.5 国内外学术期刊任职情况

序号

姓名

学术期刊名称

职务

1.

汪毓明

地球物理学报

副主编

2.

汪毓明

JGR - Space Physics

副主编

3.

李 定

Nuclear Science and Technology

编委

4.

傅云飞

《气象学报》编委会

常务编委

5.

陆全明

科学通报，空间科学学报

编委

6.

窦贤康

空间科学学报

编委

7.

陈向军

Journal of Atomic and Molecular Sciences

Associate Editor

8.

俞昌旋

Plasma Science and Technology

顾问

9.

俞昌旋

中国科学 G刊

编委

10.

俞昌旋

Chinese Physics Letters

编委

11.

俞昌旋

物理

编委

12.

刘万东

物理进展

编委

13.

刘万东

Plasma Science and Technology

编委

14.

王少杰

Plasma Science and Technology

编委

15.

孙东松

红外与激光工程

编委

16.

曹金祥

宇航学报

编委

3、 人才培养

3.1 在读研究生及博士后一览表

序号

导师姓名

硕士生

博士生

博士后

1.

王 水

卢三、高新亮

2.

俞昌旋

胡健强、周楚、杨尚川、张小辉、张乔峰

3.

窦贤康

于超、贾铭蛟

邱世灿

唐怡环、杨成昀、

4.

秦 宏

兰婷、武文韬、王雨雷

肖建元

刘健、谢涛

5.

张铁龙

刘建坤

肖苏东

6.

李 定

陈洋、时浩、葛喆

董超、林竞波、冯虹瑛、成俊义

7.

刘万东

赵朕领、许航奇、吴捷、黄方成、王明远、仝丽、周军、付宸硕、杨华斌、邓体健

周楚、涂翠、尤伟、罗兵、白伟、金晓丽、李晨光、沈华刚、杨尚川、李子超、Azam、谭名晟

8.

郑 坚

王雨林、陶弢、郑伟真、罗迪、龙城德、于明海、刘雨飞

龚韬、梁亦寒、杨涛、张琛、涂绍勇、袁鹏

9.

汪毓明

迟雨田 张全浩

刘佳佳 周振军

潘宗浩 刘凯

10.

马锦秀

孙彦、江正琦、吴菲

卫子安、王婷婷、

11.

陆全明

张伟娜 何鹏 王晓 周福顺 王焕宇

孙继承 单立灿

王沛然 郝宇飞

吴明雨

12.

陈出新

王宁宁

卢斌

13.

王少杰

祝四强、谌敦强

左阳、王时佳、戴宗良、张德兵

徐颖峰

14.

傅云飞

陶玮、林锦冰、丁卫东、洪星园、高越、潘晓、陈凤娇、张颖、谢磊

刘显通、衡志炜、蔡宏珂、刘鹏、冯沙、冼桃

易明建、朱素行

15.

郑惠南

朱辉

16.

李 陶

葛冰洁、李静、王宁宁、吴兆朋

班超、

方欣

17.

孙玄

刘明、林木楠、张情

18.

雷久侯

阮海炳

19.

孙东松

上官明佳、高园园、张飞飞、李建阅、周颖捷、王冲

赵若灿、韩於利、胡冬冬

舒志峰

20.

曹金祥

王丕、张逍

徐亮、郑哲、杜寅昌，汪建，刘宇

21.

王传兵

韦京东

王斌、潘宗浩

22.

李 毅

柴立辉

23.

刘睿

苟延玉

24.

申成龙

史良文

25.

周任军

郭静超

26.

马 明

卞真稳、张闯创

27.

薛向辉

吴建飞

28.

祝宝友

李再光、许维维、秦子龙

吕凡超、马东

3.2 毕业研究生一览表

序号

姓 名

学 位

导师姓名

毕业时间

1.

马冠兵

硕士

马锦秀

2013.03

2.

刘丽娟

硕士

汪毓明

2013.06

3.

夏之阳

硕士

陆全明

2013.06

4.

韦京东

硕士

王传兵

2013.06

5.

汤惟玮

硕士

窦贤康

2013.06

6.

罗 辰

博士

刘万东、李弘

2014.01

7.

张小丁

博士

郑坚

2013.03

8.

唐怡环

博士

窦贤康

2013.06

9.

刘 凯

博士

汪毓明

2013.06

10.

吴明雨

博士

陆全明

2013.06

11.

孔德峰

博士

俞昌旋

2013.06

12.

耿 松

博士

刘万东、李弘

2013.06

13.

高炳西

博士

刘万东、谢锦林

2013.06

14.

明章健

博士

刘万东、李弘

2013.06

15.

李经菊

博士

马锦秀

2013.07

16.

赵海林

博士

刘万东、兰涛

2013.12

17.

3.3 2012年研究生获奖一览表

序号

获奖名称

获奖人员

指导教师

1.

2.

四、科研工作与成果

1、 实验室科研项目情况概述

2013年度本实验室共承担各类科研项目103项，共涉及科研经费20984.13万元，当年到位科研经费4986万元。其中包括科技部ITER计划专项8项，国家重大专项3项、863计划项目5项、国家自然科学基金委重大项目1项、创新研究群体1项、重点项目2 项、杰出青年基金3项、科学院创新项目1项，等。

2、各研究方向工作进展和代表性研究成果

2013年度实验室人员在各类国内外学术刊物上共计发表论文80篇，SCI论文78篇。其中Phys. Rev. Lett.4篇；Astrophys. J. 5篇；J. Geophys. Res. 20篇；Geophys. Res. Lett. 2篇； Phys. Plasmas 26篇。代表性成果如下：

2.1 无碰撞磁重联中电场结构和电子动力学研究

(1) 利用数值模拟研究了重联主磁岛与次级磁岛中的电流体系以及磁场结构，发现在引导场重联中，主磁岛内主要由电子的动力学行为主导，形成了环形的磁场增强区，这一结论可以用来解释观测中发现的磁通量绳中的双峰结构或者火山锥型的通量传输事件；另外在主、次磁岛内发现的极性相反的面外电子电流也为观测上鉴别这两种磁岛结构给出了一种合适的依据。研究了无碰撞磁场重联中磁岛内的磁场结构和Weibel不稳定性的产生机制。另外，我们发现了无碰撞磁场重联的磁岛中垂直于重联面方向正负交替的磁场结构。我们提出产生这种磁场结构的原因是因为Weibel不稳定性。这种Weibel不稳定性是由磁岛内的电子温度各向异性所激发的。

(2) 研究了无碰撞磁场重联中触发和增长机制，并给出了理论和模拟解释。磁场重联的重联电场主要由两部分提供，电子压力梯度项和电子运动项。我们通过研究发现，重联电场的初始值或重联的触发是由撕裂模不稳定性提供的。并且提出一种自增长理论机制解释了电子压力梯度项和电子运动项的快速增长机制。另外，我们用粒子模拟研究激光产生等离子体的磁场重联。在“神光”激光等离子实验中发现了磁场重联，并伴随有高速流动和等离子体团的产生。我们用粒子模拟在理论上重现实验室的结果，并进一步研究上述现象产生的过程和物理机制。

(3) 利用THEMIS卫星对磁尾BBFs事件进行多点观测，发现随着BBFs向地球传播，质子的温度各向异性会减弱。此外，我们发现BBFs温度各向异性可以在等离子体片中激发不稳定性；次外，对THEMIS卫星观测到的DFs事例进行统计分析，结果表面DFs锋面后的电子在DFs的传播过程中可以得到持续的加速。在DFs从中磁尾传播到近地区域的这段过程中，DFs锋面后的超热电子能通量可以增加2~4个量级。在中磁尾，DFs锋面后电子主要通过betatron加速机制加速；而在近地区域，有些DFs锋面后电子的主要加速机制是betatron加速，有些是费米加速。

(4) Helios，Ulysses等多颗卫星都发现，快速太阳风中普遍存在质子速度空间的双峰结构，并且发现其在行星际的演化并非绝热膨胀，温度降低比较缓慢，所以一定存在某种机制不断的对太阳风加热。通过对快速太阳风中质子速度空间双峰分布的二维混合模拟，发现质子/质子束流不稳定性能很快激发出具有准线极化的斜传播的阿尔文波，这种波动不仅能共振加热束流质子，而且能共振加热背景太阳风和重离子成分。不稳定性演化到后期，束流质子和背景质子的相对速度重新维持在一个局地阿尔文速度附近，这与太阳风观测特征是吻合的。此外，非线性理论发现阿尔文波能够发生参数不稳定性，能够与压缩模发生波模转化。这种非线性过程可以很好的解释观测到的太阳风中湍动的交叉螺度下降的现象。然而之前的研究都是在一维空间上，我们利用二维的混合模拟程序去研究低温等离子体下的阿尔文波的参数不稳定性，发现参数衰变并非只是波传播方向上的演化，其在垂直磁场上同样存在能量传输。阿尔文波的参数衰变是一个二维甚至三维的过程，这对日地空间中湍动的演化具有重要意义。

(5) 利用金星快车（Venus Express）的磁场数据，我们分析比较了磁场共面法和最小方差法在判断金星激波法向上的有效性。我们发现最小方差法比磁场共面法更好，大约95%的金星激波法向可以通过最小方差法准确地确定。并且，磁场共面法不能准确确定激波法向的事例随着太阳天顶角的减小而增多。另外，相对于准平行激波，有更多的准垂直激波事例不能用磁场共面法确定法向。同时，我们还分析金星激波附近的磁场数据，发现在一个太阳活动周期里，不同的太阳活动强度，金星激波压缩比也不同。根据以往的观测，不同太阳活动年，新生离子密度不同，我们得出新生离子越多金星激波压缩比越小，新生离子越少金星激波压缩比越大，我们从观测上第一次发现了这个规律，这一物理规律对日球层终端激波特征有着一定的启示作用。

2.2 日冕物质抛射（CME）的动力学和传播特性研究

超级活动区的日冕物质抛射特性。研究了1996年至2006年间的27个产生了多次CME事件的超级活动区，对由同一活动区引起的多次CME事件间的时间间隔进行了统计分析。研究发现，CME事件之间的时间间隔以18小时为分割点存在两部分独立的分布。对于时间间隔小于18小时的部分，其分布服从高斯分布，峰值出现在7小时，这表明这部分事件中的两次CME事件可能存在紧密的物理联系。分析表明，在18小时内产生2个以上1200 km s-1的快速CME事件的概率为20%。进一步分析发现，两次CME事件之间的时间间隔与CME的速度和CME的发生率无关，这可能表明前一个CME的扰动是引起下次CME爆发的主要因素。该部分工作发表于APJ L(Wang et al., APJL, 763, L43, 2013)。

图1：CME事件间的时间间隔统计

（2）日冕物质抛射的动力学特性。清晰再现了Twin CMEs事件的爆发过程：利用SDO卫星的高时间、空间分辨率观测结合STEREO、SOHO卫星而形成的多视角观测，研究了2012年5月17日的一次爆发。发现在该次爆发过程中，同一活动区在很短的时间间隔（约2分钟）内，先后爆发了两次速度分别为1258 km s-1和1539 km s-1的快速CME事件，这两次快速CME事件的相互作用被认为是引起24太阳周第一次GLE事件的最主要可能原因。在此基础上，利用SDO/HMI磁场观测和非线性无力场外推并结合SDO/AIA的观测数据，讨论了这两次CME事件爆发过程的可能物理图像。该部分工作发表于APJ (Shen et al., APJ, 763，114，2013)。深入讨论了全晕状日冕物质抛射的投影效应：利用已有的GCS模型，获取了2007年3月至2012年5月间CDAW日冕物质抛射列表中所有的88个全晕状日冕物质抛射在三维空间中几何和动力学参数，在此基础上对这些全晕状日冕物质抛射的投影效应进行了深入的讨论，发现沿着日面中心传播（传播方向角ε < 45°）且速度较慢（投影传播速度 < 900 km s-1）的日冕物质抛射具有明显的投影效应。该部分工作发表于JGR （Shen et al., JGR, 118，1-8，2013）。模拟验证了日冕物质抛射超弹性碰撞。研究结果表明，在相互作用过程中，日冕物质抛射中的磁能、内能可能进一步释放为动能，使得整个系统的动能获得增加，该工作以封面文章的形式发表于Geophysics Research Letter，并被选为美国地球物理学会的亮点论文。

图2： STEREO和SOHO同时观测到的两次CME事件，第二行图给出了GCS模型对这两次CME事件的拟合结果。

2.3空间等离子体环境的实验室研究

等离子体物理中先进几何算法研究获得突破。对适用于等离子体物理的几何算法进行了开创性的系统研究，并取得突破，为采用大规模数值模拟手段进行磁约束聚变能和空间物理等方向研究提供了坚实基础。算法作为数值模拟的基石和灵魂直接决定了数值结果的精确性与可靠性。通过在构造算法时保持原物理系统的某些性质可以保证算法的优秀性质。我们的研究揭示了在等离子体模拟中被广泛应用的算法——Boris算法的长期守恒性质来源于其保持相空间体积的性质（PoP 2013），并继而采用分裂方法构造出与Boris算法类似、具有不同阶数和计算复杂度的一系列算法（JCP, submitted），大大推动了保体积算法在等离子体模拟领域的发展。

图 不同形状因子下的数值噪音演化

在辛几何算法方面，成功发展了一种可用于进行第一性原理模拟的多辛PIC算法（PoP 2013）。该算法适用于由带电粒子和电磁场所组成的自洽系统，既保留PIC的优点、适用于大规模高效模拟，又具有长期数值准确性和有效性。为了克服PIC方法固有的数值噪声问题，并提出如何在多辛PIC算法中应用不同形状因子的方案，使得该算法更具实际应用价值。

针对多时空尺度物理问题，发展了基于回旋规范动理学理论、适用于高频物理的非线性GyroGauge算法（CiCP, accepted）。该方法利用回旋对称性将不同时空尺度运动进行解耦，并利用拉回变换结合多次局域坐标变换快速处理多尺度、非线性物理问题。

基于几何算法的并行模拟程序已经通过等离子体波色散关系、朗道阻尼衰减率等问题的标准测试，模拟结果表现出优秀的长期守恒性、数值准确性与稳定性。随着磁约束聚变实验研究的发展，长脉冲实验已成功实现，几何算法提供的精确长期模拟方案使得利用数值手段研究长脉冲聚变能物理成为可能。相关论文：① Why is Boris Algorithm so good? H. Qin, S. Zhang, J. Xiao, J. Liu, Y. Sun, and W. M. Tang, Phys. Plasmas 20, 084503 (2013)；②A Variational Multi-Symplectic PIC Algorithm with Smoothing Functions for the Vlasov-Maxwell System，J. Xiao, J. Liu, H. Qin and Z. Yu, Phys. Plasmas 20, (2013)。

2.4地基观测技术与研究

· 中高层大气的研究进展

（1）低热层和中间层突发钠层及与Es关联的研究

利用高时空分辨率的钠激光雷达在丽江发现了两次热层突发钠层事件。配合无线电探测手段以及卫星的同步观测， 定量分析了热层钠层的成因，证认了“突发E层 – 热层钠层（突发钠层）”因果链。进一步，利用子午工程的4部钠激光雷达统计分析了2011年至2012年北京、合肥、武汉和海口中间层和热层突发钠层出现率，及其与突发E层相关性，分析结果暗示了北京地区的中高层大气在动力学/光化学特性上与其他站点存在明显差异。此方面形成两篇国际SCI论文发表于J. Geophys. Res.。① Dou, X. K., S. C. Qiu, X. H. Xue, T. D. Chen, and B. Q. Ning (2013), Sporadic and thermospheric enhanced sodium layers observed by a lidar chain over China, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 6627–6643, doi:10.1002/jgra.50579.;② Xue, X. H., X. K. Dou, J. Lei, J. S. Chen, Z. H. Ding, T. Li, Q. Gao, W. W. Tang, X. W. Cheng, and K. Wei (2013), Lower thermospheric enhanced sodium layers observed at low latitude and possible formation: Case studies, J. Geophys. Res., 118, 2409–2418, doi:10.1002/jgra.50200.

图 激光雷达观测的中间层突发钠层和低热层突发钠层

(2) 卫星观测重力波波谱。通过与于利希研究中心Lars Hoffmann博士合作，我们利用一套新的方法分析AIRS卫星大气4微米波段辐射强度，从中提取全球重力波信息。我们获得了全球的AIRS重力波分布，分别对应这对流或者地形的源区，我们定义为重力波活动“热点”地区，例如，亚洲南部印度洋季风区，北美雷暴活动区，安第斯山区等 。由于AIRS卫星高水平的分辨率特征，我们还观测到非常丰富的中小尺度的重力波热点区域，这在此前是不为人们所关注的或者了解很少的区域。这些区域中大部分都和地形相关，如山脉的边缘、海岸、沙漠、或者海岛等，如附件图2所示。此研究对于理解重力波全球分布具有重要的意义。 此项工作发表于J. Geophys. Res.。(L. Hoffmann, X. Xue and M. J. Alexande (2013), A global view of stratospheric gravity wave hotspots located with Atmospheric Infrared Sounder observations, J. Geophys. Res.,118, doi:10.1029/2012JD018658.)

(3) 研究了中高层大气对厄尔尼洛南方涛动（ENSO）的响应，并揭示了中高层大气和低层大气的耦合机理。

图1.WACCM（a）和SABER（b）冬季中高层大气温度对ENSO的响应

利用美国TIMED/SABER卫星观测的2002－2012年（11年）全球中高层大气温度数据和美国WACCM大气环流模式模拟的1953-2006（53年）结果，我们研究了全球中高层大气温度和大气环流对ENSO的响应，首次利用实际观测数据验证了大气模式模拟的中高层大气对ENSO的全球响应，并发现观测的结果明显比模式模拟的结果要强1-2倍（图1）。相关成果已经发表于美国地质物理协会权威SCI杂志Geophysical Research Letters（Li et al., 2013）。另外，我们对ENSO期间南北半球MLT区域的耦合机理进行了深入的研究，发现早期2D模式模拟的耦合机制存在明显的缺陷；我们也首次研究了MLT区域大气臭氧对ENSO的响应。相关成果已经在美国地质物理协会2013年秋季年会上与国际同行进行了广泛的交流，相关文章初稿也在积极的准备中，即将投稿于Geophysical Research Letters。

（4）中高层大气准两天波（QTDW）的长期变化趋势

我们利用美国TIMED/SABER和TIDI卫星观测的2002－2012年（11年）全球中高层大气温度和风场数据，研究了中间层顶准两天波（QTDW）的季节和年际变化特征。发现QTDW的振幅在2006年1月份比其他年1月份要强的多，这与这一年的冬季平流层突然增温有着密切的关系；在2008和2009年1月份（太阳辐射低年），s=3的QTDW比s=4的QTDW要弱的多，这对应于相对较弱的南半球夏季中间层激流（图3）。相关已经发表于美国地质物理协会权威SCI杂志Journal of Geophysical Research（Gu et al., 2013a）。另外，我们利用夏威夷地区中频（MF）雷达观测的16年风场数据，也研究了QTDW的振幅，周期和相位与太阳11年周期之间的关系。相关成果也已经发表于Journal of Geophysical Research（Gu et al., 2013b）。

图2.SABER温度（a）和TIDI经向（b）和纬向风（c）的频谱分析结果

（5） 利用OH全天空气辉成像仪和MF雷达在美国Colorado北部地区2003-2008年（5年）观测的中间层顶重力波数据。我们研究了大气重力波动量通量的季节和年际变化特征，以及与大气背景风场之间的关系。同时也利用美国Cassini观测的土星卫星Titan高层大气成分密度数据，研究了Titan高层大气重力波的特征。相关成果都已经被美国地质物理协会权威SCI杂志Journal of Geophysical Research接收，目前正在出版中（Tang et al., 2013; Cui et al., 2013）。

· 电离层的研究进展

(1) 热层大气年际异常研究：利用CHAMP和GRACE卫星的大气密度观测并结合数值模拟，甄别了日地距离、地球磁场位形以及低层大气潮汐对产生6月与12月期间热层大气差异性的贡献，该工作对认识与预报高层大气变化有重要意义。该系列研究成果表明利用从太阳到地球的理论耦合模式预报电离层热层是可行的途径。Lei, J., X. Dou, A. Burns, W. Wang, X. Luan, Z. Zeng, and J. Xu (2013), Annual asymmetry in thermospheric density: Observations and simulations, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, doi:10.1002/jgra.50253.

(2) 极光与地磁活动对CIR的响应研究

运用2002-2007年期间TIMED/GUVI粒子沉降成像观测及每小时太阳风、行星际磁场观测，统计分析极光与地磁活动对不同太阳共转作用区(CIR)事件的响应。从而分析在CIR期间高太阳风速度、太阳风粒子密度以及太阳风动压等各种特殊条件下，极光粒子沉降能量在全球的分布特征以及地磁活动的变化特征，并进一步探讨其物理机制。该研究的一个重要发现是，北向IMF Bz 条件下，粒子沉降能量受太阳风速度的调制作用大于南向IMF Bz 条件下的调制作用， 纠正了以往仅对局部极光椭圆区域进行分析而获得的片面结论，受到审稿人的重视。极区粒子沉降及其相伴随的焦耳加热过程，是全球电离层热层的一个重要能量来源之一。因此研究粒子沉降能量所受控的物理机制与过程，对全球电离层/热层循环具有重要意义。(Luan, X., W. Wang, J. Lei, A. Burns, X. Dou, and J. Xu (2013), Geomagnetic and auroral activity driven by corotating interaction regions during the declining phase of Solar Cycle 23, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 1255–1269, doi:10.1002/jgra.50195.)

60

70

80

18

0

6

12

t=-23h

(a)

60

70

80

18

0

6

12

t=-5h

60

70

80

18

0

6

12

t=-3h

60

70

80

18

0

6

12

t=-1h

60

70

80

18

0

6

12

t=1h

60

70

80

18

0

6

12

t=3h

60

70

80

18

0

6

12

t=5h

60

70

80

18

0

6

12

t=7h

E flux

(mW/m

2

)

0

1

2

3

4

5

6

图2. 2002-2007年期间TIMED GUVI粒子沉降对CIR响应的时序叠加结果。

(3) 南半球中纬度地区夜间电离层电子密度与等效中性风的季节与经度变化：运用2006-2008年期间COSMIC 掩星群观测电离层最大电子密度和峰值高度数据，分别分析和反演电离层最大电子密度和F2 层中性风的经度与季节变化；分析风力漂移对该区域夜间电离层形态和变化的影响，以及地磁场形态对经向和纬向风力漂移的调制作用。其结果表明：① 南半球中纬电子密度最显著的经度变化出现在午夜时段,而非最大峰值电子浓度出现的黄昏时段。② 夏季风力漂移对电子密度的经度变化有重要但非决定性的影响。③ 除人们熟知的的磁偏角的影响外，在南半球中纬度地区磁倾角也对中性风场及电子密度的经度分布有重要影响。(Luan, X. and Dou, X.: Seasonal dependence of the longitudinal variations of nighttime ionospheric electron density and equivalent winds at southern midlatitudes, Ann. Geophys., 31, 1699-1708, doi:10.5194/angeo-31-1699-2013, 2013.)

(4) Millstone Hill站F高度区域上的中性气体和离子的夜间增温现象研究：为了同时分析F层高度区域上的中性气体和离子成分夜间温度变化，我们研究了Millstone Hill观测站（42°N）的非相干散射雷达（ISR）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）关于离子和中性气体的数据。利用ISR分别在2011年8月和2012年1月持续了12天和11天的关于离子参量的连续观测，对比同时期的FPI夜间观测数据进行分析，我们发现：在夏季，中性气体夜间存在增温现象，而同时期的离子温度没有明显的类似变化；在冬季，F层高度区域上的中性气体和离子出现前半夜及后半夜的增温现象，增温的时间及幅度有较好的一致性。初步分析认为，发生在Millstone Hill站F层高度区域上的后半夜增温属于夜间增温从低纬向高纬地区传播的现象。Ruan, H., J. Lei, X. Dou, S.-R. Zhang, J. Noto and S. Kapali (2013), Enhancements of nighttime neutral andion temperatures in the F region over Millstone Hill, J. Geophys. Res., 118, doi:10.1002/jgra.50202.

(5) 超级磁暴期间电离层响应研究：综合利用CHAMP, GRACE和 SAC-C卫星反演的TEC及CHAMP和GRACE卫星轨道处电子浓度，全面分析电离层对2003年10月份万圣节两个超级磁暴的响应。我们侧重研究电离层在磁暴主相期间白天电离层对磁暴响应的经度依赖。发现不同磁暴期间电离层响应存在明显经度变化，而引起该变化的主要原因是穿透电场的变化。(Lei et al. (2014). New aspects of the ionospheric response to the 29-30 October 2003 storms from multiple satellite observations, J. Geophys. Res., in-press.)

(6) 夜间热层密度变化研究：利用CHAMP卫星收集的十年热层密度数据，我们研究了在不同太阳活动条件下，热层夜间密度的季节及纬度变化。我们发现：1、赤道地区的午夜密度增强现象发生在所有季节；2、太阳活动对午夜密度增强现象影响明显，太阳活动高年的夜间增强峰值发生比太阳活动低年期间早1至2个小时；3、午夜增强现象从赤道地区向南半球传播现象十分显著，尤其在低太阳活动期间。北向传播现象仅发生在冬季，且在太阳活动高年表现明显。(Ruan H. J. Lei, X. Dou, W. Wan, Y. C.-M. Liu, Midnight density maximum in the thermosphere from the CHAMP observations, submitted to JGR.)

2.5 地基仪器建设

(1) 光学系统建设

在瑞利-钠荧光共振激光雷达、窄带钠测温测风激光雷达、大口径钠激光雷达（丽江）正常工作的基础上， 本年度完成了60km测风激光雷达的样机研制工作，并开展了初步的外场实验。该激光雷达通过测量窄带激光在大气风场产生的多普勒频移来测量大气风场，探测高度为10-60km，样机于2013年上半年完成整体调试，并于下半年赴兰州、青海等地开展了为期3个月的观测实验，通过与探空气球的同步对比，验证了探测能力。

图1.中国科学技术大学60km测风激光雷达（a）及其在2013年在青海外场观测期间获得的风速（b）和风向（c），以及与探空气球（蓝色）的比对。

此外，本年度还完成了蒙城野外观测台站全天空气辉成像仪的安装和调试工作，该设备可以测量中间层顶和热层区域OH和O原（分）子的气辉辐射，进而获得全天空大气重力波活动的信息。

图2.蒙城全天空气辉成像仪器和初步观测结果 。

(2) 无线电系统建设

完成了全天空流星雷达的场地勘测和安装前期准备，该系统将于2014年初进行安装调试。全天空流星雷达通过它通过多普勒测量和空间干涉分析,可获得全天空流星注入数量，以及80-110公里高度上全天候全天时大气水平风场，非常适合大气动力学研究。

完成了太阳射电望远镜的安装和调试。该射电望远镜是一部工作频率在10—90MHz的低频太阳射电望远镜，填补我国在低频射电观测上的空白，并配合全国现有的射电频谱仪（厘米—分米波段），使我国的太阳射电观测在频率覆盖、时间分辨率和频率分辨率等重要综合指标上处于国际领先地位。

图3.蒙城射电望远镜

2.6 空间有效载荷建设

空间载荷研制平台实验用房300 多平米，已初步建有了空间低能粒子探测器的研制平台，包括用于组装仪器的千级洁净室（图4）、低能离子探测器地面标定系统（图5）、电子学地面检测系统（图6）、用于装配和测试的电子学实验室（图4）和用于温度试验的高低温湿热交变试验箱等。

图4 电子学实验室与千级洁净室

图5 低能离子探测器地面标定系统

图6 电子学地检机箱

目前，在深空太阳天文台（DSO）低能离子能谱仪和火星离子与中性粒子分析仪等设计与研制的驱动下，载荷研制平台已经初步完成了单通道半球型静电分析器一台和火星离子与中性粒子分析仪结构件一套（图7）以及相关的电子学系统（图8）。

图7 单通道半球形静电分析器（左）和火星离子与中性粒子分析仪结构件（右）

图8 低能离子能谱仪前端电子学板

3、科研项目及成果统计表

3.1 国家科研项目一览表（经费单位：万元）

序号

项目类别

项目名称

开始时间

结束时间

总经费（万元）

本年实到经费

负责人

1.

科技部ITER专项

反场箍缩装置KTX主机研制

2011.09

2014.08

901

0

郑 坚

2.

ITER计划子课题

反场箍缩磁约束聚变位形研究

2011.09

2014.09

1163

0

兰 涛

3.

科技部

日冕行星际大尺度结构扰动及其预报模式

2011.01

2015.08

384

44

汪毓明

4.

科技部

太阳风-磁层耦合物理过程与建模研究

2012.01

2016.12

60

18

陆全明

5.

科技部

太阳风-磁层耦合物理过程与建模研究

2012.01

2016.12

82

11.3

陆全明

6.

科技部

快粒子物理

2013.04

2015.03

96.13

96.13

蔡辉山

7.

科技部

磁约束聚变物理前沿问题研究

2013.03

2018.03

400

218

孙 玄

8.

科技部

120度E子午链上空临近空间响应和应用模式

2012.01

2013.12

87

11

窦贤康

9.

863

XXXX激光多普勒大气风场探测试验系统

2011.07

2015.06

2800

780

窦贤康

10.

863

平流层强扰动及其对XXX影响的仿真研究

2011.07

2015.06

170

35

夏海云

11.

863

中国科学技术大学中高层大气检测设备业务化运行改造

2011.07

2012.12

120

0

夏海云

12.

863

XXX

2017.07

2014.06

780

540

窦贤康

13.

863

xxx

2013.06

2014.06

30

25

雷久侯

14.

非公开

重大专项

2012.07

2013.06

50

20

郑 坚

15.

非公开

重大专项

2012.07

2013.06

30

12

郑 坚

16.

国家自然科学基金委--重大项目

高约束模触发机制实验研究

2010.1

2013.12

250

35.2

俞昌旋

17.

国家自然科学基金—重点项目

低频波加热和加速带电粒子的理论研究

2010.01

2013.12

180

0

王 水

18.

国家自然科学基金委--重点项目

日冕物质抛射的早期动力学行为

2012.01

2016.12

100

87

汪毓明

19.

国家自然科学基金--重大科研仪器设备研制专项

臭氧DIAL激光雷达的研制

2012.01

2016.12

988

300

李 陶

20.

国家自然科学基金--重大科研仪器设备研制专项

低平流层风场探测激光雷达系统研制和应用

2013.01

2017.12

800

0

孙东松

21.

国家自然科学基金--重大科研仪器设备研制专项

半空间宽能谱太阳风离子探测分析器的研制

2014.01

2018.12

800

85

汪毓明

22.

国家自然科学基金委—创新群体

地球空间环境及其对太阳活动的响应

2011.01

2014.12

600

180

窦贤康

23.

国家自然科学基金

Z箍缩等离子体内部磁场分布瞬态测量方法研究

2010.01

2015.12

60

0

谢锦林

24.

国家自然科学基金委-杰出青年基金

利用测风激光雷达资料进行重力波向上传播过程中的耗散和破碎特性的研究

2010.01

2013.12

200

0

窦贤康

25.

国家自然科学基金

基于微波光子学信号处理的超快飞秒测距激光雷达

2011.01

2015.12

70

0

夏海云

26.

国家自然科学基金

中高层大气环流的季节和年际变化特征

2011.01

2013.12

55

0

李 陶

27.

国家自然科学基金

特殊电磁场结构在磁场重联中对带电粒子的能化作用

2011.01

2013.12

45

0

李 毅

28.

国家自然科学基金

地球等离子体片中高速流的跨尾尺度

2011.01

2013.12

45

0

陈出新

29.

国家自然科学基金

射频波与等离子体相互作用的回旋动理学理论和几何算法

2011.01

2013.12

35

0

秦 宏

30.

国家自然科学基金

快粒子对撕裂膜不稳定性的影响的研究

2011.01

2013.12

35

0

蔡辉山

31.

国家自然科学基金

在EAST装置上利用双极化频率调制反射计研究中性粒子穿透对高约束模下的台基区密度分布的影响

2011.08

2014.12

32

22

刘阿娣

32.

国家自然科学基金

太阳风流管状结构机器和太阳表面米粒状结构的相关性研究

2011.01

2013.12

20

0

缪 彬

33.

国家自然科学基金委-杰出青年基金

杰青

2013.01

2016.12

200

120

李 陶

34.

国家自然科学基金

瑞利测风激光雷达的高时空分辨率外场试验技术研究

2012.01

2016.12

120

12

夏海云

35.

国家自然科学基金

磁场重联中波粒相互作用的理论研究

2012.01

2015.12

98

0

王 水

36.

国家自然科学基金

基于金星快车磁场探测数据的金星磁尾研究

2012.01

2015.12

92

0

张铁龙

37.

国家自然科学基金

热层大气密度的变化特性研究

2012.01

2015.12

85

0

雷久侯

38.

国家自然科学基金

阿尔文波和离子非共振相互作用的研究

2012.01

2015.12

80

0

王传兵

39.

国家自然科学基金

平流层-中间层准两年振荡（QBO）的观测与模拟研究

2012.01

2015.12

80

0

薛向辉

40.

国家自然科学基金

基于多普勒激光雷达的中高层大气风场观测

2012.01

2015.12

80

0

孙东松

41.

国家自然科学基金

稠密等离子体中的动力学形状因子

2012.01

2015.12

72

28.8

郑 坚

42.

国家自然科学基金

托卡马克等离子体旋转和径向电场的物理机制研究

2012.1

2015.12

70

0

王少杰

43.

国家自然科学基金

外辐射带高能电子加速和扩散机理的数值研究

2012.01

2015.12

65

0

郑惠南

44.

国家自然科学基金

夏季电离层夜间异常的动力学过程研究

2012.01

2014.12

26

7.8

栾晓莉

45.

国家自然科学基金面上项目

突发钠层的地区特性及其机理的研究

2013.01

2016.12

118

11.8

窦贤康

46.

国家自然科学基金

优秀青年科学基金

2013.01

2015.12

100

160

刘 睿

47.

国家自然科学基金

测地声模带状流的径向传播特性及其在约束改善中关键作用的实验研究

2013.12

2017.12

96

40

兰 涛

48.

国家自然科学基金

电离层热层对太阳辐射变化响应的特征时间

2013.01

2016.12

90

72

雷久侯

49.

国家自然科学基金

激光烧蚀过程中电子热输运的Fokker-Planck与流体模拟研究

2013.01

2016.12

90

54

赵 斌

50.

国家自然科学基金

日冕物质抛射在日冕和行星际中的偏转

2013.01

2016.12

80

8

申成龙

51.

国家自然科学基金

极光活动的季节与经度变化及其电离层热层效应研究

2013.01

2016.12

80

8

栾晓莉

52.

国家自然科学基金

太阳分层大气多成份磁流体的波动研究

2013.01

2016.12

80

80

郑惠南

53.

国家自然科学基金

亚暴注入对电子辐射带动态演化作用的模拟研究

2013.01

2016.12

70

7

苏振鹏

54.

国家自然科学基金

无碰撞磁重联中的电场结构和静电波动

2013.01

2016.12

80

8

陆全明

55.

国家自然科学基金

高性能等离子体稳态维持中的关键物理问题研究

2013.07

2018.06

50

30

秦 宏

56.

国家自然科学基金

线性磁化等离子体装置中平均流、带状流与湍流的相互作用

2013.01

2016.12

40

4

谢锦林

57.

国家自然科学基金

无碰撞磁场重联中磁岛结构及其电子动力学

2013.01

2015.12

25

8

黄 灿

58.

国家自然科学基金

电子束产生开放空间等离子体物理过程研究

2014.01

2017.12

102

60

刘万东

59.

国家自然科学基金

半空间宽能谱太阳风低能离子探测器的研制

2014.01

2018.12

100

60

汪毓明

60.

国家自然科学基金

优秀青年基金

2014.01

2015.12

100

60

薛向辉

61.

国家自然科学基金

微波探针在磁化等离子体中参数诊断的实验研究

2014.01

2017.12

96

48

李 弘

62.

国家自然科学基金

杰青

2014.01

2017.12

200

120

雷久侯

63.

国家自然科学基金

日冕物质抛射的冰激凌-锥模型在空间天气预报中的应用

2014.01

2016.12

25

15

潘宗浩

64.

教育部

青年千人计划

2011.11

2014.11

100

30

孙 玄

65.

985工程二期

引进人才启动经费

2012.06

2015.06

100

60

孙 玄

66.

教育部

太阳风中的间断随日球层纬度和距离变化关系以及其产生机制的分析

2011.01

2013.12

20

0

缪 彬

67.

教育部

聚变等离子体若干基本过程

2012.01

2014.12

300

0

郑 坚

68.

教育部

研究中性粒子在EAST托卡马克台基区输运模型

2012.01

2014.12

4

3

刘阿娣

69.

部委项目

千人计划青年项目

2013.01

2015.12

300

100

刘 睿

70.

教育部

无碰撞磁重联中的电场结构

2013.01

2015.12

12

10

陆全明

71.

教育部

无碰撞磁场重联中磁岛结构及其电子动力学

2013.1

2015.6

4

3.3

黄 灿

72.

中国科学院

临近空间中重力波传播与耦合的观测研究与模式应用

2011.01

2015.12

240

80

薛向辉

73.

中国科学院

地球等离子体片中快速流的动力学形态及演化

2011.01

2013.12

40

12

陈出新

74.

中国科学院

青年创新促进会

2011.01

2014.12

40

10

申成龙

75.

中国科学院院重点部署项目

近地空间天气中的耦合过程研究-中高层大气波动过程研究

2012.01

2015.12

1500

100.5

窦贤康

76.

中国科学院野外观测研究台站网络“十二五”能力建设

中高层大气主被动光学探测能力升级及无线电探测拓展

2012.01

2014.12

1160

0

窦贤康

77.

中国科学院—知识创新

太阳风扰动及其近地空间效应

2012.01

2015.12

100

44

汪毓明

78.

中国科学院空间科学与应用研究中心

背景太阳风预报模式研究

2012.06

2013.07

20

27.43

王传兵

79.

中国科学院

中高层大气主被动光学探测能力升级及无线电探测拓展

2012.01

2014.12

460

150

薛向辉

80.

中国科学院

等离子体物理先进算法和理论(协同创新)

2012.07

2014.06

100

30

秦 宏

81.

中国科学院

星载磁传感器研制

2013.01

2016.12

1482

391

张铁龙

82.

中国科学院

空间等离子体无碰撞磁重联中电子动力学的观测和理论研究

2013.01

2015.12

100

20

陆全明

83.

中国科学院

数值模拟预研环电流MIT卫星轨道处的动态观测特征

2013.5

2015.5

11

9.8

苏振鹏

84.

空间天气学国家重点实验室

电子空洞的自耗散和电子加热

2013.02

2014.02

10

10

陆全明

85.

校创新团队

空间射电物理现象的综合研究

2011.01

100

20

汪毓明

86.

海洋局

极光对磁尾重联磁岛的响应

2012.12

2014.12

3

3

黄 灿

87.

优博启动经费

中高层大气长周期振荡的综合分析

2010.01

2014.12

38

6

薛向辉

88.

航天科技集团十所

高技术项目

2013.01

2014.06

30

30

曹金祥

89.

航天科技集团十所

高技术项目

2013.01

2014.06

58

18

曹金祥

90.

航天科技集团一院

高技术项目

2012.11

2014.06

45

45

曹金祥

91.

航天科工集团三院

高技术项目

2012.10

2014.10

44

40

曹金祥

合计

20579.13

4795.06

注：项目注：项目类别请填国家重大专项，“973”计划，“863”计划，国家科技支撑计划项目，国家自然科学基金，行业性重大专项，院先导性专项、部委项目等。

3.2 横向合作及其他项目一览表

序号

项目类别

项目名称

开始时间

结束时间

总经费（万元）

本年实到经费

负责人

1.

部队横向

激光束发射与光学成像分系统

2012.08

2013.10

201

80

孙东松

2.

部队横向

气溶胶激光雷达

2012.05

2013.05

24.5

24.5

孙东松

3.

国家项目

航天科工集团

2012.12

2013.12

44

5

曹金祥

4.

空间中心

低轨道大气密度扰动预报模式

2012.06

2013.06

20

20

雷久侯

5.

中科院

磁尾电流片动力学分析

2013.06

2015.05

15

李 毅

6.

中科院

SPORT配置载荷方案设计及关键技术攻关/太阳射电暴探测器

2012.10

2015.09

10

王传兵

7.

中科院

磁尾电流片动力学分析

2013.06

2015.05

15

李 毅

8.

中科院空间中心

CIR期间的极光活动对太阳风参量的响应研究

2012.01

2013.12

10

10

栾晓莉

9.

中科院光电所

外站钠层测试试验

2012.01

2013.06

12

10

薛向辉

10.

中科院光电技术研究所

高美古钠层观测数据分析

2013.01

2013.12

15

12

薛向辉

11.

中科院国家空间天气实验室

极光粒子沉降能量经度变化对电离层热层的影响

2013.01

2014.12

18

18

栾晓莉

12.

横向

瑞利-钠荧光激光雷达软件升级及数据的初步应用

2011.07

2013.07

20

12

陈廷娣

合计

404

191

注：横向协作项目指有正式合同书的项目

3.3 获奖等重要成果

序号

成果名称

获奖类别

等级

完成人及排序

1.

Sporadic and thermospheric enhanced sodium layers observed by a lidar chain over China

子午工程2013年度十大科学与应用成果

窦贤康、邱世灿、薛向辉、陈廷娣等

2.

首届大学生科技资源共享与服务创新实践竞赛

国家科技基础条件平台中心

特等奖

贾铭蛟、于超(学生)、薛向辉(指导教师)

3.4 发表论文列表

序号

作者

论文题目

刊物名称

卷号

页码

是否sci

是否与国内同行合作

是否与国际同行合作

1.

J. W. Burby, A. I. Zhmoginov, and H. Qin

Hamiltonian Mechanics of Stochastic Acceleration

Phys. Rev. Lett.

111

195001

是

否

是

2.

Hong Qin; Wandong Liu; Hong Li;

Comment on "Woltjer-Taylor State without Taylor's Conjecture: Plasma Relaxation at All Wavelengths" Reply

Phys. Rev. Lett.

110

269502

是

否

是

3.

H. Qin and R. C. Davidson

Class of Generalized Kapchinskij-Vladimirskij Solutions and Associated Envelope Equations for High-Intensity Charged-Particle Beams

Phys. Rev. Lett.

110

064803

是

否

是

4.

Hong Qin, Ronald C. Davidson, Moses Chung, and Joshua W. Burby

Generalized Courant-Snyder Theory for Charged-Particle Dynamics in General Focusing Lattices

Phys. Rev. Lett.

111

104801

是

否

是

5.

Liu Rui, Liu Chang, Xu Yan, Liu Wei, Kliem,Bernhard,Wang Haimin

Observation of a Moreton Wave and Wave-Filament Interactions Associated with the Renowned X9 Flare on 1990 May 24

Astrophys. J.

773

166

是

否

否

6.

C. Shen, G. Li, X. Kong, J. Hu, X. D. Sun, L. Ding, Y. Chen, and Yuming Wang

Compound twin coronal mass ejections in the 17 May 2012 GLE event

Astrophys. J.

763

114

是

否

否

7.

Gao, X. L., Quanming Lu, X. Li, L. C. Shan, and S. Wang

Electromagnetic proton/proton instability and its implications for ion heating in the extended fast solar wind

Astrophys. J.

764:71

764:71

是

否

否

8.

Wang Y M, Liu L J, She