磁暴是一种剧烈的全球性地磁扰动现象，可以持续十几小时至几十小时，其特征是地球大部分地区的磁场水平分量显著减小(刘振兴, 2005; 徐文耀, 2009).磁暴往往在行星际磁场转为南向并保持相当一段时间的情况下发生，此时行星际磁场与地球磁场可以产生重联现象(徐文耀, 2014).重联是能够快速将磁能转化为等离子体能量的物理机制，在此过程中磁场的位型发生变化、离子和电子的热能与速度得到迅速增加(Vasyliunas, 1975; Biskamp, 2000; Priest and Forbes, 2000).Fu等(2006)和Huang等(2010)通过数值模拟对重联过程中不同区域以及不同重联条件下能量电子的加速过程进行了阐述.由磁重联产生的偶极化锋面(DFs)也可以在传输过程中通过电子感应加速和费米加速机制对能量电子进行加速(Wu et al., 2013; Lu et al., 2015).Wang等(2010a, 2010b)利用Cluster卫星的观测数据分析了重联过程中能量电子的加速机制，并证实了数值模拟的结果.通过重联，近地等离子体片中的带电粒子获得加能并注入内磁层，形成环电流；当行星际磁场再次转北后，等离子体加能和注入的速率减慢，环电流带电粒子由于与地冕粒子的电荷交换等过程而逐渐散失，磁暴逐渐减弱(Fok, 1991; Daglis, 2001).

磁暴强度与环电流粒子的总能量成正比，在磁暴期间磁层中可以观察到大量的高于几十keV的能量粒子(Williams, 1980, 1981).Chapman和Ferraro(1931, 1941)通过建立磁暴模型对磁暴主相期间环电流的形成进行了详细描述.应用中低纬地区的地磁台站可以有效地对磁暴的发生进行监测.Dst指数就是利用中低纬度地区四个台站(Hermanus、Kakioka、Honolulu和San Juan)每小时地磁场水平强度变化的平均值随世界时的变化，描述磁暴的发生及其强度(Rangarajan, 1989).而Dst指数是在环电流以偶极轴对称并不依赖于地方时分布的前提假设下计算的，反映了对称环电流的地磁效应(Liemohn et al., 2001).但环电流不总是对称的，在磁暴主相期间环电流表现了明显的地方时分布差异(Chapman and Bartels, 1940; 陈鸿飞和徐文耀, 2001; Du et al., 2005, 2008, 2011; Zhao et al., 2013).即使在平静时期，对称环电流和部分环电流在强度上也近似相等，约为~0.5 MA(Le et al., 2004).部分环电流对磁暴的发展过程也起了非常大的作用，大量的数值模拟工作表明环电流中的一些能量粒子可以沿着开放的漂移路径到达日侧的磁层顶形成部分环电流(Takahashi et al., 1990; Fok et al., 1991; Wolf and Spiro, 1997; Liemohn et al., 2001; Daglis, 2001).Liemohn等(2001)指出，磁暴主相的能量主要来自于沿开放路径漂移的粒子，即部分环电流的贡献.Le等(2004)通过对环电流的空间分布位形进行分析，表明随着磁暴强度的增强，部分环电流的作用逐渐增大.同时部分环电流需要通过场向电流与极区电离层电流形成闭合回路(Feldstein et al., 2006).并且磁暴期间场向电流随着部分环电流的增强而增强(Xie et al., 2002).磁暴发生时高纬地区必然有亚暴的发生，因此场向电流除了在高纬地区夜侧附近与西向电集流构成回路形成亚暴电流楔外，还与赤道地区的部分环电流进行连接，使磁层-电离层通过场向电流将高纬地区与低纬地区进行能量耦合(Kamide and Kokubun, 1996; 徐文耀, 2009; 刘晓灿等, 2012).

在地磁观测中，虽然越来越多的卫星磁测、航空磁测以及海洋磁测极大地丰富了地磁场观测资料，但地面地磁台站的观测仍然是研究磁暴发展过程一个有利且不可替代的手段.地磁台站凭借其分布的广泛性及观测的同步性能够在不同区域提供连续可靠的地磁场数据.特别是位于中低纬度地区的地磁台站，通过分析不同方向的地磁场分量可以对磁暴期间环电流和场向电流分布情况进行研究.针对磁暴期间中低纬地区电流体系的分布特征问题，本文选取4个不同级别相对孤立的磁暴事件，应用INTERMAGNET地磁台网中低纬区域在地磁经度上分布大致均匀的台站数据，探讨磁暴发生过程中中低纬地区环电流和场向电流的分布及变化情况.

磁暴环电流主要位于地球赤道附近向西流动，可以引起全球地磁场水平分量大幅度下降(徐文耀, 2014).场向电流是沿着磁力线流动的电流，其在中低纬地区引起的地磁效应表现在地磁场东西向分量上：流出电离层的场向电流产生东向磁扰(+Y变化)，流入电离层的场向电流产生西向磁扰(-Y变化)(Clauer and McPherron, 1974; 王源等, 2010; 徐文耀, 2014).根据环电流和场向电流引起的不同地磁场分量变化，本文应用INTERMAGNET地磁台网北半球中低纬度区域的地磁台站数据对磁暴事件进行分析.在低纬地区(地磁纬度约0°—40°N)，选用在地磁经度上分布大致均匀的8个地磁台站，应用平行于磁偶极轴地磁场水平分量H来分析磁暴期间环电流所引起的磁场扰动，并应用地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析低纬地区磁暴期间场向电流所引起的磁场扰动.在中纬地区(地磁纬度约40°N—60°N)，选用在地磁经度上分布大致均匀的6个台站，应用地磁坐标系下地磁场东西分量Y来分析中纬地区磁暴期间场向电流所引起的磁场扰动.图 1为本文4个磁暴事件中所涉及地磁台站的分布图，图中黑点表示台站所处位置.表 1为台站的具体位置信息.

图 1

Fig. 1

图 1 地磁台站分布图 Fig. 1 The distribution of the geomagnetic observatories

表 1 (Table 1)

表 1 地磁台站位置信息 Table 1 The locations of the observatories 台站名 地理纬度(°) 地理经度(°) 地磁纬度(°) 地磁经度(°) MBO 14.4 343.0 2.2 57.7 GUA 13.6 144.9 6.2 215.9 KOU 5.2 307.3 7.6 23.6 ABG 18.6 72.9 12.0 145.3 HON 21.3 202.0 21.2 270.0 SJG 18.1 293.8 27.5 10.6 QSB 33.9 35.6 27.9 107.3 SPT 39.5 355.6 32.0 71.6 BMT 40.3 116.2 34.7 188.9 DLR 29.3 259.2 38.6 326.7 SUA 44.7 26.3 39.6 99.3 MMB 43.9 144.2 40.2 215.7 BEL 51.8 20.8 47.5 95.8 IRT 52.3 104.5 47.6 177.4 FRD 38.2 282.6 48.8 358.2 NVS 54.9 83.3 50.7 156.0 STJ 47.6 307.3 53.1 31.2 VIC 48.5 236.6 53.6 296.5 NEW 48.3 242.9 54.8 303.7 LOV 59.3 17.2 55.9 95.1

表 1 地磁台站位置信息 Table 1 The locations of the observatories

在对各磁暴事件磁场分量进行计算时，首先将地磁台站的观测数据扣除太阳静日变化Sq、主磁场及地壳磁场的影响.平均的Sq变化场、主磁场及地壳磁场由国际地磁静日列表公布的每月5天静日的地磁数据来确定.应用快速傅里叶变化(FFT)，5天静日的平均数据可以被分解成不同阶的谐波.我们用前6阶谐波的叠加来表达Sq变化场、主磁场及地壳磁场.

在消去Sq变化场、主磁场及地壳磁场后，可以得到由观测点直角坐标系(NEC)转换至地磁偶极坐标系下的扰动场分量X，Y和Z.

(1)

(1) 式中，α为台站所处位置的地磁子午线与地理子午线之间的夹角；x，y和z分别为NEC坐标系下地磁场三分量的变化，分别指向地理北向、地理东向和垂直向下；X，Y和Z分别指向地磁北向、地磁东向和垂直向下.由于场向电流主要引起地磁场东西方向的磁场扰动，因此本文应用地磁坐标系下东西方向扰动分量Y来分析场向电流的变化情况，并规定Y分量为正值表示在中低纬地区从北向南流动的场向电流(向下的场向电流)；Y分量为负值表示在中低纬地区从南向北流动的场向电流(向上的场向电流).磁层环电流引起的磁场扰动变化主要表现在平行于偶极磁轴方向，因此本文通过计算平行于偶极磁轴方向的磁场H分量来分析环电流的变化情况.

(2)

(2) 式中X和Z分别为地磁偶极坐标系下的磁北和垂直向下分量，φ为地磁纬度.

为了分析环电流和场向电流在不同级别磁暴事件所引起的地磁效应，我们挑选了4个相对孤立的磁暴事件做事例分析，各事件的SYMH指数最小值从-47 nT变化到-211 nT.根据磁暴的分级，4个磁暴事件分别对应于弱磁暴、中等磁暴、强磁暴和大磁暴(刘振兴, 2005; 徐文耀, 2009).对于每一个磁暴事件，应用低纬地区在地磁经度上分布大致均匀的8个台站和中纬地区在地磁经度上分布大致均匀的6个台站，对低纬地区的环电流和中低纬地区的场向电流分布情况进行分析.

2004年4月16日期间，地磁场发生了一个弱磁暴，SYMH指数在大约0736UT下降到最小值-47 nT.针对这一弱磁暴事件，本文利用地磁台站数据进行了分析.低纬地区的8个台站分别为SJG、MBO、SUA、ABG、BMT、GUA、HON和DLR，中纬地区的6个台站分别为FRD、VIC、MMB、NVS、LOV和STJ.图 2a、2b、2c三图展示的分别是AE指数、SYMH指数以及低纬地区8个地磁台站H分量随世界时(UT)的变化.在这三行图中不同颜色和线形的竖线表示对应于磁暴事件中的不同UT时刻.其中，4条不同颜色的实线(m₁、m₂、m₃和m₄)为磁暴主相期间大体间隔均匀的不同UT时刻；另外4条不同颜色的虚线(r₁、r₂、r₃和r₄)为位于磁暴恢复相期间大体间隔均匀的不同UT时刻.蓝色的实线(m₄)表示对应于SYMH指数最小值的UT时刻.图 2c中每一条蓝色曲线表示一个台站的H分量变化情况.图 2d和2e两图展示的是8个台站的H分量随磁地方时(MLT)的变化情况，不同颜色和线形的曲线是对台站观测点(图中圆点)的拟合曲线，分别对应于图 2a、2b和2c三图中竖线标注的主相和恢复相期间不同UT时刻，并在图的上部标注该UT时刻所对应的SYMH指数大小.

图 2

Fig. 2

图 2 弱磁暴事件低纬地区H分量变化图 (a) AE指数随世界时变化图; (b) SYMH指数随世界时变化图; (c) 8个地磁台站H分量随世界时变化图; (d)主相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图; (e)恢复相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图. Fig. 2 The variation of H component for the weak storm event in low latitude (a) AE index variation with UT; (b) SYMH index variation with UT; (c) H component of eight stations variation with UT; (d) H component of eight stations variation with MLT during main phase; (e) H component of eight stations variation with MLT during recovery phase.

在图 2a和2b中，由SYMH指数可以看出磁暴事件的发生，AE指数则表明磁暴期间高纬地区伴随有亚暴事件的发生.在磁暴主相期间通常会产生一系列快速的亚暴事件(Fok et al., 1999).低纬地区地磁台站的观测表明，磁暴主相期间H分量在不同的MLT区域明显不同.如图 2d所示，对应于磁暴主相刚开始时刻m₁(0335UT)，红色曲线在不同磁地方时(MLT)的差异不是很明显.但随着磁暴的发展，地磁场H分量的扰动在不同磁地方时的差异逐渐增大(如m₂、m₃和m₄时刻对应的变化曲线)，并且曲线的最小值显著的向昏侧和夜侧扇区移动.特别是在m₄时刻(0736UT)，即磁暴主相的最大时刻，位于不同MLT台站记录到的地磁场H分量扰动情况显著不同，最大值与最小值相差33 nT.然而在磁暴的恢复相期间，如图 2e中不同颜色点线所对应的恢复相不同时刻(r₁、r₂、r₃和r₄)所示，H分量在不同MLT区域分布的差异随着恢复相的发展逐渐减小.以上分析表明，在磁暴事件的主相期间由于部分环电流的作用，H分量在MLT的分布上表现出较为明显的差异；而在磁暴的恢复相期间，由于部分环电流作用减弱，H分量在MLT的分布差异减小.

利用中低纬地区台站地磁坐标Y分量可以对场向电流引起的磁场扰动进行分析.图 3为磁暴的主相和恢复相期间在地磁经度上分布大致均匀的中低纬台站地磁Y分量的变化情况.其中，图 3a为低纬地区8个地磁台站Y分量随世界时(UT)的变化.图中所选时刻m₁、m₂、m₃、m₄、r₁、r₂、r₃和r₄与图 2中一致.从图 3a中可以看出，在磁暴发展过程中的不同UT时刻，低纬地区台站的Y分量变化存在显著差异.在磁暴主相m₄时刻及其附近(m₃和r₁)，Y分量的变化幅度较大，表明对应同一UT时刻不同磁地方时分布台站观测到的磁场扰动差异明显.同时结合AE指数的变化，可以看出在磁暴主相m₄时刻及其附近(m₃和r1)，高纬地区也正是亚暴发生较为强烈的阶段.图 3b和3c对应于主相和恢复相不同UT时刻，8个低纬地区地磁台站Y分量随磁地方时的变化情况.在主相刚刚开始的m₁时刻(0335UT)，地磁Y分量在不同的MLT表现出的差异不太明显，而随着时间的发展，在m₃时刻(0618UT)和m₄时刻(0736UT)Y分量的磁地方时差异比较明显，主要表现为在午后至昏侧扇区地磁Y分量为负值，而在子夜至晨侧扇区地磁Y分量为正值，表明在子夜及晨侧扇区存在向下的场向电流，而在午后及昏侧存在向上的场向电流.在恢复相阶段的r₁时刻(0848UT)，地磁Y分量仍然表现为与m₄时刻相似的变化情况，且其变化幅度大于m₄时刻.而随着恢复相的发展，在r₂、r₃和r₄时刻，Y分量的幅度逐渐减小，表明场向电流的强度在变小.图 3d为中纬地区6个地磁台站Y分量随世界时(UT)的变化情况.图的表述与图 3a相似，中纬地区地磁Y分量整体强度高于低纬地区.从图 3e中可以看出，随着磁暴主相的发展，除了m₁时刻Y分量在磁地方时的差异不明显外，其他UT时刻，Y分量在不同地方时区域显著不同.而且在m₃和m₄时刻，Y分量基本也呈现出午后至昏侧扇区为负值、子夜及晨侧扇区为正值的分布情况.图 3f中，在恢复相开始的r₁和r₂时刻Y分量的分布特征与主相最大时刻相似，随着恢复相的发展，Y分量的地方时差异逐渐减弱.

图 3

Fig. 3

图 3 弱磁暴事件中低纬地区Y分量变化图 (a)低纬地区8个地磁台站Y分量随世界时变化图；(b)主相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(c)恢复相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(d)中纬地区6个地磁台站Y分量随世界时变化图；(e)主相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(f)恢复相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图. Fig. 3 The variation of Y component for the weak storm event in middle and low latitudes (a) Y component of eight stations in low latitude variation with UT; (b) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during main phase; (c) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during recovery phase; (d) Y component of six stations in middle latitude variation with UT; (e) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during main phase; (f) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during recovery phase.

综合图 2和图 3的分析结果，表明在磁暴主相最大时刻附近，从中纬至低纬地区子夜至晨侧扇区存在着向下的场向电流，在午后至昏侧扇区存在着向上的场向电流，并且场向电流与低纬地区的西向部分环电流相连接形成回路.

2002年10月13日至2002年10月15日期间，地磁场发生了一个中等磁暴，SYMH指数在2002年10月14日1350UT附近下降到最小值-88 nT.此次磁暴事件分析中应用的低纬地区8个台站分别为KOU、SPT、QSB、ABG、BMT、GUA、HON和DLR，中纬地区的6个台站分别为FRD、VIC、MMB、IRT、BEL和STJ.图 4和图 5分别为低纬地区地磁台站的H分量和中低纬地区地磁台站Y分量在此次磁暴事件中的扰动情况，图的表述方法与图 2和图 3一致.

图 4

Fig. 4

图 4 中等磁暴事件低纬地区H分量变化图 (a) AE指数随世界时变化图; (b) SYMH指数随世界时变化图; (c) 8个地磁台站H分量随世界时变化图; (d)主相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图; (e)恢复相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图. Fig. 4 The variation of H component for the middle storm event in low latitude (a) AE index variation with UT; (b) SYMH index variation with UT; (c) H component of eight stations variation with UT; (d) H component of eight stations variation with MLT during main phase; (e) H component of eight stations variation with MLT during recovery phase.

图 5

Fig. 5

图 5 中等磁暴事件中低纬地区Y分量变化图 (a)低纬地区8个地磁台站Y分量随世界时变化图；(b)主相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(c)恢复相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(d)中纬地区6个地磁台站Y分量随世界时变化图；(e)主相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(f)恢复相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图. Fig. 5 The variation of Y component for the middle storm event in middle and low latitudes (a) Y component of eight stations in low latitude variation with UT; (b) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during main phase; (c) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during recovery phase; (d) Y component of six stations in middle latitude variation with UT; (e) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during main phase; (f) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during recovery phase.

在此次中等磁暴事件中，AE指数的变化表明磁暴期间伴随有连续的亚暴事件的发生.图 4c中，位于低纬地区8个地磁台站的H分量随UT变化的幅度明显不同.根据SYMH指数的变化情况，以SYMH最小值时刻(m₄)为中心，分别在主相和恢复相期间挑选了几个大致均匀的UT时刻.如图 4d所示，与弱磁暴的情况相似，在磁暴主相刚开始时刻m₁(2002年10月14日0333UT)，红色曲线在不同磁地方时(MLT)的差异不是很明显.随着磁暴的发展，地磁场H分量的扰动在不同地方时的差异逐渐增大(如m₂、m₃和m₄时刻对应的变化曲线)，并且曲线的最小值也显著地向昏侧和夜侧扇区移动.特别是在m₄时刻(2002年10月14日1350UT)，SYMH为-88 nT，位于不同MLT的台站记录到的地磁场扰动情况显著不同，最大值与最小值相差112 nT.在磁暴的恢复相期间(图 4e所示)，不同时刻(r₁、r₂、r₃和r₄)H分量在不同MLT区域分布的差异逐渐减小.再次表明主相期间部分环电流发挥了重要作用.

图 5a、5b和5c为此次中等磁暴事件主相和恢复相期间中低纬地区8个台站地磁Y分量的变化情况.图 5d、5e和5f为中纬地区6个台站地磁Y分量的变化情况.图 5的表述方法与图 3一致.从图 5a和5b中可以看出，在磁暴主相刚刚开始的m₁时刻(2002年10月14日0333UT)和m₂时刻(2002年10月14日0639UT)，位于低纬地区台站的地磁Y分量在不同磁地方时的差异较小，随着磁暴主相的发展，在m₃时刻(2002年10月14日1013UT)和m₄时刻(2002年10月14日1350UT)地磁Y分量在不同地方时的差异显著增大.m₃时刻表现出明显的在磁地方时子夜及晨侧扇区Y分量为正值，昏侧至夜侧扇区Y分量为负值.在m₄时刻，Y分量的正值主要集中在晨侧扇区，负值主要集中在夜侧扇区.表明在磁暴主相最大时刻附近，低纬地区向下的场向电流主要位于子夜及晨侧扇区，向上的场向电流主要位于夜侧和昏侧扇区.图 5c中恢复相的各个阶段，Y分量在不同地方时扇区的差异明显减小.在磁暴主相期间，中纬地区各个台站Y分量的变化幅度明显大于低纬地区.如图 5d和5e所示，除了m₁时刻地磁Y分量在各地方时扇区差异较小外，m₂、m₃和m₄时刻地磁Y分量在各地方时扇区表现出明显不同.特别是磁暴主相m₄时刻，中纬地区地磁Y分量正值集中在夜侧和晨侧扇区，负值集中在午侧和昏侧扇区，表明向下的场向电流与向上的场向电流都有较宽的展布区域，且范围明显宽于低纬地区.结合图 4a中AE指数的变化，m₂、m₃和m₄时刻正处于高纬地区剧烈的亚暴活动期间，而中纬地区地磁Y分量的分布情况表明，亚暴电流体系中的场向电流能够引起中纬地区地磁Y分量的地方时分布差异，而其中的一部分场向电流与低纬地区的部分场向电流相连接形成回路.图 5f中磁暴恢复相期间中纬地区地磁Y分量的磁地方时分布差异明显减小，AE指数表明此期间高纬地区地磁亚暴的活动也相对较弱.

2004年7月22日至2004年7月24日期间，地磁场发生了一个强磁暴，SYMH指数在2004年7月23日0237UT附近下降到最小值-123 nT.此次磁暴事件分析中应用的低纬地区8个台站分别为SJG、MBO、SUA、ABG、BMT、GUA、HON和DLR，中纬地区的6个台站分别为FRD、VIC、MMB、NVS、BEL和STJ.图 6和图 7分别为低纬地区地磁台站的H分量和中低纬地区地磁台站Y分量在此次磁暴事件中的扰动情况，图的表述方法与图 2和图 3一致.

图 6

Fig. 6

图 6 强磁暴事件低纬地区H分量变化图 (a) AE指数随世界时变化图; (b) SYMH指数随世界时变化图; (c) 8个地磁台站H分量随世界时变化图; (d)主相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图; (e)恢复相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图. Fig. 6 The variation of H component for the strong storm event in low latitude (a) AE index variation with UT; (b) SYMH index variation with UT; (c) H component of eight stations variation with UT; (d) H component of eight stations variation with MLT during main phase; (e) H component of eight stations variation with MLT during recovery phase.

图 7

Fig. 7

图 7 强磁暴事件中低纬地区Y分量变化图 (a)低纬地区8个地磁台站Y分量随世界时变化图；(b)主相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(c)恢复相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(d)中纬地区6个地磁台站Y分量随世界时变化图；(e)主相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(f)恢复相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图. Fig. 7 The variation of Y component for the strong storm event in middle and low latitudes (a) Y component of eight stations in low latitude variation with UT; (b) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during main phase; (c) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during recovery phase; (d) Y component of six stations in middle latitude variation with UT; (e) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during main phase; (f) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during recovery phase.

从图 6a中AE指数的变化情况可以看出，此次磁暴期间高纬地区表现出比2002年10月13日至2002年10月15日中等磁暴期间更为强烈的亚暴活动.在磁暴主相和恢复相的不同UT时刻，位于不同磁地方时扇区的地磁台站H分量具有较为明显的差异(如图 6b和6c所示).图 6d和6e为环电流引起的磁场H分量变化在不同磁地方时扇区的表现.与弱磁暴和中等磁暴情况不同的是，在磁暴主相刚开始时刻m₁(2004年7月22日2142UT)，红色曲线在不同磁地方时(MLT)的差异就较为明显.随着磁暴的发展，在m₃时刻(2004年7月23日0112UT)和m₄时刻(2004年7月23日0237UT)变化曲线呈现晨侧出现最大值昏侧出现最小值的形态.在磁暴的恢复相期间(图 6e所示)，不同时刻(r₁、r₂、r₃和r₄)H分量在不同MLT区域分布的差异仍然存在.表明在磁暴主相和恢复相期间部分环电流都发挥了显著作用.

图 7a、7b、7c和7d、7e、7f分别为磁暴主相和恢复相期间低纬和中纬地区台站地磁Y分量的变化情况，图的表述方法与图 3一致.如图 7b所示，在磁暴主相刚刚开始的m₁时刻(2004年7月22日2142UT)，位于低纬地区台站的地磁Y分量在不同地方时呈现正负相间的变化情况，随着磁暴主相的发展，在m₃时刻(2004年7月23日0112UT)和m₄时刻(2004年7月23日0237UT)地磁Y分量都表现为在磁地方时子夜及晨侧扇区为正值，昏侧至午前扇区为负值.表明在磁暴主相最大时刻附近，低纬地区向下的场向电流主要位于子夜及晨侧扇区，向上的场向电流主要位于昏侧及午前扇区.图 7c中在恢复相的各个阶段，Y分量在不同磁地方时差异仍然明显，除了r₄时刻(2004年7月24日1400UT)，其他时刻Y分量负值均位于昏侧和夜侧，正值位于午前扇区.中纬地区Y分量的变化情况如图 7e和7f所示，在磁暴主相和恢复相期间的不同时刻地磁Y分量在各地方时扇区都表现出明显不同.特别是磁暴主相m₄时刻，地磁Y分量正值集中在夜侧扇区，负值集中在昏侧、午侧至晨侧，表明向下的场向电流与向上的场向电流都有较宽的展布区域，且范围明显宽于低纬地区.通过分析图 6和图 7的结果表明，在强磁暴期间高纬地区存在持续的剧烈亚暴活动，亚暴电流体系中的场向电流除了能够引起中纬地区地磁Y分量的地方时分布差异外，其中的一部分场向电流与低纬地区的部分环电流形成回路，这一情况与中等磁暴主相期间中低纬地区Y分量的分布情况相似.而在磁暴恢复相期间高纬地区亚暴活动仍然剧烈，如图 7f和7c所示，中低纬地区地磁Y分量的磁地方时分布差异较大，表明此期间高纬地区与低纬地区通过场向电流仍保持着强烈的耦合作用.

2006年12月14日至2006年12月15日期间，地磁场发生了一个大磁暴，SYMH指数在2006年12月15日0055UT附近下降到最小值-211 nT.此次磁暴事件分析中应用的低纬地区8个台站分别为SJG、MBO、SUA、ABG、BMT、GUA、HON和DLR，中纬地区的6个台站分别为FRD、NEW、MMB、NVS、BEL和STJ.图 8和图 9分别为低纬地区地磁台站H分量和中低纬地区地磁台站Y分量在此次磁暴事件中的扰动情况，图的表述方法与图 2和图 3一致.

图 8

Fig. 8

图 8 大磁暴事件低纬地区H分量变化图 (a) AE指数随世界时变化图; (b) SYMH指数随世界时变化图; (c) 8个地磁台站H分量随世界时变化图; (d)主相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图; (e)恢复相期间8个地磁台站H分量随磁地方时变化图. Fig. 8 The variation of H component for the large storm event in low latitude (a) AE index variation with UT; (b) SYMH index variation with UT; (c) H component of eight stations variation with UT; (d) H component of eight stations variation with MLT during main phase; (e) H component of eight stations variation with MLT during recovery phase.

图 9

Fig. 9

图 9 大磁暴事件中低纬地区Y分量变化图 (a)低纬地区8个地磁台站Y分量随世界时变化图；(b)主相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(c)恢复相期间低纬地区8个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(d)中纬地区6个地磁台站Y分量随世界时变化图；(e)主相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图；(f)恢复相期间中纬地区6个地磁台站Y分量随磁地方时变化图. Fig. 9 The variation of Y component for the large storm event in middle and low latitudes (a) Y component of eight stations in low latitude variation with UT; (b) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during main phase; (c) Y component of eight stations in low latitude variation with MLT during recovery phase; (d) Y component of six stations in middle latitude variation with UT; (e) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during main phase; (f) Y component of six stations in middle latitude variation with MLT during recovery phase.

从图 8a中AE指数的变化情况可以看出，大磁暴期间高纬地区表现出非常剧烈的亚暴活动，AE指数变化范围从500 nT至接近2500 nT.与强磁暴事件相似，在磁暴主相刚开始时刻m₁(2006年12月14日2248UT)，红色曲线在不同磁地方时(MLT)就表现出明显差异.在m₃时刻(2006年12月15日0012UT)和m₄时刻(2006年12月15日0055UT)H分量变化曲线也呈现出最大值位于晨侧最小值位于昏侧的形态.在磁暴的恢复相期间(图 8e所示)，不同时刻(r₁、r₂、r₃和r₄)H分量在不同MLT区域分布的差异仍然存在.表明在此次大磁暴的主相和恢复相期间部分环电流都起到了重要作用.

图 9为此次大磁暴事件主相和恢复相期间低纬和中纬地区台站地磁Y分量的变化情况.如图 9a和9b所示，在磁暴主相的不同时刻位于低纬地区台站的地磁Y分量在不同地方时都呈现正负相间的变化情况，表现为地磁Y分量在磁地方时子夜及晨侧扇区为正值，昏侧至午前扇区为负值.而随着磁暴的发展，对应于磁暴主相的不同阶段Y分量的变化幅度逐渐增加.如在磁暴主相刚刚开始的m₁时刻(2006年12月14日2248UT)Y分量的最大值和最小值分别为56.65 nT和-31.56 nT；在磁暴主相最大的m₄时刻(2006年12月15日0055UT)Y分量最大值和最小值分别为127.3 nT和-109.9 nT.以上分析表明，在磁暴主相期间低纬地区向下的场向电流主要位于子夜及晨侧扇区，向上的场向电流主要位于昏侧及午前扇区；随着磁暴主相的发展，两个方向的场向电流强度都在增加.与强磁暴事件类似的是，在图 9c中恢复相的末期r₃时刻(2006年12月15日0800UT)和r₄时刻(2006年12月15日1018UT)，Y分量正值主要位于午前至昏侧扇区，负值主要位于夜侧至晨侧扇区，分布形态明显与恢复相其他时刻不同.对于中纬地区，如图 9d、9e和9f所示，在磁暴主相和恢复相期间的不同时刻地磁Y分量在各地方时扇区都表现出明显差异.特别是磁暴主相m₄时刻，地磁Y分量正值集中在午后、夜侧及晨侧扇区，负值集中在午前至晨侧扇区，表明向下的场向电流展布范围大于向上的场向电流.综合图 9b和9e，向下的场向电流展布范围在中纬地区也大于低纬地区，表明亚暴电流体系中场向电流中的一部分与低纬地区的部分环电流相连接.在磁暴恢复相的末期，如图 9f所示，r₃时刻和r₄时刻中纬地区地磁Y分量表现出与低纬地区相似的变化情况，这一现象将在下一节中做进一步讨论.

本文应用中低纬地区台站的地磁场观测数据，对磁暴期间中低纬地区的环电流和场向电流分布特征进行了分析.在四个典型磁暴事件中，磁暴主相期间H分量的最小值多分布于磁地方时的昏侧和夜侧扇区.Zhao等(2013)通过对879个磁暴事件进行统计分析，表明对于磁暴主相最大的时刻，59.5%磁暴事件的水平分量最小值位于磁地方时的昏侧扇区，18.7%磁暴事件的水平分量最小值位于磁地方时的夜侧扇区，占了所有磁暴事件的绝大多数.这些结果表明磁暴主相期间的部分环电流主要作用于磁地方时的昏侧和夜侧扇区.而在磁暴主相刚刚开始的时刻(各事件的m₁时刻)，弱磁暴事件(2004年4月16日磁暴事件)和中等磁暴事件(2002年10月14日磁暴事件)H分量在磁地方时的分布差异要明显小于强磁暴事件(2004年7月23日磁暴事件)和大磁暴事件(2006年12月15日磁暴事件).表明对于弱、中磁暴事件，主相刚刚开始时主要以对称环电流的影响为主，随着磁暴级别的增大，对于强、大磁暴事件部分环电流在主相的开始阶段就发挥了作用.在磁暴恢复相期间，弱、中磁暴事件H分量的磁地方时差异要明显小于强、大磁暴事件，表明恢复相期间部分环电流的影响也随着磁暴级别的增大而加强.

弱、中磁暴事件与强、大磁暴事件部分环电流在磁暴主相和恢复相期间的表现差异可能源于粒子的运动方式不同.来自太阳风的能量最初以电磁能的形式储存在磁尾(Kamide et al., 1998)，之后能量可以转化为粒子的动能进行释放并进入磁层环电流或作用于高纬地区的亚暴活动(Du et al., 2008).然而，太阳风粒子如何以及在哪里进入磁层至今没有定论，仍然是一个有争议的问题(Daglis et al., 1999).Le等(2004)给出的其中一种解释认为，对称环电流中的粒子主要为能量相对较高的高能粒子，这些粒子受对流电场的影响较小，主要表现为曲率漂移和梯度漂移；对磁暴起主要作用的部分环电流中的粒子能量相对较低，这些粒子除了受曲率、梯度漂移作用外，更主要受对流电场的影响；受对流电场作用的粒子主要以对流形式运动，并且很难形成具有闭合路径的对称环电流(只能形成部分环电流)，而且对流电场能够迅速增强部分环电流的强度.本文四个磁暴事件中，弱、中磁暴事件主相刚刚开始时主要以对称环电流的影响为主.AE指数与对流电场的变化密切相关(徐文耀和陈耿雄, 2004)，此时AE指数相对较小表明对流电场较小，主要受对流电场影响的部分环电流强度较低.强、大磁暴事件在主相的开始阶段AE指数就已经变化至上千nT，即对流电场强度较大，部分环电流能够在对流电场的作用下迅速增强，使得地面地磁台站观测到H分量表现为显著的磁地方时差异.同样，恢复相期间弱、中磁暴事件与强、大磁暴事件部分环电流表现的不同也主要来自对流电场的影响.

四个磁暴事件Y分量的分析结果表明，磁暴主相期间中纬地区地磁Y分量的变化幅度要明显大于低纬地区.磁暴主相期间低纬地区地磁Y分量正值多出现在夜侧至晨侧扇区，Y分量负值多出现在昏侧至午后扇区，表明夜侧至晨侧扇区存在向下的场向电流，昏侧至午后扇区存在着向上的场向电流.另外，磁暴主相期间中纬地区向下的场向电流与向上的场向电流都有较宽的展布区域，其范围明显宽于低纬地区，表明亚暴电流体系中的场向电流有一部分可以穿过中纬地区与低纬地区的部分环电流形成回路.而在磁暴恢复相期间，对于弱、中磁暴事件，中低纬地区的Y分量随着恢复相的发展其变化幅度呈现出减小的趋势；而对于强、大磁暴事件，中低纬地区的Y分量在恢复相不同阶段存在着明显差别.表明弱、中磁暴事件恢复相期间，场向电流呈现与部分环电流相同的减弱趋势；而强、大磁暴事件恢复相末期，场向电流的变化主要来自高纬剧烈的亚暴活动.本文的强磁暴事件(2004年7月23日磁暴事件)和大磁暴事件(2006年12月15日磁暴事件)中，在恢复相的末期r₄时刻(如图 7c和7f与图 9c和9f所示)，Y分量的变化形态表现出与恢复相其他时刻不一致的现象：Y分量正值主要位于午侧至昏侧扇区，而Y分量负值主要位于子夜至晨侧扇区.即午侧至昏侧扇区存在从中纬至低纬向下的场向电流，子夜至晨侧扇区存在从低纬至中纬向上的场向电流.结合图 6e和图 8e r₄时刻H分量的变化情况，在夜侧和晨侧可能存在一个反向的向东流动的部分环电流与上述场向电流形成回路.而东向的部分环电流与西向的对称环电流相叠加，致使夜侧和晨侧的H分量大于其他地方时扇区的H分量.这与Iyemori和Rao(1996)指出在Dst恢复阶段，亚暴的发展会减弱磁暴环电流的结果相一致.而本文仅有强磁暴和大磁暴两个磁暴事件的恢复相末期出现此情况，在以后的工作中还需要更多的磁暴事件对此类情况进行分析.

针对磁暴主相最大时刻，即SYMH指数最低值的UT时刻(每个磁暴事件的m₄时刻)，本文对四个磁暴事件的低纬H分量、低纬Y分量和中纬Y分量变化幅度在不同磁地方时扇区的最大差值做了进一步分析.如图 10a所示，横坐标为磁暴事件对应的最小SYMH值，代表着磁暴的级别，纵坐标为位于不同磁地方时的H分量最大值与最小值之差.可以看出随着磁暴级别的增大，H分量的差值也呈现出增大的趋势.SYMH最小值为-47 nT时，H分量的差值为33.67 nT；SYMH最小值为-211 nT时，H分量的差值为136.4 nT.差值的增大表明环电流在不同磁地方时引起的扰动差异变大.即在磁暴主相最大时刻，随着磁暴级别的增大，部分环电流的贡献也越来越大(Zhao et al., 2013).图 10b和10c分别为低纬地区和中纬地区Y分量不同磁地方时的最大值与最小值之差.低纬地区与中纬地区表现出相似的变化形态，SYMH最小值为-47 nT时，低纬和中纬的Y分量差值分别为35.1 nT和59.53 nT；SYMH最小值为-211 nT时，低纬和中纬的Y分量差值分别为237.2 nT和281.6 nT.即随着磁暴级别的增大，磁暴主相最大时刻中低纬地区的场向电流强度呈现出增大的趋势，且中纬地区的强度高于低纬地区.结合部分环电流和场向电流的变化趋势，表明随着磁暴级别的增大，在磁暴主相最大时刻中低纬地区场向电流与部分环电流形成的闭合回路整体呈现增大趋势.

图 10

Fig. 10

图 10 磁暴主相最大时刻H分量和Y分量变幅最大差值随磁暴级别变化图 (a)低纬地区H分量变幅最大差值；(b)低纬地区Y分量变幅最大差值；(c)中纬地区Y分量变幅最大差值. Fig. 10 The maximum differences of H component and Y component variation with storm magnitude at the UT of SYMH minimum (a) The maximum difference of H component in low latitude; (b) The maximum difference of Y component in low latitude; (c) The maximum difference of Y component in middle latitude.

(1) 在磁暴主相刚刚开始时段，部分环电流在强、大磁暴事件中的作用要明显强于其在弱、中磁暴事件的作用.在磁暴恢复相期间，部分环电流的影响也随着磁暴级别的增大而加强.造成这一差异的原因可能是对流电场的影响.

(2) 磁暴主相期间中纬地区向下的场向电流和向上的场向电流展布范围明显宽于低纬地区，并且向下的场向电流多位于低纬夜侧至晨侧扇区，向上的场向电流多位于低纬昏侧至午后扇区.

(3) 磁暴恢复相期间，弱、中磁暴事件的场向电流随着恢复相的发展呈现出减小的趋势；而强、大磁暴事件的场向电流在恢复相不同阶段存在着明显差别.这一差别可能与高纬地区的亚暴活动有关.

(4) 磁暴主相最大时刻，部分环电流和场向电流都随着磁暴级别的增大而增大，即中低纬地区场向电流与部分环电流形成的闭合回路整体随磁暴级别呈增大趋势.

本文通过坐标转换的方法应用中低纬地区地磁台站的观测数据，计算了平行于地磁偶极轴的H分量和地磁坐标系下Y分量，重点对磁暴主相和恢复相期间不同阶段的部分环电流和场向电流的磁地方时分布进行了分析和讨论.但由于受台站分布位置的影响，针对每一个磁暴事件本文对低纬地区和中纬地区分别选择了在地磁经度上大致均匀的8个和6个地磁台站，因此分析结果偏重于磁地方时上的总体特征，较为细节的描述存在不足.更深入的研究还需要应用高纬地区台站对亚暴事件进行分析，并结合卫星观测对行星际条件如太阳风速度、行星际磁场等进行分析，探究磁暴和亚暴相互作用下环电流、场向电流以及极区电流体系变化的物理机制.另外，磁暴恢复相末期反向部分环电流及场向电流的研究也需要在以后的工作中深入开展.