电离层-热层是日地空间环境的重要区域，呈现显著而复杂的天气变化，这些变化密切依赖于太阳活动，特别是灾害性太阳活动期间，爆发性太阳风扰动驱动行星际空间-磁层-电离层-热层发生剧烈的变化，形成磁暴、电离层暴和热层暴等灾害性空间天气现象，会给空间高技术系统带来恶劣的影响，如导致卫星轨道坠落、无线电通讯中断、定轨定位精度显著降低。本文选题电离层-热层对行星际太阳风扰动的响应研究，基于卫星和地基观测数据综合观测资料，采用事例与统计分析，研究了不同强度和类型的行星际太阳风扰动所驱动的电离层-热层变化，包括爆发性的行星际日冕物质抛射(ICME)、太阳风高速流及其驱动的共转相互作用区(CIR)、到太阳风扇形结构。在事例分析行星际日冕物质抛射驱动的典型超级磁暴期间电离层-热层变化基础上，进行电离层暴时变化特征的统计分析，比较了电离层响应CIR和ICME的异同点、分析了太阳风扇形结构对电离层的调制作用、进而构建了一个中纬单站经验模式，工作有助于认识电离层的逐日变化特性，深化对磁层-电离层-热层耦合机制的理解。主要的研究工作有:　　1.利用多颗卫星和地基综合观测资料，分析了2004年11月7-11日超级磁暴期间电离层-热层的全球扰动特征及其形成机制。在2004年11月8日磁暴主相期间，发生了多重电场穿透，导致赤道地区电离层参量出现了周期性振荡变化。中低纬地区电离层存在周期为2-3小时的波动，由大尺度行进式扰动和穿透电场的共同作用产生。除了剧烈的动力学过程变化之外，TIMED/GUVI卫星观测到中性成分O/N2柱含量比值在高纬急剧减小，并且向赤道快速传播，O/N2柱含量比值减少主要来自N2增加。在成分扰动区的赤道侧，O/N2柱含量比值增加，增加出现在峰下电离层，而顶部电离层O/N2减少，减少的原因是N2增幅超过O。O/N2柱含量比值减少的区域与电离层电子浓度总含量(TEC)减少的区域较好的吻合，而O/N2柱含量比值增加的区域与TEC的正暴效应区域不完全一致。　　2.利用1998-2005年期间的顶部电离层卫星探测资料，研究了太阳冕洞高速流触发的顶部电离层变化，发现顶部电离层电子密度和温度变化中存在显著9日周期分量，证实该周期性振荡来源于太阳风能量注入。9日周期变化分量的最大幅值出现在2005年，幅度为参量背景值的20-30％。在卫星观测的4个地方时刻，9日周期分量幅值的纬度分布存在着差异。TEC、顶部电离层参量和峰下电子浓度的时延特征在重现性磁暴下具有明显差异，顶部电离层响应和恢复远快于底部电离层参量。　　3.揭示了美洲扇区低纬度电离层foF2、hmF2和TEC等参量对太阳冕洞高速流的响应特性。分析显示，在太阳活动极低年期间，低纬度电离层foF2、 hmF2和TEC等参量存在显著9日周期性变化，从动力学和大气化学成分改变的角度探讨了电离层9日分量的起源。研究证实了9日分量变化在扰动发电机电场中显著存在，而不出现在穿透电场中。在不同地方时的TEC与Kp扰动9日分量的纬度变化存在着同相、异相和反相特征，表明在磁暴期间，高层大气温度变化、扰动发电机电场和风场共同作用，形成了低纬地区电离层扰动中9日分量的多种来源。　　4.基于2002-2008年期间CHAMP卫星测量的400 km中性大气密度和TIMED/GUVI卫星测量的O/N2柱含量比数据，研究了等高度面和等压面上中性大气对139次共转相互作用区(CIR)响应的统计特性。对这些CIR事件的统计结果表明，太阳风速度在太阳活动低年快于太阳活动高年，重联电场和动压却在太阳活动高年较大。CIR引起O/N2柱含量比值的扰动在高纬减少和低纬增加，这一特征与400 km热层大气密度全球都增加不一致。CIR产生的热层大气密度和O/N2柱含量比值相对变化在太阳活动低年强于高年。中性大气密度扰动在高纬最为剧烈，其相对扰动在夏季强于冬季，夜间强于白天。　　5.利用约4个太阳活动周的行星际太阳风参数、地磁活动指数、电离层F2层临界频率(foF2)，以及1998-2011年全球TEC数据，分析了太阳风扇形结构的极性变化对电离层的影响，发现扇形结构的极性变化引起的电离层变化在分点季节比至点季节显著，在春分和秋分变化趋势相反。结果表明，太阳风扇区边界跨越后3天通常伴随着太阳风速度增加。当太阳风扇区极性由指向太阳变成背离太阳时，在春分和夏至季节，IMF Bz由北向转为南向，与太阳风扇区极性由背离变成指向太阳时情形恰好相反。太阳风扇形结构的极性变化引起的foF2和TEC变化在±15％的范围内，有较强的纬度、季节、和太阳活动的依赖性。正午foF2的变化在高纬以负相为主，在低纬度以正相为主。foF2负相在太阳活动低年相对于太阳活动周其它阶段有时间滞后。太阳扇区结构-电离层效应的认识将有助于我们理解电离层的逐日变化和“磁滞”效应。　　6.给出了电离层TEC扰动的持续时间及其相对于地磁扰动的时延的统计特性，揭示了电离层TEC对CIR和ICME响应的异同点，可为暴时电离层经验建模提供依据。统计结果表明，电离层暴时TEC扰动相对于地磁Ap指数的时延有很强的季节、磁地方时和磁纬依赖性。在夏季半球的子夜到早晨扇区，电离层的负暴效应很快从高纬传播到低纬，延迟时间为4-7个小时。冬季半球白天和日落后中低纬电离层负相时延大于夏季半球相同区域1-10小时，延迟取决于所在地方时、纬度以及磁暴的强度。ICME期间，电离层TEC夏季高纬没有出现正暴效应，TEC负暴效应能够传播到接近磁纬20°，平均减小幅度约为20％，而在CIR期间高纬TEC先增加后减少，减幅为15％左右。　　7.基于Wakkanai(45.4°N，141.7°E)站测高仪近60年的foF2数据，构建了一个静日和暴时中纬单站经验模式，能够较好的描述中纬电离层foF2的气候学和天气学变化特征，精度要高于国际参考电离层模式(IRI).该模式静日模块综合考虑了太阳活动、地方时以及季节等因素对foF2及其上下四分值的影响，暴时模块用来修正磁暴引起的foF2的相对变化。foF2相对变化是由改正的地磁活动指数Kf调制的周日和半日周期性波动的叠加。Kf指数反映了电离层响应相对于地磁活动的时间延迟。采用卡尔曼滤波的算法来适时的修正模式系数，达到优化模式目的。引入卡尔曼滤波算法的引入能够提高预报模式的精度。　　8.利用2002-2008年期间CHAMP卫星观测数据，考察夜间电离层赤道异常(EIA)和热层赤道异常(EMA)特征及两者间的关联，发现EIA和EMA偶尔会出现在子夜后扇区，但EMA可以独立于EIA出现。该结论补充和修正了前人关于EMA只出现在地方时10:00-20:00的结论，有助于认识EMA的形成机制。统计了地磁相对平静条件下(Kp＜3) EMA和EIA在子夜后的发生率，两者的出现率呈现出不同的地方时、经度、和季节依赖性。EMA出现率在03:00 LT最大为8％，EIA出现率从23:00 LT由30％逐渐递减到06:00 LT的5％。EIA多出现在高太阳活动，其出现率在经度方向呈现出波动结构，而EMA多出现在较低太阳活动，出现率没有明显的经度分布特征。据此，我们认为EIA和EMA在子夜后扇区没有直接的因果联系。