地球磁尾中的中尺度结构，持续时间几秒至几分钟，空间尺度为几个地球半径，是磁层动力学研究的一个重要方面。这些结构的观测现象往往是局地的，短暂的，但是它们却能通过跨尺度耦合，影响全球的等离子体演化过程。这些结构包括低纬边界层或等离子体片中的K-H涡流，等离子体片中的磁岛和磁通绳，爆发性整体流(BBFs)，超低频压缩波等。它们通常可以用磁流体力学理论描述。几十年来，研究者们通过实地观测，理论分析和数值模拟等手段对这些现象进行了大量研究。研究表明，发生在低纬边界层的K-H不稳定性是太阳风向磁层输运物质、动量和能量的重要机制之一，在太阳风磁层耦合过程中发挥了重要作用。磁层中的超低频波也是太阳风的能量输入和贮存在磁层的一种重要方式。等离子体片涡流不仅携带了太阳风与磁层相互作用机制的重要信息也与电离层现象发生耦合。另一方面，BBFs、磁通绳等往往是磁尾磁场重联爆发事件的体现，它们承担了磁通和物质输运的角色，在磁层-电离层耦合方面具有十分重要的作用。目前对这些结构的研究主要是个例观测分析、统计方法以及模拟方法，得到的主要是定性的结论。直接分析数据的方法很难把握等离子体结构的全貌和它们的形态与尺度，也不便于分析磁场，密度和温度扰动的原因，而模拟研究往往过于简化。　　 Grad-Shafranov(GS)系列重构方法是基于解决GS或类GS方程的比较新的数据分析方法。其中GS重构方法是研究二维、在特定参照系上时间稳定的磁流体静力学结构的分析工具。它能够通过单颗卫星观测的数据重现卫星路径附近长方形区域的场和粒子等重要参数的分布。GS-type重构方法(GS流场重构方法)是GS方法的推广形式，它考虑了结构中存在较强垂直磁力线流速的情况，能获得结构的流场分布。这两类方法的应用有助于定量获得等离子体结构尺度的大小，磁场拓扑，结构变化最小方向等信息。有助于进一步分析结构的演化过程和产生机制。　　 本文的主要工作在于建立了GS重构，GS-type重构方法代码。在此基础上利用这些分析工具定量研究了等离子体片涡流和赤道面超低频压缩波。此外，本文还研究了太阳风小磁通绳环境下磁尾超低频波现象。主要研究工作和成果包含以下五个部分：　　 一、首先，本研究应用二维电流片函数模型检验了自建GS重构程序的准确性。结果显示数值解相对解析解的误差在1％左右，表明自建程序是准确可用的。同时，本研究还重现了模型电流片中的温度，密度和电流密度的分布。其次，建立了GS-type重构方法，用Hasegawa等人在2007年用同样的方法分析过的低纬边界层涡流事件进行了检验，得到与原作者相同的结果，保证了本文所用程序的可靠性。　　 二、等离子体片涡流的观测研究。早期观测把等离子体片上速度矢量周期性旋转的结构称为涡流。涡流的尺度，传播方向和产生机制始终没有统一的结论。本文首次使用Grad-Shafranov速度场重构方法对5个磁尾晨侧等离子体片涡流进行了重构分析。研究发现，涡流的旋转方向与晨侧低纬边界层K-H表面波的极化方向一致。此外，这一工作首次定量得到了涡流的尺度和形态参数，并试图解释了伴随涡流的磁场和密度扰动的原因。最后，通过计算了低纬边界层K-H不稳定性条件，建立了低纬边界层K-H不稳定性激发等离子体片涡流的直接观测证据。　　 三、研究太阳风动压快速增强对磁尾等离子体片的影响。统计2001-2005年的数据，要求同时满足观测到太阳风动压突增事件和Geotai或Cluster卫星位置位于等离子体片的条件，一共找到8个。为了排除磁层内部过程的影响，增加行星际磁场(IMF)北向的条件，最后本研究选择2003年7月6日的事件进行了仔细分析。研究发现，地向高速流(达450km/s)并非重联所致，而是由于太阳风压力迅速增加压缩磁层使磁层失去平衡造成的。另一方面，高速地向流伴随了涡流链，用GS流场重构方法对涡流的结构进行了分析，涡流从赤道上面看反时针旋转，定量得到涡流的尺度在1Re量级，形态呈现出前端钝，后端尖的特征，可以很明显看出高速流与背景流剪切的图象。这一研究首次定量得到了由磁层内部由高速地向流激发的涡流结构的特征，并建立了比较完整的等离子体片在IMF北向条件下对太阳风压强突增的响应图象。　　 四、应用GS方法研究了晨侧磁赤道ULF Pc5压缩波事件。用一维电流片模型及其解析解检验了GS重构方法对开放磁力线结构的重构效果，误差在10％以内。GS重构结果首次给出了不受任何模型约束的压缩波的二维图象，与前人的观测相结论以及前人提出的驻波模型吻合，此外本研究定量得到了压缩波的波长和热压强、磁场和电流密度的分布。　　 五、地面空间观测协同研究了长期北向行星际磁场之后夜侧远磁层超低频(ULF)波的动力学过程。这一工作证实了拉伸场线的共振特征，填补了两个magic频率(约1.8和3.1mHz)磁力线共振波动在靠近午夜磁层实地观测的空白。并给出了夜侧等离子体层顶之外可能存在共振腔/波导结构的有力证据。最后由GS重构得到波动事件的背景太阳风具有磁通绳结构。