磁层-电离层耦合是日地关系链中的重要一环，而电离层和磁层物理耦合中关键的电动因素是在两区域间沿场线流动的电流。太阳风与磁层相互作用在磁层中产生场向电流，场向电流将能量沿磁力线传输到极光电离层，在电离层中以焦耳加热和电子沉降等形式耗散掉。电离层的状态变化尤其是电导率变化，反过来又会反馈于磁层场向电流，导致磁层阿尔芬波振幅的改变，甚至在背景驱动电场存在时产生反馈不稳定性。Cluster和FAST的观测表明，阿尔芬驻波和行进波是大尺度磁层-电离层耦合的一个内在组成部分。通过数值模拟的方式研究磁层与电离层的耦合过程，对于理解极光的产生和极区电离层中的等离子体对流等现象，具有重要的理论价值。本文从理论和模拟方面系统的总结和研究了非线性色散阿尔芬波在磁层电离层电动耦合中的作用：1.讨论了剪切阿尔芬波的频率、时间和空间变化特征，以及有质动力和色散效应对磁层等离子体密度分布的影响。有质动力和电子惯性效应使场线共振向地球方向移动，而热效应则使共振位置向背离地球方向移动。2.讨论了极光电子的非线性加热过程。在电离层电流小于临界电流时，电子加热过程起主要作用；而在电离层电流大于临界电流时，电子温度接近饱和，电离过程起主要作用。3.总结了基于二维模拟的磁层电离层电动耦合研究成果，并利用有限元方法对磁层阿尔芬波进行了模拟。产生电离层电导率增大的机制主要有两种，磁层起主要作用的磁层场线共振机制和电离层起主要作用的电离层反馈不稳定机制，这两种机制中等离子体运动行为大相径庭。非常大尺度和大幅度的跨磁力线的密度结构更可能是由场线共振产生的，而高频的密度扰动可归因于反馈不稳定性。在三维磁层-电离层耦合方面，虽然已有很多的三维磁层模式，如LFM、BATS-R-US、 GUMICS等，但都使用理想磁流体或简化的磁流体方程，因而无法研究小尺度效应。而在研究剪切阿尔芬波方面，尚没有三维模拟方面的工作。本文基于二维有限元模式TOPO进行三维拓展，使其能适用于三维磁层电离层电动耦合模拟。主要工作包括基于磁层磁场模型设计制作三维有限元网格、改造TOPO输入输出数据格式、程序代码的三维拓展以及并行化改造等。基于新开发的三维有限元模式，进行了三维模拟的初步尝试，成功实现了地磁偶极场中磁层阿尔芬波共振的数值模拟。共振位置设置在磁力线L=8.0Re处，计算得到此处共振周期为159.18秒，模拟结果显示，该三维有限元模式能够形成稳定的磁层场线共振，共振位置基本稳定在预设的共振磁力线附近，随时间发展，波动的径向宽度逐渐变窄，波动的幅度逐渐增强，最终达到稳定。场线共振稳定之后的极区场向电流的最大值为2.9μA/m~2左右，与观测数据吻合。但是，对于三维TOPO的并行化改造尚未全部完成，这限制了我们求解问题的规模。尽快实现三维TOPO的并行化，提高求解问题的规模，研究三维情况下小尺度效应在磁层电离层电动耦合中的作用，是我们后续工作的重点。