按无线电工程师协会(IRE)的定义，地球电离层是部分电离的地球大气区域，因而此时热层是电离层中的中性背景部分。在现代空间物理研究中，通常将电离层狭义地理解为高层大气的电离部分，此时的电离层和热层是两个空间上相互重叠的区域。其间，电离层和热层相互作用相互耦合，形成“电离层/热层耦合系统”。对电离层/热层耦合系统的深入认识，在日地空间物理学中具有重要学术意义，是当前空间天气研究的前沿和热点。迄今为此，对电离层/热层耦合系统的观测、分析和研究已取得了大量成果。在此基础上，进一步深入研究电离层/热层耦合系统中各种相互作用过程的特性，揭示该系统中各种现象的形成机理，是当前学科发展的亟需，也是空间物理学和空间天气研究中一个极富挑战性的难题。解决这一难题，有赖于继续大力开展对电离层/热层耦合系统的实验观测、理论分析和数值模拟等综合研究工作。其中，数值模拟可以突破实验观测的限制，又能够比理论分析更为全面细致地重现电离层/热层系统的各种物理和化学过程，在电离层/热层耦合系统的研究中具有独特的优势，一直起着重要作用。　　 本文围绕电离层/热层耦合系统的模式化开展研究。首先，进行了电离层/热层耦合系统理论模式的建模工作。然后，基于已建立模式，对电离层/热层耦合系统中的若干典型过程进行了数值模拟研究。此外，为配合模式化和数值模拟工作，还对若干电离层/热层耦合系统的实验观测数据进行了统计分析。　　 本文的主要工作如下：　　 1、本文的工作重点是发展了一个自适应的全球电离层/热层系统耦合模式，该模式能自洽求解电离层/热层耦合系统中的能量方程、动量方程和质量方程，输出各种中性和带电成分的密度、温度和运动速度等。　　 (1)为了进一步从理论上分析和考察电离层/热层耦合系统的各种物理量，研究其变化规律及相应的物理机制，新发展了一个时变三维的自适应全球电离层/热层耦合模式(简称GCITEM-IGGCAS)。该模式采用基于高度网格的地理坐标系，其经度一纬度的网格为7.5°×5°，能够模拟90～600km高度之间电离层/热层区域的物理、化学过程。该模式通过自治求解电离层/热层的动量方程、能量方程、质量方程、流体静力学方程和状态方程，自适应计算电离层/热层区域的主要中性成分O、O2、N2，次要中性成分N(4S)、N(2D)、NO、Ar、He，离子O+、N2+、O2+、NO+、N+和电子的数密度，电子、离子和中性温度(Te、Ti和Tn)及中性风场的时变三维结构，并能够通过调用TIDM-IGGCAS-II模式自洽计算中低纬电离层电场(或等离子体电动力学漂移速度)。该模式较好的再现了电离层/热层的基本形态和主要变化特征。　　 (2)作为GCITEM-IGGCAS模式的电离层电场模块，发展了一个基于非偶极地磁场的中低纬电离层电场理论模式(简称TIDM-IGGCAS-II)。该模式不但可作为GCITEM-IGGCAS模式的电离层电场模块，参与GCITEM-IGGCAS运行，自洽计算中低纬电离层电场，而且还可以利用经验模型提供背景参量，作为独立运行的模式，用于电离层/热层电动力学研究，并能够较好的再现中低纬电离层电势、电场和电流的基本结构和形态。　　 2、利用GCITEM-IGGCAS模式对若干电离层/热层现象进行了模拟研究。利用GCITEM-IGGCAS模式进行的模拟研究主要有：　　 (1)模拟了电离层赤道异常对热层各种参数的影响。结果表明，(a)电离层赤道异常削弱了热层大气的子午环流；(b)在赤道异常谷区，电离层赤道异常减小了中性温度和密度，增强了纬向风场：(c)在赤道异常驼峰区，电离层赤道异常增大了的中性温度和密度，减弱了纬向风场；(d)由于电离层垂直等离子体漂移的预反转增强的影响，电离层赤道异常加强了1900LT附近赤道异常谷区热层大气的东向风场，并使中性温度和中性质量密度都得以明显升高。　　 (2)模拟了湍流扩散对各种电离层/热层参数的年内变化的影响。结果表明，湍流扩散明显地调制了各种电离层/热层参数的年内变化，而且湍流扩散对于这些电离层/热层参数的影响程度极为明显地依赖于高度，即在较高的高度上，湍流扩散的年内变化能引起大多数电离层/热层参数强度更大的年内变化。通过进一步分析，认为湍流扩散对于热层O的输运过程的调节是其影响各种电离层/热层参数年内变化的最主要途径。　　 (3)模拟了潮汐对各种电离层/热层参数的纬向平均场的影响。大气周日潮汐和半日潮汐能在低热层的中低纬及赤道地区激发一个西向急流，而在该急流两侧的高纬各激发一个东向的补偿回流。通过电离层发电机效应，它们也在低纬地区的高热层中激发了一个西向急流。在周日潮汐和半日潮汐的共同作用下，高热层的中性温度降低，中性大气质量密度和O、Ｏ2和N2的数密度也同步降低，而且高热层的电子密度也有一定降低。模拟还表明周日潮汐和半日潮汐各自对电离层/热层系统的影响表现出明显差异。　　 (4)模拟了源于磁层的高纬电离层电场对极区热层的影响。高纬电离层电场明显地影响了极区热层的温度和风场，它对高热层的影响要远强于对低热层的影响。源于磁层的电场对中性大气环流的主要影响是在极区高热层中叠加了一个高纬背日低纬向日的二元对流。在地磁宁静状态下，电场对极区热层中性温度和风场的影响都主要通过离子曳力实现。在中等地磁活动条件下，电场对极区热层中性温度的影响主要通过焦耳加热实现，而对风场的影响主要通过离子曳力实现。　　 (5)模拟了一个电离层/热层暴的演化例子。发生在夏至的一个磁暴激发了全球范围的电离层暴/热层暴，高纬电离层/热层对磁暴的响应要快于中低纬电离层/热层，而夜间绝大多数的电离层/热层参数对磁暴的响应要快于白天。电离层暴/热层暴表现出明显的南北(冬夏)不对称性。磁暴结束后，电离层暴/热层暴并没有立刻停止，而是又持续了约24小时。在电离层暴/热层暴期间，高热层的中性温度、N2数密度百分比含量和大气质量密度普遍升高。极区热层的扰动风场主要是一个高纬背日低纬向日的二元对流，而中低纬的扰动风场主要和地磁宁静状态下的大气水平环流反向。在大多数时段，冬季半球(南半球)的电离层主要发生正暴，而夏季半球(北半球)的电离层主要发生负暴。由于磁暴期间极光粒子沉降的极大增强，冬季半球的高纬正暴发生得特别快。　　 3、利用卫星观测数据对等离子体密度、电子温度和垂直漂移等多种电离层参数进行了统计研究，着重分析了倾角赤道上空电离层参数的经度变化。　　 (1)利用DMSP卫星的观测数据，对黄昏时段(1745LT)顶部电离层倾角赤道附近若干物理参数的经度变化进行了统计研究。首先，通过数据分析，发现等离子体密度和电子温度的经度变化都表现出明显的季节依赖性。在分点季节，上述参量都表现为一个明显的纬向四波结构，分析指出这类结构是由大气DE3潮汐导致的。在北半球夏至，等离子体密度和电子温度的经度变化都表现为一个明显的三顶点结构，而在北半球冬至则都表现为一个明显的两顶点结构，分析指出此时的经度变化是由DE3潮汐和地磁偏角的经度变化共同引起的。利用等离子体密度对电子冷却率的调节，解释了各个季节等离子体密度的经度变化与电子温度的经度变化之间明显的负相关。其次，垂直等离子体漂移的经度变化也表现出明显的季节依赖，而且明显受到地磁场的影响。冬至时垂直等离子体漂移的经度变化主要同地磁强度的经度变化相关，而夏至时垂直等离子体漂移的经度变化主要受地磁偏角的经度变化控制。在分点季节，垂直等离子体漂移的经度变化对地磁偏角经度变化的依赖比夏至时弱，但对地磁强度的依赖和冬至时大致相同。　　 (2)研究了垂直等离子体漂移四波结构的年内变化。首先，利用ROCSAT-1卫星在倾角赤道附近的垂直等离子体漂移观测数据，研究了赤道区垂直等离子体漂移四波结构的年内变化，发现它表现出明显的年内变化和地方时变化。日间四波结构的强度在北半球的冬季最弱，在北半球的夏季和秋季的早些时候最强；但是由于电离层发电机机制的昼夜差异，夜间四波结构的年内变化与日间不同。白天的四波结构在绝大多数月份会发生东漂，且相位在日出和日落时段会发生跳变。其次，利用TIDM-IGGCAS-II电场模式和TIDI观测的DE3潮汐风场模拟重现了四波结构的年内变化。由于南北半球问电离层电场耦合的影响，垂直等离子体漂移四波结构的年内变化主要由对称DE3风场控制，其年内变化同DE3潮汐对称波模的年内变化基本一致。垂直等离子体漂移的四波结构主要由DE3纬向风驱动，DE3纬向风对垂直等离子体漂移四波结构的年内变化的贡献远大于DE3子午风。该工作进一步支持了DE3潮汐是低纬电离层四波结构驱动源的观点。　　 综上所述，本文建立了一个电离层/热层耦合系统的理论模式；利用该模式对若干电离层/热层基本现象进行了数值模拟；配合模式化和模拟工作对若干电离层/热层观测数据进行了统计分析。本文工作表明，新发展的电离层/热层耦合系统的理论模式能较好地描述和再现电离层/热层中重要的基本过程，相应的数值模拟能够进一步揭示电离层/热层中各种现象的物理机制，相关的模式化、数值模拟及数据分析工作可促进对电离层/热层结构与变化特性的深入认识，这对空间物理及空间天气研究具有重要的学术价值。