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热层位于地球大气中间层之上，散逸层之下，受太阳短波辐射处于高度电离状，以及磁层-电离层-热圈(MIT)耦合，其变化和活动过程非常复杂。因此，精确测定热层中性大气密度变化对上层大气研究、精密定轨和无线电传播研究具有重要意义。然而，当前热层中性大气密度经验模型无法准确估计大气密度变化和地预测该层的变化，以及缺乏实测资料，很难准确估计高层大气变化和理解其耦合机理。如今众多低轨卫星加速度计和精密轨道观测可估计热层中性大气密度，为研究高层大气变化提供了新的观测数据。本论文利用2003-2016年GRACE（重力恢复和气候实验）加速度计和精确轨道数据估计和研究热层中性大气密度变化。其主要研究结果和发现如下: 1)利用GRACE精密轨道速度的一阶导数估计了非重力加速度，校准了GRACE加速度计。并从GRACE精密轨道、时变重立场模型和加速度仪测量估计了保守力异常，基于主成分析(PCA)方法在空间和时间上分析了其异常，发现了其周日内频率有趣结构可能与大气潮汐相关。 2)利用2003-2016年重力卫星(GRACE)加速度计和精密轨道数据(POE)分别反演了热层中性大气密度，具有较好的一致性，且好于经验模型NRLMSISE00。并进一步用新的主成分析方法分析了热层大气密度变化，以及建立与本地太阳时(LST)、日年和太阳活动通量P10.7和地磁指数相关的参数化模型。本地太阳时(LST)参数化模型显示一个有趣的控制中纬度4波模式的扰动。该参数化模型能够反映小尺度热层大气密度变化，如赤道质量异常(EMA)和午夜密度最大值(MDM)，且可用于改进目前的热层经验模型。 3)在频谱域上进一步分析了主成分析后的残差，并在辐射潮(P1，K，T2和R2)的频率上首次发现了其它的周期性贡献，如83，93，152和431天。其93天的周期可能是由卫星近地点漂移引起的，83天和152天周期可能归由于太阳活动造成的。自由核章动频率（431天）变化可能暗含地球内核与磁层-电离层-热圈(MIT)存在耦合。 4)发现了热层大气密度平均长期变化分布与地球磁场密切相关，且南半球高于北半球。非对称的单元位于极区，南极区增强，北极区减弱，且均位于东极一侧，而在西极区也具有相应的衰减或增强。且南北极区纬度变化在所有时间段内均为正，主要受太阳辐射的强烈控制。 5)并进一步分析了2015年3月和2013年3月地磁暴热层大气密度变化与行为，及其与空间环境和地磁指数关系。结果发现在低纬度区域与磁暴指数Dst非常相关，高纬度与综合电场(Em)相关。其中2015年3月磁暴，热层大气密度相比平静状态增加达到500％偏差，日平均偏差达到180％。 本文对全球热层中性密度变化进行了深入的研究与解释，验证了该技术可获得全球热层中性大气密度变化，并获得了经验模型，且残差中新的周期性变化现象暗含着新的科学问题和应用。