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磁场重联是等离子体物理中的一种基本物理过程，是许多重要空间物理现象，如太阳耀斑、日冕加热、地磁暴、磁层亚暴等的理论基础。在空间科学领域，磁场重联过程是行星际磁场和等离子体与地球磁层耦合并交换能量和粒子的主要机制，从而对空间环境和空间天气产生重要影响。其中，向阳面磁层顶作为太阳风-磁层耦合的最主要的空间区域，磁层顶磁重联在空间物理学的研究中具有非常重要的地位和作用。从不同的空间尺度来看，向阳面磁重联又具有不同的物理结构，并从不同方面对磁层能量和动量输入产生影响。本文采用个例分析与统计相结合的方法，利用Cluster，THEMIS和TC-1等卫星的数据，从实地观测方面对向阳面磁层顶不同空间尺度的结构和物理过程进行了研究。本文的研究工作主要包括以下三个部分。
从全球尺度上来看，以往的研究对向阳面磁层顶磁重联的认识存在两种不同的模型：分量重联和反平行重联。不同的模型得到的重联位置不同，重联率也差别较大，进而影响向阳面磁层顶能量输入速率。迄今为止，这两种模型仍没有达成一致。本文第一部分工作利用Cluster和TC-1的联合观测，证明了分量重联和反平行重联这两种重联模型可以在相同的行星际条件下在磁层顶不同空间位置同时存在，并首次给出了直接的观测证据。同时，向阳面磁层顶高速流的统计结果显示，向阳面可能存在一条跨越整个磁层顶的重联X-线，重联x-线从日下点附近区域出发，呈“S”型向外延伸，可能具有向高纬-极尖区后方和向低纬-磁尾两种不同的延伸方式。统计结果还指出，在晨昏方向为主的IMF条件下，前者可能占主要支配地位，但后者同样可能出现。同时，向低纬-磁尾方向延伸的X-线首次在个例观测中得到了证实。研究结果还表明，日下点附近区域X-线的倾角随IMF时钟角转动，X-线倾角与IMF时钟角成线性关系。
向阳面磁重联典型中尺度结构-FTE也是空间物理研究的热点之一。由于FTE可以在磁鞘和磁层之间形成开放的通道，自被发现以来，FTE-直被认为是太阳风-磁层能量和动量传输的重要通道之一。本文第二部分利用实际观测与现有理论模型、数值模拟结果相对比的方法，研究了FTE的起源、形态和演变方式。结果显示，FTE可能在低纬由多x-线重联模型产生，两X-线可能不同时产生，首次从观测上验证了修正的多x-线模型。其次，通过比较卫星在磁层/边界层，磁鞘和低纬/高纬等不同区域对通量管的观测，首次从观测上得到了FTE的全球形态特征；FTEs以典型的肘状形态在磁层顶边界层中沿重联X-线方向延伸一段距离，在两端偏向本底磁场并分别连接到磁层/磁鞘磁场中。研究结果还指出，磁层顶两侧FTE沿轴向运动速度的不同可能造成FIE的拉伸，从而导致FTE收缩进而丧失磁场的螺旋性，解释了无螺旋场FTE的形成。
尽管磁重联一直被认为是粒子加速的重要物理机制之一，但除此之外，与重联相关的其他物理结构，如磁岛、高速流堆积区等也被认为对粒子加速有重要的作用。本文第三部分从磁重联小尺度结构出发，比较了有重联分形线存在和没有重联分形线存在两种情况下磁场O点（磁岛）附近的粒子分布特征。结果显示，被加速电子只在分形线附近及重联高速流堆积区被观测到，其行为符合“重联线-堆积区”两步加速的机制。这一结果说明向阳面粒子加速主要发生在重联分形线和高速流堆积区附近，其它粒子加速机制的失效可能与向阳面磁层顶结构的特殊性有关。
本文结构安排如下：第一章简要回顾了磁场重联的发展历史并介绍了向阳面磁重联的研究现状和存在问题；第二章介绍了本文数据分析过程中用到的卫星数据和本文用到的比较成熟的分析方法；第三章、第四章和第五章分别从大、中、小三个不同的空间尺度出发，利用Cluster、THEMIS和TC-1的的卫星数据对向阳面磁重联的相关结构和物理过程进行了研究；最后总结全文并提出下一步工作的方向。