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磁场重联是等离子体物理研究中的基本现象，它是许多重要空间物理现象和磁约束核聚变问题(如太阳耀斑、日冕加热、地磁暴、磁层亚暴、彗星断尾事件、托卡马克破裂不稳定性、锯齿模等)的理论基础。目前主流的磁场重联理论都是基于Harris电流片模型及其推广。但是数学计算和物理分析都证明Harris电流片模型下形成的重联线是结构不稳定的，任何小的扰动都会使它转变成若干对磁场零点的连线。而“二维三分量模型”则是在环形磁约束位形下提出的，隐含了第三维方向的周期边界条件的假设。因此，磁场重联从本质上来说是三维的。本论文通过对Cluster和TC-1卫星联合观测的数据统计分析以及数值模拟的方法对磁层磁场重联的三维现象进行了研究。我们的研究工作共分为观测统计和数值模拟两大部分。
磁场重联是太阳风磁层耦合过程中向阳面磁层顶能量和离子输入的重要机制。然而，以往的研究对该区域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，这两种模型仍旧没有达成一致。本文的第一部分工作就是利用Cluster和TC-1的联合观测，以及ACE卫星的太阳风磁场和等离子体数据，从三维全球的角度对向阳面磁层顶重联发生位置的图像以及该图像对行星际磁场的响应进行统计研究。该部分用高速流作为重联的观测特征进行了统计，得到几个非常有意义的结果：1、行星际磁场晨向时，向阳面磁层顶重联可能发生的位置构成一“S”形重联线，低纬区域重联具有分量重联特征，高纬区域重联具有反平行重联特征；2、行星际磁场南向时，高纬区域很少能观测到高速流；3、行星际磁场晨昏向为主或者具有南向分量时，日下点附近的重联线倾角随着行星际磁场的时钟角同方向旋转，且可以找到一个坐标系，在该坐标系下得到二者的线性系数为一0．34；4、高速流的纬度分布随行星际磁场时钟角的变化而显著不同；5、分量重联的重联线附近，一条导向场方向的磁力线趋向于与该重联线重合。对上述结果进一步归纳，我们得到了不同IMF条件下向阳面磁层顶磁重联位置的整体位形：在行星际磁场不是以北向分量为主时，向阳面磁层顶都可能存在一个重联最可能发生的重联线带。当行星际磁场南向时，该重联线带大部分位于低纬区域；当行星际磁场晨昏分量增加时，该重联线带位于日下点附近区域的部分随IMF时钟角的顺时针旋转而顺时针旋转，而其两端分别向南北半球的高纬区域移动，形成类似于前述“S”形的重联线带。这是首次利用观测结果给出不同IMF条件下向阳面磁层顶磁重联的整体位形。在磁尾磁场重联的观测中，研究者用Hall B<,y>四极结构是否被观测到作为判断Hall重联是否出现的依据。三维情况下，扩散区附近的B<,y>分布是否一定遵循四极结构的分布呢?本文第二部分用数值模拟的方法对这个问题进行了系统研究，并对模拟系统中重联的其他三维特征进行了讨论。结果发现，三维HallMHD模拟中，1、考虑了离子电流载流子后，磁场的整体拓扑结构向+y方向漂移，伴随部分磁力线向+y方向弯曲，部分磁力线向一y方向弯曲；2、磁力线拓扑结构的变化造成等离子体流场改变，同时磁力线的弯曲导致了B<,y>反四极结构的产生，Cluster的两个观测事件也证实了该结构在空间等离子体中的存在；3、考虑了初始离子电流载流子后，场向电流的分布向+y方向漂移；4、模拟结果中的Walén关系符合Hall等离子体理论中的Walén关系。通过这部分工作，我们提出了一种可以考虑部分离子载流、部分电子载流的三维Hall MHD模型，并对重联区附近B<,y>的反四极结构进行了系统研究，同时对不同离子载流比例的影响以及Hall无碰撞磁重联的三维现象进行了系统地分析，打破了Hall MHD数值模拟中不考虑载流子(其实默认为电子载流)的传统。
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三维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；第三章利用Cluster和TC-1的联合观测从三维全球的角度统计研究向阳面磁层顶磁重联；第四章用三维Hall MHD数值模拟的方法研究Hall磁重联的三维特征；第五章总结全文并提出下一步工作的方向。