日地系统中绝大部分区域都充满了空间等离子体,磁场重联和湍流是空间等离子体的两个基本物理过程。磁场重联可以在短时间年内将磁能转化为等离子体的动能和热能,并改变磁场的拓扑结构,被认为与许多爆发性现象有关,比如太阳耀斑和磁层亚暴等。等离子体湍流是天体物理中普遍存在的现象,湍流可以对等离子体的传输和能量耗散过程起重要作用,被普遍认为是太阳风加热的重要能量来源,也是影响高能粒子传输效应的重要因素。磁场重联与湍流有密切的联系,磁场重联可以驱动湍流的产生和发展,而湍流可在重联过程中起耗散作用,且能形成适宜磁场重联发生的磁场拓扑结构和等离子体条件,诱发磁场重联。对磁场重联和湍流的研究将帮助我们了解和认识日地系统中发生的物理过程,为空间天气的准确建模和预报奠定基础。研究磁场重联的动力学过程和结构是理解磁场重联的关键。在磁场重联区有丰富的波动现象和很强的波粒相互作用,在不同的重联区哪种波动占主导,这些波动对重联有什么作用,是触发重联还是调制重联?高能电子是磁场重联的重要产物,在重联过程中,电子是在哪些区域以何种加速机制被加速的?与重联相关的结构有什么样的性质,对重联又有什么样的作用?偶极化锋面被认为是重联新的区域,它具有什么样的动力学结构和波动特征,尺度如何?空间等离子体中普遍存在的湍流现象,与重联相关的湍流有什么样的性质,湍流对重联过程起着什么样的作用?湍流在离子尺度耗散区的性质是怎样的?湍流谱是否能够达到电子尺度?如果可以那么在电子尺度是否存在频谱的拐点?电子尺度以下的频谱是满足指数谱还是幂谱?在电子尺度湍流耗散以何种方式进行?等等这些问题都需要我们去解答。基于Cluster卫星观测数据,本论文尝试对以上的一系列问题进行了分析研究。本论文的第一章是文献综述,介绍了日地系统中太阳风,地球磁鞘和磁尾,概述了磁场重联和等离子体湍流研究现状,并提出一些需要解决的问题。本论文的第二章是卫星、探测仪器和分析方法的介绍,主要介绍了Cluster卫星及其搭载的仪器,对本文所使用到的数据分析方法进行简单的描述。本论文的第三章是报告我们对磁场重联动力学过程和结构的研究。首先分析了高β弱导向场重联扩散区的波动特性：通过分析Cluster卫星在磁场重联扩散区的观测到的波动,发现在高β弱导向场的扩散区内波矢在低频范围具有很强的斜向传播特性,实测的色散关系非常接近由热双流体模型和动力学理论得到的Alfven-whistler模式,证实了之前理论预测在扩散区该模式波动的存在。然后,研究了磁场重联过程中电子加速：我们分析了在重联扩散区里两个磁岛和薄电流片的观测,在磁岛的核心区域存在密度耗空和很强的电流。高能电子仅仅在薄电流片和第二个磁岛中被观测到,最大的通量出现在第二个磁岛的核心区域。经过讨论我们认为高能电子可能是首先在薄电流片中被加速,然后在磁岛中被束缚后进一步通过betatron加速和费米加速机制被加速；利用Cluster卫星在向阳侧的观测数据,我们首次在ICME的鞘区发现了一个有导向场非对称的重联事件的喷流区,喷流区的观测特征与快速重联理论预期和先前的观测一致。我们在高密度分界线一侧观测到高能电子通量的增强,能级高达400keV。最后,研究与磁场重联相关的结构,包括通量管和偶极化锋面。我们通过分析在重联区两个连续出现的通量管中的核心场,认为通量管核心场是由之前存在的当地背景场By压缩形成,具有与背景场By相同的方向：研究了在磁尾观测到的多个地向传播的偶极化锋面,分析了锋面的动力学结构和波动特性,发现锋面是一个薄电流片,具有离子回旋尺度,锋面处能量主要通过电子耗散掉,锋面上有强电场且伴随有很强的电场增强。在锋面区域发现有很强的波动,包括在离子回旋频率附近的低频波动和高频哨声波,并分析了这些波动的激发机制和对锋面的影响。根据偶极化锋面的形态特征,我们分析了三个典型锋面事件,得到锋面在晨昏方向的尺度,发现三个事件的晨昏尺度约为3.2RE,远大于BBF的晨昏尺度和之前估算的一个DF事件的尺度；报道了在近地重联区域附近陡峭的负偶极化锋面的卫星实地观测。该锋面在Bz快速降低前有一个短暂的增长,和地向流中正偶极化锋面刚好相反。我们详细分析其结构、波动和粒子特征。本论文的第四章是关于在不同区域和不同尺度的湍流研究。首先我们研究了较大导向场的高速重联jet的湍流特征,发现磁场频谱在低频惯性区满足Kolmogorov谱f-5/3,在耗散区是陡峭的频谱f-28。湍流在小于质子尺度是间歇性的。湍流在波矢空间是准2D的,其实测的色散关系满足通过Vlasov动力学理论计算出来的Alfven-whistler模。由湍流提供的反常电阻产生的电场接近典型的磁尾重联电场,且远大于没有导向场时估测电场。然后,我们研究了太阳风湍流在离子尺度的特征,统计结果表明湍流在波矢空间是强各向异性的,Alfven-whistler波模在太阳风湍流中占主导作用。从k频谱中发现在离子回旋尺度附近有明显的拐点,在惯性区和耗散区之间存在一个转换区。最后,我们利用Cluster卫星SCM仪器测量的高分辨的数据研究电子尺度湍流。我们选取了10年SCM仪器在BM时的太阳风事件,统计结果发现大量的频谱在电子回旋半径的Doppler平移频率fρe有明显的拐点。幂谱拟合结果表明在fρe以下谱指数有比较窄的分布,且中心约在～-2.8附近,而在频谱拐点之上,谱指数的分布更广,峰值约在-3.8处,符合理论和模拟的预测；我们选取了6年的磁鞘观测事件,对磁鞘电子尺度湍流谱进行了统计研究,结果清晰地证实了地球磁鞘湍流在电子回旋尺度存在清晰的拐点,且在电子回旋尺度之下有新的幂谱,谱指数为～-5.24。这些统计工作揭示了湍流在电子尺度普遍特性。结合观测到的比较广的谱指数分布,以及先前的观测,表明在电子尺度湍流的频谱可能不存在普适性。本论文第七章是对全文的总结和对将来工作的展望。