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1955年-1959年，刘振兴主要从事近地层大气物理研究，在这期间进行陆面蒸发量、近地大气湍流结特性和我国西北风沙问题的研究，主要结果在当时的《科学纪录> 和气象学报上发表。1959年-1961年，他开展了火箭和卫星对高层大气探测的研究，提出一个新的流星理论和气体动力学区域划分方法，主要结果在中国科学和地球物理学报上发表。1961年以后，开始进行行星际物理和磁层物理研究。他在磁层物理一些重要的前沿领域作出了系统性的创新成果，主要内容包括：地球辐射带理论，太阳风湍流结构，木星磁层磁盘模式，极光区粒子加速机理，磁层亚暴过程和磁层磁场重联理论等。他在国内外学术刊物上发表论文160余篇，合作编著书六部。