影响卫星故障的空间天气分析

基于美国国家地球物理数据中心(NGDC) 2384例和中国19颗卫星的263例卫星故障信息, 结合1963-2012年小时平均的多种空间环境数据, 定量分析了三种卫星故障发生期间的空间要素特征, 探讨单粒子锁定(SEU)、表面充电致静电放电(ESD)和内部深层充电所致电子引起的电磁脉冲(ECEMP)与空间天气事件的可能联系, 得出以下主要结论. (1)大部分SEU和ECEMP发生于空间天气平静时, 但在其前后3日内地磁活动达到了磁暴水平, 相对来说比例最大的发生在Dst_min之后第3日 (48～72h). (2) ESD受地磁活动和高能电子通量影响明显. 与磁暴、相对论电子通量增强事件的季节性相对应, 两分点附近ESD和ECEMP的发生率高; 93.6% 的 ESD发生前后72h内地磁活动达到磁暴水平, 故障发生时间均匀分布在 Dst_min前0～48h 和后0～24h; 54.9%的ESD 发生时处于地磁暴期(Dst <-30nT), 以-50～-30nT的小磁暴水平居多; 40.6%的ESD发生于高能电子通量高水平期(≥ 103pfu, 1pfu =1cm-2·s-1·sr-1), 81.9%的ESD发生前后72h 内高能电子通量峰值≥ 103pfu, 发生率最高时段为电子通量峰值前 48～72h. (3)高能电子对中国同步轨道卫星的SEU影响明显, 42.5% 故障发生 时高能电子通量≥ 103pfu, 故障在峰值前48～72h和峰值后48～72h 的发生概率相当, 约为23.0%. (4)同步轨道卫星SEU受太阳质子事件的影响相对较大, 22.5%的中国同步轨道卫星故障发生前后72h内发生了太阳质子事件, 季节性不明显.      

由太阳爆发事件特征预报地磁暴方法研究

CME是非重现性地磁暴的诱因,通过对太阳耀斑爆发活动的特征与可能引起地磁活动的CME进行统计分析,发现太阳耀斑的强度、位置、持续时间以及耀斑所伴随的太阳质子事件和行星际高能质子通量的增长与CME的特征及可能产生的地磁扰动有着密切的关系.在对数据分析的基础上,建立了基于人工神经网络的预报模式,对太阳耀斑爆发活动所引起的地磁扰动的发生及Ap指数进行了预报,取得了较好的结果.      

第23至24周太阳质子事件的统计特征

第23至24太阳活动周（1997-2016年）期间太阳质子事件的强度统计分析表明,1997-2016年期间总共发生了128个太阳质子事件,其中峰值通量范围为10~99pfu,100~999pfu,1000~2999pfu及>3000pfu的事件分别占55.15%,27.94%,9.56%,7.35%.太阳质子事件的不对称性分析表明,不同强度太阳质子事件东西不对称性的程度不相同,其中1000~2999pfu事件的不对称性最强,而3000pfu以上事件的不对称性最弱.第23周期间,太阳质子事件主要发生在太阳活动周两个峰值之间和最大峰值之后的时段,而第24周太阳质子事件主要发生在太阳活动周最大峰值之前.      

SMY和第21太阳周期间地磁及太阳活动特点的分析

本文比较第17—21太阳周黑子数、地磁A_p指数、各周极大年≥2级耀斑数、磁暴数及第一、二、三大磁暴情况;分析了≥2级耀斑数及磁暴的分布。21周3级耀斑对应磁暴比例低于19、20周,Ⅳ型及米波射电爆发是产生磁暴的重要条件。进一步分析了21周最大磁暴、最大射电爆发引起的磁暴,最严重的电离层短波通讯干扰及有明亮物质抛射的大耀斑、双带大耀斑引起的磁暴等典型例子。最后对SMY期间22个无黑子耀斑作了分析,它们可能引起中小幅度的磁暴。      

基于PCA方法对太阳活动区主要参量的分析

太阳耀斑与太阳质子事件的发生通常与太阳活动区存在非常密切的关系, 对这种关系的深入分析有助于太阳耀斑和太阳质子事件预报模型的建立. 本文利用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法对1997-2010年太阳质子事件所在活动区的主要参量进行分析, 选取的参量包括黑子磁分类、 McIntosh分类、太阳黑子群面积、10.7 cm射电流量、耀斑指数、质子耀斑位置和软X射线耀斑强度. 结果得到81个太阳活动主成分得分值排序(得分值代表每个事件的强弱), 与太阳质子事件峰值流量、太阳黑子年均值以及10.7 cm射电流量年均值的对比显示相似度非常高, 表明主成分得分值一定程度上可以反映太阳活动的强弱规律.      

基于机器学习方法对23太阳活动周质子事件的研究

在耀斑伴随日冕物质抛射（CME）事件编目数据的基础上,进行太阳质子事件（SPE）匹配,构建研究数据集.利用Apriori算法挖掘SPE与耀斑级别、耀斑发生日面位置以及CME角宽度和速度的关联关系.结果表明:X级耀斑、全晕CME、高速（>1000km·-1） CME和日面西半球耀斑是最可能伴随质子事件的4种特征,其诱发质子事件概率依次为0.366,0.355,0.30,0.155.角宽度低于120°或速度低于400km·-1的CME产生质子事件的概率为0.高速CME产生质子事件的概率是低速（400～1000km·-1） CME的8.6倍,X级耀斑产生质子事件的概率是M级耀斑的6.2倍,日面西部耀斑产生质子事件的概率是日面东部耀斑概率的3.9倍,全晕CME产生太阳质子事件的概率是非全晕（120°～360°） CME的3.8倍.对太阳质子事件样本进行过采样处理,利用随机森林等5种典型有监督学习算法,构建了基于第23太阳活动周耀斑和CME特征的质子事件预测模型.结果表明,该预报模型的质子事件预测准确率、精确率和召回率均控制在91%以上.      

重返月球,该如何应付太阳磁暴

今年1月20日15时左右，太阳发生一次X7．9级的耀斑爆发(俗称太阳风暴或太阳磁暴)。这是继16日、17日、19日太阳连续几次发生X级(太阳耀斑爆发从小到大可分为A、B、C、M、X五级，以X级为最强)耀斑爆发后的又一次大爆发。这也是15年来太阳发生的级别最高的太阳磁暴。受此次太阳耀斑爆发的影响，世界上许多地方通信、广播、     

太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件关系的两个事例

太阳高能粒子事件常伴随太阳耀斑和日冕物质抛射事件(Coronal Mass Ejections,CME)出现,由于太阳高能粒子事件的关键因素是双CME的相互作用,利用SOHO卫星观测的高能粒子强度、耀斑强度以及CME的相对高度与时间,通过高度与时间拟合得到的速度,分析了2001年4月15日和2005年1月20日的太阳高能粒子事件强度与相关双CME事件的关系,发现这两个太阳高能粒子事件中E ≥ 10MeV质子的强度与双CME事件无关.因此在这两次太阳高能粒子事件早期,E ≥ 10MeV质子的强度只与相关太阳耀斑和CME有关.      

利用神经网络预报太阳质子事件后的地磁扰动

通过分析几十个典型太阳质子事件表明,具有以下特征的质子事件其后1－3天内一般有强烈地磁扰动发生：1．质子耀班级别和亮度较大（3B以上）;2．质子通量在上升阶段增加很快,而在下降阶段相对来说衰减也很快（尤其是在峰值附近）;3．电子通量远远大于质子通量并且和质子通量有相似的变化规律．在此基础上,利用神经网络预报太阳质子事件发生后3天内地磁扰动的趋势．     

太阳质子耀斑X射线辐射特征及质子事件警报

太阳质子耀斑X射线辐射特征的研究, 为太阳质子事件的警报提供一个重要的途径和方法。本文分析了第21周太阳活动峰年(1977—1986)期间质子耀斑和相应的GOES和SMM卫星观测的X射线辐射资料, 结果表明:大部分质子耀斑的硬X射线峰值流量F_HX≥104s/c;积分流量F₀≥106counts;硬X射线辐射到达峰值时间T_R≥100s;持续时间T_D≥103s;X光子最高能量E_x≥300keV;平均能谱指数√r≤3.5;高能时延T_L≥10s。利用这些X射线暴的特征参数, 对第21周峰年大质子事件作警报检验, 结果是:报准率为94％, 虚报率为40％。      

1997-2003年太阳质子事件源区的卡林顿经度分布

分析了1997-2003年期间的59个太阳质子事件,太阳质子事件源区的卡林顿经度带.分析结果表明,质子事件源区主要集中在10°-45°,135°-155°,180°-215°,230°-260°,265°-310°,345°-360°,还有4个质子耀斑分散在72°,74°,93°和107°上.其中最强的活动卡林顿经度带的经度范围是265°-310°,次之为卡林顿经度带135°-155°,最弱的是卡林顿经度带180°-215°最强的活动经度是卡林顿经度272°.1997-2003年期间峰值通量大于100 pfu,质子耀斑南半球发生次数为18,北半球发生次数为10;同一活动经度上的质子事件具有重现的规律,重复出现的时间间隔短的为27天,长的超过4年.     

太阳质子事件警报

采用人工神经网络预报方法,利用太阳耀斑的日面位置、X射线辐射的峰值流量及其上升时间、2695MHz和8800MHz微波辐射的半积分流量等5个物理参量,提出了一个新的太阳质子事件警报方案,预报太阳质子事件的发生及其流量和时间．该方案在本文检验中达到93．75％的预报准确率．     

太阳质子事件与太阳耀斑的关系

通过对0°W-39°W,40°W-70°W,71°W-90°W经度范围内太阳质子事件与太阳耀斑的相关性计算分析,发现太阳质子事件与太阳耀斑的相关系数依赖于经度.太阳耀斑积分与地球磁链接区域（40°W-70°W）太阳质子事件强度的相关系数最大.相关系数的这种特点与耀斑加速粒子的最大流量只出现在磁链接区域的特征相吻合.计算结果表明,太阳耀斑对太阳质子事件具有贡献,即耀斑对E ≥ 10MeV的质子加速有贡献.耀斑和CME在磁链接区域对太阳质子事件的贡献相同,这说明太阳质子事件是混合型事件.      

一种新的太阳质子事件警报方法的探讨

本文分析了第21太阳活动周后半期的太阳质子耀斑硬X射线辐射资料, 发现它们的峰值流量、积分流量、上升沿斜率、X光子的最高能量和持续时间等物理参数之间有着不同于非质子耀斑的相关性。据此, 本文采用模糊聚类分析法, 对21太阳活动周期间(1980.2—1986.2)的质子事件进行预报试验。其报准率为88.5%, 虚报率为53.1%, 漏报率为11.5%。本文提供了基于X射线辐射特征的太阳质子事件警报的新途径和方法。      

X级质子耀斑的特征研究

为了更加准确地判断X级耀斑是否引发质子事件,对X级质子耀斑和非质子耀斑的耀斑积分通量、源区、CME速度、CME角宽度、背景太阳风速度及背景X射线通量的分布进行了统计研究.发现非质子耀斑和质子耀斑的积分通量、经度、CME速度和CME角宽度具有明显不同的分布.非质子耀斑大多集中在东部,耀斑积分通量小于0.3J·m-2,CME速度小于1300km·s-1的区域内;质子耀斑大多集中在中部或西部,耀斑积分通量大于0.3J·m-2,CME速度大于1300km·s-1的区域内.质子耀斑伴随的CME角宽度主要集中在360°,非质子耀斑的CME角宽度分布则相对分散.两类耀斑的背景太阳风速度和背景X射线通量分布差别不大.利用两类耀斑各个参量分布上的差异,有望提高X级耀斑预报的准确率.      

太阳X射线耀斑特征参数预报方法研究

太阳耀斑是重要的空间天气事件, 有关太阳耀斑参数的预报对于电离层突然骚扰(SID)影响的评估具有实用意义. 本文采用GOES-8卫星上第23太阳周软X射线通量的数据, 通过数值拟合的方法对X级耀斑强度的峰值以及X级耀斑的结束时间进行预测. 利用这种方法对第23太阳周中的X级耀斑进行分析, 最多可以提前17min预测出X级耀斑的峰值, 在预测X级耀斑结束时间时, 预测的X级耀斑结束时间最多可以提前60min左右, 从预报结果来看, 预报方法具有一定的有效性和实用性.      

神经网络方法在太阳质子事件短期预报中的应用

在大量统计结果的基础上,深入研究了太阳质子事件预报机理．总结了质子事件爆发与太阳活动区面积、位置、McIntosh结构、磁结构以及前两天活动区爆发耀斑事件数目之间的关系．然后,在神经网络的基础上建立了太阳质子事件短期预报模型,并对2000年以后12个未参加训练的样本进行测试,结果对事件预报的准确率为83％．此外,我们还利用该模型对2002年1-4月发生的几次质子事件进行了预报试验,结果发现,这期间发生的6次事件都被预报．其中3次质子事件系统预报提前了3天,两次事件预报提前了2天,一次事件提前1天预报．     

太阳X射线耀斑活动区的一些特征

对ISEE-3人造卫星在1980年5月—1981年8月中,观测到的48个X射线耀斑进行了分析,发现其中有1/3是在6个活动区中重复爆发的.研究这部分X射线耀斑的物理性质与所在活动区的黑子面积、活动区类型及磁结构的关系,得到了一些结果:(1)发生在同一活动区中的X射线耀斑,其硬X射线峰值积分流量及谱硬度与活动区黑子面积成正相关;(2)多次爆发X射线耀斑的活动区全部具有δ型磁结构;(3)发生在不同活动区中的X射线耀斑,其物理特征与所在活动区的面积大小无明显关系.由此可以认为,活动区磁场梯度的大小,亦即活动区电流的大小,在爆发耀斑的过程中具有决定性作用.此外,还用电流环模型从理论上讨论了上述特征.     

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。     

太阳质子通量模型研究

太阳质子事件对航天活动构成重要威胁, 预测一定时期内太阳质子通量对航天器抗辐射加固设计有重要的指导意义. 在第20至23太阳活动周的太阳质子事件数据统计分析的基础上, 建立了一个针对 E>10 MeV和 E>30 MeV太阳质子通量的新模型. 新模型与目前航天工程中常用的JPL模型相比较, 引入了太阳活动性对质子事件发生概率的影响因素, 能够评估不同太阳活动水平下的质子通量, 其结果更符合质子事件的分布特征.