太阳极紫外辐射对热层大气密度的影响

对2001-2021年SOHO卫星的极紫外辐射测量数据,以及CHAMP,GRACE-A和SWARM-C卫星资料推导出的高分辨率大气密度数据进行统计分析,发现大气密度与极紫外测量值的相关系数大于密度与F10.7指数的相关系数,证实极紫外辐射在不同地方时的影响程度存在显著差异,从而驱动大气密度的周日变化。利用三颗卫星的高度差异揭示极紫外辐射对大气密度的加热效应在350～500 km范围随着高度增加而减弱。统计得到极紫外辐射影响在地方时和纬度上的空间差异：对夏季半球的影响大于冬季半球;在白天,对中纬度地区的影响高于赤道和高纬度地区;在夜间,密度对辐射的斜率在夏季半球高纬度地区存在峰值,在冬季半球中纬度存在谷值,模型DTM2000和NRLMSISE00未能准确刻画。为了改进经验模型,提出基于球谐函数的拟合方法,优于主流模型周日效应采用的表达式,对周日效应建模和修正提供有益借鉴。利用昼夜间能量传输和热层大气经向环流机制探讨了统计结果的物理机制。     

地球同步轨道高能电子通量预报方法研究

统计分析了GOES卫星测量得到的E > 2MeV能道电子通量与地磁Ap指数及太阳风数据的关系, 构建了基于径向基函数RBF的神经网络模型框架, 对GOES-12卫星所处的地球同步轨道高能电子通量进行提前1天的预报, 其对2008-2010年数据预测的效果较好. 另外, 发现在GOES-12卫星观测的E >2MeV能道高能电子达到108 cm-2·d-1·sr-1以上时, FY-2D卫星的测量数据同时达到108 cm-2·d-1·sr-1以上的比例达到90%左右. 通过对FY-2D卫星E >2MeV能道电子通量与GOES卫星E>2MeV电子通量的相关性分析, 建立了FY-2D卫星高能电子预报模型, 预报结果与实测通量符合较好.      

太空新航线

<正>"猎鹰"9发射美深空气候观测卫星2月11日,太空探索技术公司的"猎鹰"9-1.1(R)型运载火箭在卡纳维拉尔角空军站发射了美国国家海洋与大气管理局(NOAA)的"深空气候观测台"卫星,但原定再次进行的第一级火箭海上漂浮平台着陆试验因海况不佳而被取消,改为在海面上着陆。"深空气候观测台"是NOAA、NASA和美国空军的联合项目,是一颗空间天气与地球科学卫星。卫星重570千米,将部署到距地球约150万千米的日地第一拉格朗日点(L1),用于开展至少2年的空间天气和太阳风监测,对来袭的太阳暴发活动进行预警,可为可能受     

利用转移熵研究引起磁暴扰动的太阳风参数重要性排序

磁暴是重要空间天气灾害性事件，能够影响卫星的安全在轨运行和地面电网系统等。目前，对于太阳风–磁层相互作用的研究多集中在分析相关系数的线性关系，而基于信息论的转移熵可以提供强大的无模型有向统计量，可用来分析传统相关性分析和模型假设检测不到的非线性关系。本文利用转移熵的方法，研究了磁暴期间的太阳风驱动参数。利用第23和24太阳活动周的小时精度数据进行长时间尺度分析，发现太阳风向地磁的信息传递呈双峰分布，表现出与太阳活动水平的一致性。利用2010-2018年93个地磁暴期间的分钟精度数据进行短时间尺度分析，结果表明：行星际电场(E)和行星际磁场南向分量(B z)对地磁指数Sym-H在时间延迟为60 min时信息传递较强，而太阳风速度v_{s w}、温度T _sw、数密度D_sw、磁场B和动压P_sw对Sym-H指数的信息传递较弱。上述研究结果能够为太阳风–磁层相互作用的建模提供参数选择及确定预测范围的依据。     

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.      

基于紫外极光图像的极光电集流指数模型

极光电集流指数AE是描述地磁亚暴强弱的重要指标,且与极区磁层扰动及极光粒子沉降过程密切相关。因此,建立更加准确的极光电集流指数模型对空间天气的研究具有重要意义。利用1997年POLAR卫星紫外极光图像数据探究了紫外极光图像中极光强度IAP的空间分布与AE指数在不同季节的相关性,并在此基础上提出了基于紫外极光图像的AE指数模型。以网格化方法提取极光强度空间分布特征,采用广义回归神经网络,通过相关系数法和方差选择法构建Cor-GRNN和Var-GRNN两种AE指数模型,并针对冬至月份、夏至月份、分点月份3个季节分别进行训练。研究结果表明,AE指数与IAP具有相似的半年变化趋势,其相关性在不同季节差异较大。相比于太阳风驱动下的AE指数神经网络预测模型,基于极光图像的AE指数模型在ERMS和R2标准上均优于其他模型,其中归一化ERMS小于0.1,模型对于AE指数变化的可解释度提升了10%左右。     

利用HRDI/UARS资料分析东亚区域中层大气纬向风气候特征

利用美国高层大气研究卫星(UARS)搭载的高分辨率多普勒测风仪(HRDI)获得的中层大气风场观测资料,对东亚区域中层大气纬向风的垂直分布与变化特征进行了分析研究.多年平均结果显示东亚区域中层大气纬向风具有显著的区域特征,与当前普遍使用的参考大气CIRA-86相比存在显著的不同.在冬季,东亚区域中间层西风急流中心位于25°-35°N之间的75 km高度,与CIRA-86相比,该中心纬度偏南5°,高度偏高10 km;在秋季,东亚区域低热层高度存在一个显著的从赤道到高纬度的东风带,而CIRA-86不存在.分析结果还表明,除了夏季中纬度地区,在东亚区域上空中高层大气各高度上均存在相当显著的区域尺度扰动结构.在热带,低热层高度纬向风无论冬夏,沿纬圈方向都表现出相当显著的不均匀性,夏季这种不均匀性进一步向下扩展到55 km高度.与上述热带扰动特征相比,中纬度地区夏季的纬向风在各个高度沿纬圈相当均匀,但是在冬季,中间层和低热层高度都存在沿纬圈方向显著的纬向风扰动结构.      

VLF波从大气层到低电离层的传输特性分析

基于传播矩阵法计算了均匀半空间电离层的反透射系数, 同时解Booker复系数四次方程得到电离层的复折射指数, 分别研究了电离层反射透射系数及折射指数随VLF频段入射电波频率、入射角和地磁倾角、电离层电子浓度及碰撞频率的变化规律. 计算结果表明, 在VLF频段, 垂直电偶极子辐射的横磁(Traverse Magnetic)波更易透射进入电离层, 而水平电偶极子辐射的横电(Traverse Electric) 波易被限制在地-电离层波导内来回反射. 电离层电子密度较低时 (如夜间), 在高纬度地区, 观测到地震电离层VLF异常的概率更大. 当考虑地磁场 的影响时, 电离层将允许地震辐射的超低频(Ultra Low Frequency ,ULF)/甚低频 (Very Low Frequency, VLF)部分的电磁波透射进入电离层, 这一点已有很多卫星观测事实为证, 但其进一步的物理机制尚需深入研究.      

基于SABER的平流层顶温度的时空特征分析

利用SABER探测器2002—2017年超过一个太阳活动周的数据,以大气垂直方向上40～60km的最大温度作为平流层顶温度（T_sp）,分析50°S—50°N T_sp的时空分布特征.结果表明:T_sp具有明显的纬度特征和季节特征,在赤道和南北半球夏季温度较高,而在南北半球冬季的40°—50°纬度附近温度有最低值.再利用EOF方法分析T_sp,发现其第一模态的解释率达91%,且时间系数与平流层顶高度相关性最大,为-0.75,与平流层顶臭氧体积混合比相关性约0.49,与日地距离相关性为0.44,与太阳活动性（太阳活动指数,太阳黑子数）的相关性约0.33.依据该相关关系,进一步分析各变量原始场,发现T_sp和平流层顶臭氧体积混合比的纬度变化近似相反;与日地距离的季节变化有明显的负相关,约-0.81,且这种相关性与日地距离有弱的正相关关系;年平均T_sp在2002—2017年的变化约为2K,与F_10.7的相关系数为0.6,在南北纬20°附近与太阳活动指数F_10.7的相关性最大,约0.74.      

利用多卫星观测CIR事件演变的统计分析

根据2007-2009年STEREO-BEHIND (STB)和ACE卫星的行星际磁场和太阳风数据, 基于冕洞高速流从太阳向外匀速径向传输假设, 讨论了随着STB和ACE卫星与太阳之间的夹角从0°增大至70°时, 冕洞发出的高速太阳风形成的相互作用区(CIR)依次扫过STB和ACE卫星的时间差特性, 并统计分析了两颗卫星观测到的CIR参数的变化特征. 结果显示, 可以利用STB对CIR事件的观测来预测这个CIR事件到达ACE的理论时间, 时间误差均值和最大值分别为0.217d和0.952d, 时间误差的产生与STB和ACE卫星观测到的CIR速度大小的不同有关, 用速度差异矫正后, 时间误差的平均值和最大值可分别减小为0.194d 和0.489d; STB和ACE卫星观测的CIR事件太阳风速度最大值的线性相关系数达到了0.84, STB和ACE卫星观测到的CIR事件对特征物理量中速度、质子温度的变化最小, 而质子密度及总压力的变化最大. 分析结果表明, STB和ACE卫星观测到的CIR事件有很强的相似性, STB卫星的CIR观测可以作为ACE卫星观测CIR事件特征的参考, 从而为地球空间环境扰动预报提供依据.      

ACE和STEREO-B太阳风速度的统计分析

采用小波分析方法讨论了2008—2011年ACE和STEREO-B卫星太阳风速度的27天周期特性,运用一元线性回归分析方法计算了两颗卫星太阳风速度的线性表达式,分析和计算结果表明,ACE和STEREO-B卫星探测到的太阳风速均在8～16d,16～32d的频域尺度上较为显著,在局部相同时域上,二者太阳风速的27天周期均较为显著;当太阳活动为低年时,相关性好. 作为应用实例,使用STEREO-B卫星太阳风探测数据,预测2012年10月1—17日的ACE太阳风速度,结果表明,预测值与实测值趋势一致,CME过程对预测值有一定影响. 通过本项研究,初步统计出了ACE与STEREO-B太阳风速度的关系,利用STEREO-B能够提前数天监测到即将由太阳吹向地球的太阳风特性,为建立直观的重现型地磁暴中期预报模型奠定了基础.      

冕洞特征参数与地磁暴强度及发生时间统计

地磁暴是空间天气预报的重要对象.在太阳活动周下降年和低年，冕洞发出的高速流经过三天左右行星际传输到达地球并引发的地磁暴占主导地位.目前地磁暴的预报通常依赖于1AU处卫星就位监测的太阳风参数，预报提前量只有1h左右.为了增加地磁暴预报提前量，需要从高速流和地磁暴的源头即太阳出发，建立冕洞特征参数与地磁暴的定量关系.分析了2010年5月到2016年12月的152个冕洞-地磁暴事件，利用SDO/AIA太阳极紫外图像提取了两类冕洞特征参数，分析了其与地磁暴期间ap，Dst和AE三种地磁指数的统计关系，给出冕洞特征参数与地磁暴强度以及发生时间的统计特征，为基于冕洞成像观测提前1～3天预报地磁暴提供了依据.      

太阳风对流效应对CME渡越时间的影响

基于Gopalswamy预报日冕物质抛射（CME）渡越时间的经验模型,选取1996-2007年间52个与地磁效应Dst<-50nT相关的CME事件以及10个引起特大磁暴（Dst<-200nT）的CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风观测资料,分析背景太阳风对流效应对CME到达1AU处渡越时间预报的影响.对于52个CME事件,考虑太阳风对流效应的影响后,预报的标准偏差由16.5h降为11.4h,修正后的误差分布趋向于高斯分布,并且68%事件的预报误差小于15h.对于10个引起特大磁暴的CME事件,考虑太阳风对流效应的影响后,预报的标准偏差由10.6h降低到6.5h,其中6个事件的预报误差小于5h.研究结果表明,对于CME事件,考虑背景太阳风对流效应的影响可以降低预报CME渡越时间的标准偏差,说明太阳风对流效应对预报CME事件渡越时间具有重要作用.      

单流体二维太阳风结构的磁流体力学模拟

在添加动量项的条件下，对单流体二维磁流体力学方程组进行模拟，得到了子午面上的太阳风结构，结果表明，添加动量项的形式及其被加入的位置对远区太阳风速度和质子密度有重要的影响。本文在适当的区域加入合适的动量项得出了远区太阳风速和质子密度与Ulysses观测基本符合的结果。文中给出了较合适的动量添加区域为3.5-10Rs(Rs为太阳半径）。     

Effects on winter circulation of short and long term solar wind changes

Indices of the North Atlantic Oscillation and the Arctic Oscillation show correlations on the day-to-day timescale with the solar wind speed (SWS). Minima in the indices were found on days of SWS minima during years of high stratospheric aerosol loading. The spatial distribution of surface pressure changes during 1963–2011 with day-to-day changes in SWS shows a pattern resembling the NAO. Such a pattern was noted for year-to-year variations by Boberg and Lundstedt (2002), who compared NAO variations with the geo-effective solar wind electric field (the monthly average SWS multiplied by the average southward component, i.e., negative Bz component, of the interplanetary magnetic field). The spatial distribution of the correlations of geopotential height changes in the troposphere and stratosphere with the SWS; the geo-effective electric field (SWS∗Bz); and the solar 10.7 cm flux suggests that solar wind inputs connected to the troposphere via the global electric circuit, together with solar ultraviolet irradiance acting on the stratosphere, affect regional atmospheric dynamics.     

Statistical properties of the IMF clock angle in the solar wind with northward and southward interplanetary magnetic field based on ACE observation from 1998 to 2009: Dependence on the temporal scale of the solar wind

Utilizing ACE satellite observations from 1998 to 2009, we performed the elaborate study on the properties of the clock angle θ_CA (arctan(By/Bz) (?90° to 90°) of the interplanetary magnetic field (IMF) in the solar wind at 1?AU. The solar wind with northward IMF (NW-IMF) and southward IMF (SW-IMF) are analyzed, independently. Statistical analysis shows that the solar wind with SW-IMF and NW-IMF has similar properties in general, including their durations, the IMF Bz and By components, and the IMF θ_CA. Then, the solar wind with NW-IMF (SW-IMF) is classified into five different temporal scales according to the duration of the NW-IMF (SW-IMF), i.e., very-short wind of 10–30?min, short-scale wind of 0.5–1?h, moderate-scale wind of 1–3?h, long-scale wind of 3–5?h, and super-long wind >5?h. Our analysis reveals that the IMF θ_CA has a distinct decrease with increase of the temporal scale of the solar wind. Next, the solar wind is classified into two groups, i.e., the high-speed solar wind (>450?km/s) and the low-speed solar wind (<450?km/s). Our analysis indicates that the IMF θ_CA depends highly on the solar wind speed. Statistically, high-speed solar wind tends to have larger IMF θ_CA than low-speed solar wind. The evolutions of the solar wind and IMF with the solar activity are further studied, revealing no clear solar variation of the IMF θ_CA. Finally, we analyze the monthly variation of the IMF θ_CA. Superposed epoch result strongly suggests the seasonal variation of the IMF θ_CA.     

冕洞特征参数与重现型地磁暴关系的统计研究

在提取冕洞特征参数的基础上,利用1996年到2005年8月近十年来对地磁扰动有影响的356个冕洞事例,定量分析了冕洞特征参数(包括冕洞的面积比、经纬度跨度等)与冕洞高速流特征、重现型地磁扰动特征(包括扰动大小和持续时间等)之间的相关性,研究发现,从引起地磁扰动的冕洞在整个太阳活动周的分布来看,在地磁扰动峰年中冕洞影响同样具有重要的贡献;冕洞高速流太阳风速度与地磁扰动强度之间存在较强的相关性,而高速流中太阳风速度与冕洞面积比关系不大,与冕洞亮度存在一定相关性;冕洞的经度跨度与地磁扰动持续时间存在很强的正相关性.      

Solar orbiter, a high-resolution mission to the sun and inner heliosphere

The scientific rationale of the Solar Orbiter is to provide, at high spatial (35 km pixel size) and temporal resolution, observations of the solar atmosphere and unexplored inner heliosphere. Novel observations will be made in the almost heliosynchronous segments of the orbits at heliocentric distances near 45 R and out of the ecliptic plane at the highest heliographic latitudes of 30° – 38°. The Solar Orbiter will achieve its wide-ranging aims with a suite of sophisticated instruments through an innovative design of the orbit. The first near-Sun interplanetary measurements together with concurrent remote observations of the Sun will permit us to determine and understand, through correlative studies, the characteristics of the solar wind and energetic particles in close linkage with the plasma and radiation conditions in their source regions on the Sun. Over extended periods the Solar Orbiter will deliver the first images of the polar regions and the side of the Sun invisible from the Earth.     

On the time lag between solar wind dynamic parameters and solar activity UV proxies

The solar activity displays variability and periodic behaviours over a wide range of timescales, with the presence of a most prominent cycle with a mean length of 11 years. Such variability is transported within the heliosphere by solar wind, radiation and other processes, affecting the properties of the interplanetary medium. The presence of solar activity–related periodicities is well visible in different solar wind and geomagnetic indices, although their time lags with respect to the solar cycle lead to hysteresis cycles. Here, we investigate the time lag behaviour between a physical proxy of the solar activity, the Ca II K index, and two solar wind parameters (speed and dynamic pressure), studying how their pairwise relative lags vary over almost five solar cycles. We find that the lag between Ca II K index and solar wind speed is not constant over the whole time interval investigated, with values ranging from 6 years to $～$1 year (average 3.2 years). A similar behaviour is found also for the solar wind dynamic pressure. Then, by using a Lomb-Scargle periodogram analysis we obtain a 10.21-year mean periodicity for the speed and 10.30-year for the dynamic pressure. We speculate that the different periodicities of the solar wind parameters with respect to the solar 11-year cycle may be related to the overall observed temporal evolution of the time lags. Finally, by accounting for them, we obtain empirical relations that link the amplitude of the Ca II K index to the two solar wind parameters.