高频Alfven波供能的日冕及太阳风模型

空间探测的最新结果表明，太阳大气中广泛存在小尺度喷发事件，这些事件被认为是由新浮现磁通量导致的小尺度磁重联的表现．小尺度磁重联同时会产生高频Alfven波．本文给出了建立在上述思想基础上的描述日冕加热及太阳风加速的时变二元流体模型的一组数值解，显示解的时间演化、收敛特性及守恒特性．在对由过渡区发出的高频Alfven波频谱的适当假设下，数值解能够解释日冕及太阳风等多方面的观测结果，包括日冕加热，极冕洞密度径向变化，太阳风近日冕底部加速，及在03AU观测到的高速流特征．     

WSA太阳风经验模型及其应用

Wang-Sheely-Arge （WSA）模型是对准稳态太阳风的经验和物理相结合的描述,其利用观测的日面磁图作为输入,可以提前3到4天预测L1点处的太阳风速度和行星际磁场极性.WSA模型是在WS模型的基础上经过若干改进形成的实时预报模式,之后又借鉴Distance from the Coronal Hole Boundary （DCHB）模型的参数,进一步改进了太阳风速度关系式,形成了目前常见的形式.WSA经验模型由日冕磁场模型、太阳风速度关系式和一维运动学模型三部分组成.在实际应用过程中,基本步骤包括观测磁图预处理、日冕三维磁场反演、计算日冕磁场参数、计算太阳风的速度分布和将太阳风映射到1AU等环节.在发展过程中,WSA模型经历了一些细节上的调整变化,例如观测磁图数据的来源、日冕磁场模型的类型、经验速度关系中自由系数的取值等.许多研究对如何改善模型的预报效果进行了探索.      

基于CPU/GPU的日冕偏振亮度并行计算模型

三维磁流体力学(MHD)数值模拟是用来研究日冕和太阳风最常用的方法之一, 其中将计算得到的日冕电子数密度转化为日冕偏振亮度(Polarization Brightness, PB)是与观测对比的重要方法. 由于待转换电子数据网格密度、PB数据网格密度和计算模型的复杂度, 使得日冕偏振亮度的计算比较耗时, 利用单CPU计算无法达到近实时转换日冕偏振亮度的要求, 从而影响了数值模拟的验证效率. 本文在CPU/GPU环境下, 利用CUDA编程技术, 提出了一个日冕偏振亮度并行计算模型. 实验结果表明, 该模型比CPU上的串行模型计算速度提高了31.86倍, 达到了近实时模拟与观测数据比对的计算要求.      

SIP-AMR-CESE模式对CR2055背景太阳风的模拟

使用三维太阳行星际自适应网格守恒元解元太阳风模型（SIP-AMR-CESE MHD）,模拟从太阳表面到地球轨道附近的太阳风.该模型使用六片网格技术,同时利用PARAMESH软件包实现网格自适应.在该模型的基础上,通过增加广义拉格朗日乘子（GLM）磁场散度误差消去方法,完善网格加密放粗判据,微调加速加热形式等方法,使模拟结果与观测更好地符合.另外,通过控制不同时刻的计算区域,显著提高了模型的计算效率.在此基础上,给出了模型改进后模拟得到的CR2055太阳风稳态解与观测的对比分析.      

一个基于观测的太阳风背景模型

建立由太阳光球磁场和日冕偏振亮度等观测约束的单流体太阳风模型,包括日冕和太阳风的等离子体密度、速度和磁场,温度还有待于以后处理.这里采用高山观测台(HAO)MKⅢ的日冕偏振亮度(pB)在1.36Rs上的观测概图,根据Guhathakurta在1996年发展的日冕电子密度反演模型确定日冕的电子密度分布.同时采用Wilcox太阳观测台(WSO)的光球磁场视向分量的观测概图作为底部边界,根据Zhao等在1994年发展的水平电流-电流片(HCCS)模型得到全球磁场.Phillips在1995年及McComas在2003年分别用Ulysses第一次和第二次跨极飞行的观测发现,归一化到1 AU的太阳风动量流密度除了在10°～30°的纬度范围内略低以外几乎不变.根据这一结论,结合已经得到的密度数据,就可以得到日冕和太阳风的速度.将上面的模型应用于1918卡林顿自转周稳态太阳风的研究,结果与太阳活动极小期的观测基本相符,但是与观测相比较低速高密度区偏大,因此密度模型还有待改进.      

高速太阳风中α粒子分布的形成

以多级波粒相互作用模型和1维电磁混合模拟方法研究了高速太阳风中α粒子分布的形成机制．认为α粒子从其产生区到1AU,经历4个特征区域：在冕洞下方的小尺度磁重联区,α粒子产生并得到加速：在约十几个太阳半径日冕区,α粒子形成球壳分布函数：在几十个太阳半径处,在Alfven波和温度各向异性不稳定性的作用下,α粒子分布函数演化为漂移Maxwell分布：当α粒子进入0．3－1AU时,Alfven波的作用使α粒子速度超过太阳风速度约1个局域Alfven速度．     

1998年5月日冕三维结构的数值模拟

采用三维理想磙流体力学（MHD）模式，内边界条件把二维投影特征线边界方法推广应用到三维计算，有效地稳定了数值计算并保证稳态解的自洽性；初始猜解磁场由1935卡林顿周光球磁场观测数据得到，这样计算得到的1998年5月份期间日冕三维结构比较符合实际，计算结果表明：（1）计算得到的源表面非径向磁场量值在磁中性线附近不超过2μT，表明源表面磁场基本径向。（2）模拟得到的源表面径向磁场量值除了在磁中性线附近的区域外变化不大，这和观测一致。（3）由源表面磁场按平方反比的规律计算出1AU处磁场量值更接近观测值。（4）计算得到的日冕结构和观测定性一致，三维数值模拟结果表明，日冕的三维大尺度背景结构主要是由磁场决定的，在闭磁场处或者电流片附近，太阳风的密度高，速度低；在开场区，太阳风的密度低，速度高。     

太阳－B观测卫星发现太阳风喷口

日本、美国和欧洲的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上报告说，他们借助太阳－B观测卫星发现了太阳上的太阳风喷口，以及可能与日冕加热现象有关的阿尔芬波。通过卫星传回的数据形成的分析图像，研究人员发现在太阳黑子上方闪耀着亮光的强磁场活动区域和日冕中气体较稀薄的冕洞区域的一个交界处，有约100万摄氏度的等离子流沿着呈放射状的磁力线，以140km／s速度喷出。     

2009年2月13日EUV波现象数值研究

结合STEREO卫星的观测和三维磁流体力学数值模拟方法, 采用WSO (Wilcox Solar Observatory)磁场数据和势场源表面模型建立日冕初始磁场, 并在日面活动区加上时变的压强扰动, 对2009年2月13日05:35UT爆发的CME-EUV波(Coronal Mass Ejections-Extreme Ultraviolet wave, 日冕物质抛射-远紫外波)事件进行研究. 从COR1/STEREO-A图像判断, 此次CME前沿速度约340km·s-1, 角宽度约60°; 分析EUVI/STEREO-B 195 ?的差分图像, 可以看到, 环形亮环波前从活动区向四周传播, 亮环波前后面是日冕暗化区, 取四个方向的波前位置进行线性拟合可知, 该EUV波速度为247km·s-1, 数值模拟得到的EUV波速度为245km·s-1, 将计算结果采用IDL可视化后可以看到明显的亮环和暗区结构, 数值模拟结果与卫星观测相一致, 表明该EUV波现象是快磁声波.      

无振荡、无自由参数格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用

从快速、有效地进行空间天气数值预报的需要出发,针对1998年5月份行星际太阳风暴事件,采用全三维流体力学(HD)模型进行数值试验,考察了无振荡、无自由参数(NND)格式在三维太阳风流动数值模拟中的应用.计算中内边界的密度分布由观测K日冕数据来确定,由此得到的源表面密度分布具有和源表面电流片相似的结构.数值试验表明: 虽然该格式不需要加入人工粘性,但是具有很好的计算稳定性.在扰动计算时激波间断耗散小,在三维任何方向上间断所占的网格数比较少,没有数值色散现象.      

背景太阳风数值模拟的熵守恒格式

背景太阳风研究是根据行星际扰动传播情况预测空间天气状况的基础,磁流体（MHD）模拟是背景太阳风研究的重要手段.采用一种新的数值计算方式,利用Ideal GLM-MHD将计算过程中产生的磁场散度以c_h的速度向计算区域外传播,从而消去磁场散度;重构部分使用受约束的最小二乘法,将磁场散度作为约束条件添加到重构中,进一步对重构后的磁场梯度进行修正;通量计算采用满足热力学第二定律的熵守恒格式,该格式能够确保在计算过程中熵不增,保证数值稳定.研究结果表明,该方法应用于太阳风数值模拟的求解得到了更加稳定的结果.      

Three-dimensional global simulation of multiple ICMEs’ interaction and propagation from the Sun to the heliosphere following the 25–28 October 2003 solar events

This study performs simulations of interplanetary coronal mass ejection (ICME) propagation in a realistic three-dimensional (3D) solar wind structure from the Sun to the Earth by using the newly developed hybrid code, HAFv.2+3DMHD. This model combines two simulation codes, Hakamada–Akasofu–Fry code version 2 (HAFv.2) and a fully 3D, time-dependent MHD simulation code. The solar wind structure is simulated out to 0.08 AU (18 Rs) from source surface maps using the HAFv.2 code. The outputs at 0.08 AU are then used to provide inputs for the lower boundary, at that location, of the 3D MHD code to calculate solar wind and its evolution to 1 AU and beyond. A dynamic disturbance, mimicking a particular flare’s energy output, is delivered to this non-uniform structure to model the evolution and interplanetary propagation of ICMEs (including their shocks). We then show the interaction between two ICMEs and the dynamic process during the overtaking of one shock by the other. The results show that both CMEs and heliosphere current sheet/plasma sheet were deformed by interacting with each other.     

How to address the accuracy of empirical magnetic field models?

Empirical magnetic field models are compared with high-altitude magnetic field measurements and results from an MHD simulation. Comparison of the T96 model and observations from GOES-8 and GOES-9 shows that if the observed solar wind and IMF parameters are used to compute the model field, the model field is more stretched than the observed field. On the other hand, if measurements made by one spacecraft are used to find the model parameters that give a best-fit field at that location, the RMS error can be reduced also at the other spacecraft four hours away in local time. Comparison of T96 model and MHD simulation results shows that the empirical models have a thinner current sheet than the MHD simulation, but that the lobe field values are quite similar to each other. Furthermore, a comparison of an event-oriented, modified T89 model and MHD simulation by Pulkkinen et al. [2000] reveals that if the empirical model is constructed by fitting to in-situ measurements, the resulting model is very similar to the MHD simulation magnetic field. These results indicate that an efficient method of utilizing the present-day empirical models is to select model parameters based on measurements from a few individual points.     

极端太阳风条件下的磁层顶位形

基于极端太阳风条件下的三维MHD数值模拟数据, 构建了一种极端太阳风条件下的三维非对称磁层顶位形模型. 所提出的模型考虑了行星际南向磁场(IMF) B_z日下点距离侵蚀的饱和效应, 太阳风动压B_d对磁层顶张角影响的饱和效应, 赤道面、昼夜子午面磁层顶的不对称性以及极尖区的内凹结构和内凹中心的移动, 并利用Levenberg-Marquart多参量非线性拟合方法拟合了模型参数. 数值模拟研究表明, 在极端太阳风条件下, 随B_d增大, 磁层顶日下点距离减小, 磁层顶磁尾张角几乎不变; 随南向(IMF)B_z增大, 磁层顶日下点距离略有减小, 磁层顶磁尾张角减小, 极尖区内凹中心向低纬移动. 通过对2010年8月1日太阳风暴事件验证发现, 本文所建立的模型能够描述极端太阳风条件下的三维磁层顶位形.      

Characterization of the slow wind in the outer corona

The study concerns the streamer belt observed at high spectral resolution during the minimum of solar cycle 23 with the Ultraviolet Coronagraph Spectrometer (UVCS) onboard SOHO. On the basis of a spectroscopic analysis of the O VI doublet, the solar wind plasma parameters are inferred in the extended corona. The analysis accounts for the coronal magnetic topology, extrapolated through a 3D magneto-hydrodynamic model, in order to define the streamer boundary and to analyse the edges of coronal holes. The results of the analysis allow an accurate identification of the source regions of the slow coronal wind that are confirmed to be along the streamer boundary in the open magnetic field region.     

一类TVD型组合差分方法及其在磁流体数值计算中的应用

根据太阳风数值模拟的特点，考虑到算法的质量（收敛速度、稳定性、精度等），结合磁流体数值计算的特性，对三维球坐标磁流体动力学（MHD）方程组中的流体部分采用一种修正Lax-Friedrichs差分法而对磁场部分采用MacComack格式，发展了一类快捷的具有TVD特性的组合数值新方法，作为格式的检验，在一维情况下，将其与PPM格式进行了比较，对一维快慢磁流体激波问题得到了与PPM格式精度相同的结果，然后将其诮到定态太阳风的数值模拟上，在不同等离子体β情形下，可得到理想的太阳风定态结构，为今后将此数值模式应用到具有复杂磁场位型或三维直实太阳风暴的数值模拟研究奠定了基础。     

Three Dimensional Simulation of the Steady Solar Wind in Carrington Rotation 1935

A three-dimensional MHD simulation is conducted to study the steady solar wind in Carrington Rotation (CR) 1935 by using the three-dimensional numerical magnetohydrodynamic (MHD) model introduced by Feng et al. The numerical results demonstrate that the neutral current sheet has two peaks and two valleys, which is consistent with the result of PFSS model at Wilcox Solar Observatory (WSO). The obtained proton number density at 2.5 Rs is of the same order of magnitude as the result estimated from K-coronal brightness during the CRs 1733-1742 in 1983made by Wei et al. The radial velocity profile along heliocentric distance is consistent with that of low solar wind speed deduced by Sheeley and Wang et al. However, it is not able to reproduce the fast-speed flow in coronal holes and slow solar wind in streamers because of oversimplified energy equation adopted in our model. Future efforts must be made to remedy this deficiency.      

磁场强度对日冕定态结构的影响

以二维ＭＨＤ模型及时变方法为基础,内外边界完整的设影特征线边界条件,考察了太阳日冕大气的定态结构随偶极场强度的变化情况。模拟结果表明：随着偶极场强度的增加,磁场对太阳风的约束增强,低纬闭磁场打开程度减少,高纬与低纬区速度差增加,并且在阿尔文马赫数为１的点附近达到最大,速度过度区变陡;随着日心距离增加,低纬区宽度减小,速度过渡区变陡,可定性解释Ｕｌｙｓｓｅｓ飞船的新观测事实。