奇异谱分析在太阳10.7cm射电流量中期预测中的应用

首次尝试利用信号处理技术奇异谱分析方法预测太阳活动低年未来27天太阳10．7cm射电流量．选取的预报试验时间段是2004年4月30日至5月30日,此试验期内太阳活动水平相对较低．在样本时间序列的构建上,吸取了相似周数据分析思路,采取的是23周实时观测数据与其相似周第20周下降年部分数据相结合的方式,既增加了样本长度又避开了太阳活动的活跃期．这31天的预报试验结果表明,大部分情况下,预报值基本上体现出F10．7的变化趋势,平均相对误差为10．5％;比同时期美国空军预测值的平均相对误差小,前者为11．3％,后者为14．6％;除两天外,SSA每一次27天的预报结果的平均相对误差比美国空军(AAF)的要小;对不同的时间提前量而言,AAF提前1天到提前12天的预报准确性较奇异谱分析方法要高,即AAF较短期的预报效果更好．     

冕洞发展及其相关地球空间效应的个例分析

利用出现在2003—2004年的一个大冕洞及其相关太阳风、行星际磁场和地磁资料,分析了冕洞自身演化规律以及对太阳风和重现性地磁暴的影响．研究发现,冕洞发展经历了生长期、成熟期和衰减期三个阶段;成熟期,冕洞高速流中的最大太阳风速度和地磁暴平均强度基本维持在同一个水平上;但地磁暴的持续时间和冕洞高速流的持续时间仍有较大变化,该时间长短主要与冕洞穿越太阳赤道部分所横跨的经度相关．     

基于SDO/HMI全日面实时磁图的活动区自动识别

太阳活动区是太阳活动的主要发生源区，活动区的形态、结构、特征是预报太阳爆发的主要依据.因此，活动区的识别是实现太阳爆发预报的前提.SDO/HMI能够提供连续、高时空精度的全日面光球观测图像.参照文献[1]SOHO/MDI综合磁图中活动区的自动识别方法，利用实时可得的HMI全日面磁图，通过阈值法、数学形态法和区域增长法相结合的方式，开展了活动区的快速自动识别研究.将2010—2018年的自动识别结果与NOAA/SWPC每日发布的活动区结果进行比较发现:通过磁图自动识别的活动区数目与SWPC活动区数目整体变化趋势基本一致，两者的相关系数为0.87；从活动区整体标识的数目上来看，通过磁图自动识别的活动区数目少于SWPC发布的结果.未被自动标识的活动区主要为面积小、磁场弱且磁类型简单的活动区，引发太阳爆发的可能性极小，因此不会对太阳爆发的实际预报产生影响.本文的研究方法和结果能够为太阳活动预报提供实时的活动区数据，加速太阳爆发预报模型的实际应用.      

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.      

质子辐射带辐射中心区域模型

利用AP-8和CRRESPRO质子辐射带模式数据库, 比较了二者在磁赤道面上计算结果 的差异并给出其差异原因. 利用AP-8模式数据库数据, 建立起质子辐射带函数形式的辐射中心区域模式, 包括各能道全向微分通量峰值所对应的L值(L_c) 随能量E的变化模式以及各能道全向微分通量峰值J_max随能量E的变化模式. 利用RBSP A卫星REPT望远镜在磁赤道面上的高能质子观测数据, 分别与 AP-8模式、CRRESPRO模式及本文所得辐射中心区域模式计算结果进行比较, 发现在78.9, 102.6和208MeV三个能道上, RBSP A卫星观测所得各能道全向微分 通量明显偏大, 而L_c与AP-8或本文辐射中心模式所得结果基本一致; RBSP A卫星也观测到CRRESPRO Quiet模式所得的隐性第二质子辐射带结构.      

中长期轨道预报中大气阻力系数补偿算法的研究

利用地磁平静期的CHAMP卫星精密星历对多个弧段的大气阻力系数进行解算,找到了适用于轨道预报的最优系数,分析了最优阻力系数与地磁指数、迹向残差的关系,利用线性回归分析建立了大气阻力系数补偿算法。针对中长期轨道预报的需求,该算法能够降低定轨弧段较短条件下阻力系数的解算误差。将该补偿算法应用于不同时期CHAMP卫星和天宫一号的轨道预报,验证了该算法的正确性和普遍适用性,结果表明预报精度能够提高20%以上。     

利用ACE卫星数据对太阳质子事件预警方法的研究

通过分析GOES和ACE卫星大于10MeV能量段的5min平均质子通量数据,发现两者有很好的相关性,最佳相关系数显示,GOES通量数据较ACE卫星数据有数十分钟至几小时的时间延迟.这为利用ACE数据进行质子事件预警提供了依据.本文提出一种利用ACE卫星大于10MeV能量段的通量数据对质子事件进行预警的方法.该方法在2001年8月7日至2012年2月20日这11年多时间的试验中,表现出较高的报准率(76.3%)和较低的虚报率(14.7%),预警提前时间在数十分钟至几小时不等.该方法的结果与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)空间天气预测中心(SWPC)使用的预警模型对比,具有更高的报准率,较低的虚报率,在预警时间提前量方面两者相当.      

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.      

太阳10.7 cm射电流量中期预报模型研究(Ⅱ)

太阳活动指数中期预报一直是空间环境业务预报的难点之一.本文在自回归方法模型的基础上,利用太阳活动区面积、位置等参数与10.7cm辐射流量之间的定量关系,根据活动区面积衰减规律,建立了一个基于活动区参数及演化规律的改进型太阳活动指数中期预报模型.通过对预报测试实例分析发现,在日面出现较大活动区导致F_(10.7)迅速增长并超过历史数据峰值的情况,在日面活动区消亡导致指数突然出现平静期的情况,新模型的预报准确性相比自回归模型有很大提高,预报的平均相对误差下降约5%～9%.由此可见,新模型在某些特定条件下提高了原有模型的精度.该研究为提高业务型太阳10.7cm射电流量中期预报模型的预报精度奠定了基础.     

太阳黑子自动识别与特征参量自动提取

日面上黑子数目反映了太阳活动水平的高低.黑子形态的复杂性和磁场的非势性与太阳活动爆发密切相关.随着高时空精度的太阳观测数据量的急剧增长，快速准确地自动识别日面上的黑子以及对黑子群特征自动提取已成为太阳活动预报的现实需求.本文针对SDO/HMI的活动区白光数据，利用数学形态法开展黑子自动识别研究，并在黑子识别基础上对黑子群的面积和黑子数进行了计算.通过对利用2011-2017年HMI活动区数据计算得到的黑子群面积和黑子数与NOAA/SWPC发布的活动区相应参量进行比较，发现本文计算结果与SWPC发布数据的变化趋势基本一致，相关性较好.其中黑子群面积的相关系数为0.77，黑子数的相关系数为0.79.研究结果表明，利用本文方法对SDO/HMI数据进行处理，能够得到高时间分辨率的黑子群特征参量，可为太阳活动预报提供及时准确的输入.