行星际扰动与不同级别磁暴强度关系的研究

利用1997-2004年间ACE卫星太阳风观测的时均值数据和相应的Dst指数,针对Dstmin≤-50 nT的磁暴,分析了行星际参数(Bz,Ey,v,Pk,|B|,ε'=vxB2zsin4(θ/2))与Dst指数的相关关系.验证了Ey,Bz与Dst指数的良好相关性;按磁暴强度的不同,发现磁暴强度越大,行星际参数与磁暴强度(Dstmin)的相关性就越好.对于中等磁暴(-100 nT＜Dstmin≤-50 nT),行星际参数与磁暴强度的相关系数不高.如果把磁暴分为两个档次,即-150 nT＜Dstmin≤-50 nT的磁暴和Dstmin≤-150 nT的磁暴,计算结果表明,ε'与Dst指数的相关性是最好的.在诸多行星际参数中,就单一因素来说,Ey对磁暴强度影响最大,Bz对磁暴强度影响次之.      

磁暴期间全球TEC扰动特性分析

磁暴期间白天电离层总电子含量（TEC）大幅度扰动.TEC扰动与磁暴发生时的世界时（UT）有关.利用7年的数据对TEC对磁暴的响应进行统计研究.结果显示,磁暴期间白天TEC增大明显,且在午后TEC的增大比例有一个高峰.在18:00UT-04:00UT,南美地区与其他地区相比TEC增长较大,这可能与白天的光照有关.为了研究TEC变化与磁暴的关系,结合同样时间段的Dst指数,把TEC数据分为磁暴日（Dst<-100nT）和平静日（Dst>-50nT）.研究发现,将TEC前移2h,低纬日侧地区TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的负相关性较好,相关系数为-0.75.在中纬度地区,将TEC扰动前移1h,相关系数为-0.61.这可能是行进式大气扰动携带着赤道向的子午风,由极区向低纬传播引起.可以认为,TEC的变化可能是由磁暴引起的.在高纬地区,TEC增大值随着世界时的变化与Dst变化的相关性较差.这可能是由于太阳高度角较低,光辐射通量较小,导致电子密度的增加不明显.      

利用神经网络技术提前一小时预报Dst指数

利用神经网络技术并考虑地磁活动的周期性,提出了一种提前一小时预报Dst指数的方法.网络的输入包括时间、季节、当前时刻及其一阶增量、二阶增量、前27天Dst指数的平均值.以下一时刻Dst指数作为输出对网络进行训练,训练好的网络可以提前一小时预报Dst指数.分别用1985年、1986年、1990年和1991年Dst指数数据进行检验.结果表明,预报结果与观测数据符合较好,Dst指数预报误差的均方根分别为4.00 nT,3.72 nT,5.35 nT,6.82 nT.误差分析表明,Dst指数的预报结果太阳活动低年比高年好.     

海南地区强磁暴期间强区域扩展F事件研究

利用2004年海南DPS-4数字测高仪观测到的强区域扩展F(SSF)数据,分析研究了5个强磁暴(Dst＜-100 nT)事件期间海南SSF的响应特征.结果发现,在海南地区,5个强磁暴事件中有3个磁暴Dst最小值位于2200-0200 LT之间,在磁暴主相及恢复相初期均出现了SSF现象,这种触发作用可能源于磁层直接渗透电场的作用,而另两个磁暴Dst最小值均发生在白天,一个SSF现象出现在磁暴的恢复相晚间,另一个SSF现象出现在超强磁暴的初相晚间,后者可能由该超强磁暴的急始造成的直接渗透电场所触发;5个强磁暴期间发生的SSF现象或者仅出现在午夜前,或者先出现在午夜前并持续到午夜后;同时,还就这些观测结果与Dabas等人有关磁暴对ESF影响的结论进行对比和讨论.      

行星际日冕物质抛射地磁效应研究的支持向量机方法初步研究

行星际日冕物质抛射（Interplanetary Coronal Mass Ejection,ICME）与地球磁层相互作用并带来地磁暴等地磁扰动.从Richardson和Cane提供的近地球ICME列表中筛选出ICME事件集,基于ICME扰动期间的行星际等离子体与磁场数据提取出特征.通过计算各特征的费舍尔分值（Fisher Score）,对这些特征进行选择,发现行星际磁场南北向分量持续时间小于-10nT且激波等扰动所带来的ICME扰动开始时,太阳风速度的增量等特征与ICME事件的地磁效应密切相关.这与现有的传统统计研究结果一致.以这些特征为基础,训练得到的径向基函数支持向量机能够以0.78±0.08的准确率判断ICME事件是否会产生中等及以上强度的地磁暴（Dst ≤-50nT）.      

第23太阳活动周太阳极紫外辐射与磁暴相关性分析

统计第23个太阳活动周内中等及以上强度（Dst_min<-50nT）的磁暴事件,线性拟合分析磁暴主相DDst_min和达到DDst_min前一个表征太阳极紫外辐射强度的F_10.7之间的相关性.结果表明:随着太阳极紫外辐射增强,DDst_min<-50nT的磁暴出现的总数增多,在弱、中等和强太阳极紫外辐射条件下,其数量分别为56,84和85;随着太阳极紫外辐射增强,强磁暴（-200nT ≤ Dst_min<-100nT）和大磁暴（Dst_min<-200nT）发生的数量和相对发生率呈增长趋势,尤其是大磁暴数目（1,4,12）和相对发生率（1.79%,4.76%,14.12%）明显呈增长趋势;大磁暴（|Dst_min|）与太阳极紫外辐射（F_10.7）之间存在中度正相关关系,其相关系数为0.532,并且主要体现在大磁暴（|Dst_min|）与强太阳极紫外辐射（F_10.7）之间的中度正相关性,其相关系数为0.582.大磁暴与强太阳极紫外辐射之间的相关性可为空间天气预报提供参考依据.      

CME引起的地磁暴穿越时间

日冕物质抛射(CME)从发生至引起地磁暴最大值的时间间隔称为穿越时间.本文选取1997-2015年89个CME-Dst事件,分析CME速度、能量、耀斑类型等对穿越时间的影响;采用非线性拟合以及支持向量机(SVM)非线性回归技术,建立基于1997-2009年62个CME-Dst事件的CF模型和SVM模型,并利用其余27个CME-Dst事件对模型预报效果分别进行检验.结果表明,CF模型和SVM模型的预报准确率均达到85.2%,其中CF模型的平均绝对值误差为13.77 h,而SVM模型为13.88 h.与ECA模型结果(准确率为77.8%,平均绝对值误差为14.55 h)进行对比发现,CF模型和SVM模型的准确率更高而误差更小.CF模型和SVM模型能够提前1~5天较好地预报地磁暴爆发时间.     

一种基于白谱法的电离层天气扰动指数

基于一种电离层扰动提取方法——白谱法,利用IGS提供的电离层TEC网格数据,获得电离层J_s指数、J_r指数和J_p指数,分别反映单站、纬度圈（沿经度积分）及行星际尺度下的电离层天气扰动状态.在2015年3月的一次磁暴过程中,J_s指数、J_r指数及J_p指数均很好地反映出电离层响应地磁暴的过程,磁暴前后J_p指数与Dst指数相关系数达到-0.72;J_s图从二维角度很好地表征了电离层天气的扰动过程.在此基础上,统计分析了2011——2014年J_p指数与Dst指数的相关性,结果表明:限定J_p≥2,J_p指数与对应时间Dst指数的相关系数为-0.67;限定J_p≥3,二者相关系数更高,达到-0.87.通过分析不同J_p指数阈值下不同等级磁暴的次数,发现J_p指数可以很好地反映磁暴下的电离层整体扰动,为指示电离层天气状态提供了可能的参数.      

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.      

基于支持向量机方法的地球同步轨道相对论电子事件预报模型研究

提出了一种基于支持向量机方法(SVM)的地球同步轨道相对论电子事件预报模型. 模型以平均影响值(MIV)作为指标, 筛选出预报输入参量. 这些参量包括, 前一日的大于2MeV电子日积分通量、太阳风速度、太阳风密度、Dst指数和前二日的AE指数. 模型包含回归和分类两个部分, 可以分别对未来一天的电子日积分通量和相对论电子事件强度的级别做出预报. 对2008年样本进行测试, 在相对论电子通量的预报中, 预报值和实测值之间的线性相关系数为0.85, 预报效率为0.71; 对相对论电子事件级别预报的准确率为82%, 可以较准确区分开事件状态与非事件状态. 结果表明, SVM预报模型对相对论电子事件有较好的预报效果.      

磁暴数统计特性研究

Dst是一个表征磁暴强度的空间天气指数. 通过统计1957-2008年 发生的中等磁暴(-100<Dst≤ -50nT)和强磁暴(Dst ≤ -100nT)在太阳活动周上升年、极大年、下降年和极小年的时间分布情 况, 分析其随季节变化的统计特性, 进而讨论了引起磁暴的原因. 结果表明, 对于同一太阳活动周, 极大年地磁暴发生次数远大于极小年地磁暴的发生次数, 这与太阳黑子数的变化趋势是一致的; 通常太阳活动周强磁暴出现双峰结构, 而第23周中等磁暴出现双峰结构, 强磁暴则出现三峰结构, 这可能与1999 年强 磁暴发生次数异常少, 使1998年凸显出来的现象有关; 磁暴主要发生在分季, 随着Dst指数的增加, 磁暴发生次数明显增加.      

第23太阳活动周中等地磁暴行星际源的统计分析

统计了第23太阳活动周(1996--2006年)发生的183次中等强度地磁暴(-100 nT < Dst ≤ -50 nT)的行星际源,分析了中等磁暴的年分布状况以及引起中等磁暴的不同行星际结构在太阳活动周中的分布特征,同时,与强磁暴行星际源的分布状况做了对比分析,主要的统计分析结果如下. (1)共转相互作用区CIR与行星际日冕物质抛射ICME在中等磁暴中具有同等重要的作用,且在ICME中,具有磁云结构和非磁云结构的ICME在引起中等磁暴的能力方面也基本相同,但带有鞘层结构的ICME在引起中等磁暴中具有更重要的作用. (2)中等磁暴在极大年(2001年)和下降年(2003年)发生次数最多,与地磁活动的双峰年对应,在极小年(1996和2006年)发生次数最少,与地磁活动低年对应,在其他年份分布较平均. (3)中等磁暴在太阳活动极大年主要由ICME引起,在上升年和下降年CIR在其中起主要作用,且下降年基本是上升年的两倍,而对于强磁暴而言,ICME始终是最重要的行星际源.      

Interplanetary shocks and geomagnetic activity during solar maximum (2000) and solar minimum (1995–1996)

Plasma and magnetic field parameter variations through fast forward interplanetary shocks were correlated with the peak geomagnetic activity index Dst in a period from 0 to 3 days after the shock, during solar maximum (2000) and solar minimum (1995–1996). Solar wind speed (V) and total magnetic field (B_t) were the parameters with higher correlations with peak Dst index. The correlation coefficients were higher during solar minimum (r² = 56% for V and 39% for B_t) than during solar maximum (r² = 15% for V and 12% for B_t). A statistical distribution of geomagnetic activity levels following interplanetary shocks was obtained. It was observed that during solar maximum, 36% and 28% of interplanetary shocks were followed by intense (Dst  −100 nT) and moderate (−50  Dst < −100 nT) geomagnetic activity, whereas during solar minimum 13% and 33% of the shocks were followed by intense and moderate geomagnetic activity. It can be concluded that the upstream/downstream variations of V and B_t through the shocks were the parameters better correlated with geomagnetic activity level, and during solar maximum a higher relative number of interplanetary shocks can be followed by intense geomagnetic activity than during solar minimum. One can extrapolate, for forecasting goals, that during a whole solar cycle a shock has a probability of around 50% to be followed by intense/moderate geomagnetic activity.     

Response of the low latitude geomagnetic field to the major proton event of November 2001

A major solar flare eruption occurred at 16:20 UT on 4 November 2001, followed by strong solar radiation storm and proton event recorded by the SOHO and other interplanetary satellites. Coronal mass ejection associated with the flare event triggered an interplanetary shock, which impacted the geomagnetic field after about 33 h. The shock impact was quite intense to produce a SSC magnitude of 80 nT in the low latitude ground magnetic records followed by sharp and deep main phase (Dst −300 nT) in the first stage, following the density (N_p) enhancement. High time resolution digital magnetic field data from the equatorial and low latitude stations in India are analyzed to study the influence of various IP parameters on the intensity and duration of the magnetic storm. A double step storm was found to be in progress caused by the multiple injections. During the period of recovery, after a period of 8 h, a third stage of depression in the ground magnetic field was set in, which corresponded to the southward directed Bz. The energy transfer processes associated with the event is presented.     

全球电离层对2000年4月6-7日磁暴事件的响应

利用分布于全球的电离层台站的测高仪观测数据,对扰动期间,foF2值与其宁静期间参考值进行比较,研究了2000年4月6—7日磁暴期间全球不同区域电离层的响应形态,并通过对比磁扰期间NmF2的变化与由MSISR90经验模式估算的中性大气浓度比(no／nN2)的变化,探讨了本次事件期间的电离层暴扰动机制．结果表明,在磁暴主相和恢复相早期,出现了全球性的电离层F2层负相暴效应．最大负相暴效应出现在磁暴恢复相早期,即电离层暴恢复相开始时间滞后于磁暴恢复相开始时间．在磁暴恢复相后期,一些台站出现正相扰动．研究结果表明,本次事件期间的电离层暴主要是由磁暴活动而诱发的热层暴环流引起的．     

利用人工神经网络预报大磁暴

本文采用阈值预报的策略和人工神经网络BP模型,以13个太阳风参量和地磁AE,Dst指数作为输入,以0或1作为输出,提前4h预报大磁暴主相发生的时刻．结果表明,采用神经网络方法的阈值预报可以对灾害性磁暴的发生提前数小时做出比较准确的预报．     

Geomagnetic storm effects on the occurrences of ionospheric irregularities over the African equatorial/low-latitude region

The study investigated the effects of intense geomagnetic storms of 2015 on the occurrences of large scale ionospheric irregularities over the African equatorial/low-latitude region. Four major/intense geomagnetic storms of 2015 were analyzed for this study. These storms occurred on 17th March 2015 (?229?nT), 22nd June 2015 (?204?nT), 7th October 2015 (?124?nT), and 20th December 2015 (?170?nT). Total Electron Content (TEC) data obtained from five African Global Navigation Satellite Systems (GNSS) stations, grouped into eastern and western sectors were used to derive the ionospheric irregularities proxy indices, e.g., rate of change of TEC (ROT), ROT index (ROTI) and ROTI daily average (ROTI_AVE). These indices were characterized alongside with the disturbance storm time (Dst), the Y component of the Interplanetary Electric Field (IEFy), polar cap (PC) index and the H component of the Earth’s magnetic field from ground-based magnetometers. Irregularities manifested in the form of fluctuations in TEC. Prompt penetration of electric field (PPEF) and disturbance dynamo electric field (DDEF) modulated the behaviour of irregularities during the main and recovery phases of the geomagnetic storms. The effect of electric field over both sectors depends on the local time of southward turning of IMF Bz. Consequently, westward electric field inhibited irregularities during the main phase of March and October 2015 geomagnetic storms, while for the June 2015 storm, eastward electric field triggered weak irregularities over the eastern sector. The effect of electric field on irregularities during December 2015 storm was insignificant. During the recovery phase of the storms, westward DDEF suppressed irregularities.     

行星际南向磁场事件与强磁暴

利用１９７８－１９８８年期间的太阳风和地磁资料对行星际磁场（ＩＭＦ）南向分量Ｂｓ事件（即Ｂｓ〉１０ｎＴ及其所驱动的错向电场ＶＢｓ〉５ｍＶ／ｍ、持续时间△Ｔ〉３ｈ的事件）与弱磁暴（Ｄｓｔ≤－１００ｎＴ）关系进行了分析。结果表明,１００％的Ｂｓ事件能能引起磁暴的发生,但其中只有８４％为强磁暴;强磁暴的发生都与较强的ＩＭＦ Ｂｓ活动密切相关,但只有６８％的强磁共伴随Ｂｓ事件而发生;Ｂｓ事件与强磁暴并不是