嵌套闭磁场日冕背景结构对触发CME特征的影响

在子午面内,研究具有嵌套闭磁场结构冕流背景对触发日冕物质抛射(CME)特征的影响.在冕流背景磁场结构内有三个小尺度的闭磁场结构,其中中间小尺度闭磁场结构的磁场方向和冕流整体偶极磁场方向相反.CME触发模型在这个小尺度闭磁场结构下方浮出,它具有同心圆形磁场结构,半径为a=0.1Rs(Rs为太阳半径);CME触发模型前半部分磁场方向和触发位置处小尺度闭磁场结构的磁场方向相反,与冕流整体偶极磁场方向相同.数值模拟结果表明,当CME触发模型中心等离子压力与边界压力之比m≥2时,上浮CME触发模型可以触发CME;当m＜2时,上浮CME触发模型不能触发CME,计算结论的误差小于1%.     

嵌套闭磁场结构内CME产生和传播的数值模拟

给出了特殊类型的日冕物质抛射(CME)数值模拟定性结果,这种CME核心闭磁场结构前半部分磁力线的方向与太阳整体偶极场磁力线的方向相反.计算结果表明,这种CME核心闭磁场结构磁力线与太阳整体偶极场反向磁力线之间存在过渡磁场结构,在向外传播时过渡磁场结构所占的面积逐渐增大.这一结果可以用来解释飞船为什么能够观测到一类双极磁云,这类磁云前半部分磁场方向与太阳整体偶极场方向相反.为了模拟这一数值结果,强调需要采用包含嵌套闭磁场的冕流背景结构,并在合适的位置触发CME.     

球坐标系六片网格下三维定态行星际太阳风模拟

采用二阶MacCormack差分格式, 利用稳态的磁流体(MHD)方程组在球坐标系六片网格下模拟研究了行星际太阳风. 六片网格系统能有效避免极区奇性和网格收敛性. 迭代按径向方向推进求解, 很大程度上减少了计算量, 节约了计算时间. 内边界条件根据太阳与行星际观测确定, 比较测试了5种内边界条件, 模拟给出了1922卡林顿周的背景太阳风结构. 几种内边界条件所得模拟结果与行星际观测基本吻合. 太阳风速度采用McGregor 等的经验公式给出, 磁场由水平电流片(HCCS)模型得到, 密度和温度分别根据动量守恒和气压守恒得到, 研究表明采用这样的边界条件模拟结果最佳.      

一种确定模拟的行星际MHD激波局地参数的新方法

简要阐述了分析模拟的行星际磁流体力学（MHD）激波的局部性质时，采用无厚度局部平面激波这一假设的合理性，说明了在激波未扰动区域（激波上游），物理量在几个小时内的变化很小这一事实，利用平面激波的分析方法，提出了分析模拟的行星际MHD激波的新方法，包括激波位置的确定，上下游状态参数的选择，激波局部参数的计算以及激波的分类，最后应用这种方法对一个二维的MHD模拟结果进行了分析。结果证实了过去文献关于磁流体力学混合激波空间连接和时间演化的链式规则，而且说明位于太阳赤道附近的慢激波和中间激波最终会发展为快激波。     

子午面太阳风结构及其对日冕抛射物运动的影响

本文提出了一种求解二维理想磁流体力学方程组的组合格式-网格方法。该方法在保证一定精度的前提下稳定性好,计算量小。文中使用该方法算得了子午面太阳风的盔状流动解。以该解作为初态,研究了盔状冕旒位形对日冕抛射物运动的影响,发现该位形使得抛射物向低纬赤道方向偏转,较好地解释了观测结果。     

较小尺度磁螺旋线管相互作用的数值研究

在子午面内,偶极子场和六极子场适当叠加得到势磁场,势磁场与太阳风长时间相瓦作用得到特殊的冕流背景结构.在这种背景结构下,两个较小尺度的磁螺旋线管模型能够连续浮入到计算域,在计算域内相互作用,触发了日冕物质抛射(CME).在数值模拟这一过程时,较小尺度的磁螺旋线管模型具有同心圆形磁场结构,模型中心等离子压强与边界压强之比m=2,模型的半径分别取为a=0.07 R.和a=0.1 Rs(Rs为太阳半径).在这两种情况下,得到了两种典型的计算结果.当a=0.07 Rs时,两个磁螺旋线管模型相瓦作用,在7 Rs内融合成一个磁螺旋线管模型,向外传播;当a=0.1 Rs时,两个磁螺旋线管模型相互作用,作为一个整体向外传播,在计算域内没有融合到一起,基本上保持各自的磁场结构.      

IMF北向时太阳风粒子向磁层输运的试验粒子模拟研究

以ACE卫星实时观测数据驱动的全球磁流体模拟为背景场,选取2003年10月22－24日行星际磁场（IMF）持续北向的事件,使用试验粒子方法,对太阳风粒子向磁层输运的过程进行模拟研究,分析北向IMF下太阳风粒子注入磁层过程中粒子在磁层内的空间分布和时间演化特征。IMF北向期间,进入环电流区域的粒子在晨侧区域的密度大于昏侧,且晨侧的粒子分布范围更广。背阳面磁鞘中的太阳风粒子可以通过低纬边界层进入磁层,但很难通过南北侧磁层顶进入磁层。进入磁尾的太阳风粒子聚集形成冷而密的等离子体片（CDPS）,模拟中CDPS的空间分布和密度大小与观测数据符合。在IMF长时间北向期间,磁尾的粒子数量呈现随时间增长的趋势,并存在约20 min的小幅度准周期变化和约5~6 h的较大幅度的准周期变化。     

日冕三维太阳风模拟

COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型。本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整。在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳风进行模拟。模拟结果符合日冕太阳风结构,而且扩散八波法处理磁场散度性能有提升,可将相对磁场散度误差可控制在10^–9量级上。

     

多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD模拟

三维磁流体力学（MHD）数值模拟是行星际太阳风研究的重要手段.本文发展了一种由多种观测数据驱动的三维行星际太阳风MHD数值模型.模型的计算区域为0.1AU到1AU附近,使用Lax-Friedrich差分格式在六片网格系统中进行数值求解.边界条件中磁场使用GONG台站观测的光球磁图外推获得,密度通过LASCO观测的白光偏振亮度反演得到,速度根据以上两种观测数据并利用一种基于人工神经网络技术（ANN）的方法得到,温度通过自洽方法根据磁场和密度导出.利用该模型模拟了第2062卡灵顿周（CR2062）时期的行星际太阳风,模拟结果显示出丰富的观测特征,并与OMNI以及Ulysses的实际观测值符合得较好.该模型可用于提供接近真实的行星际太阳风,有助于提高空间天气预报的精度.     

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。     

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.     

高速太阳风条件下日侧磁层顶磁通量传输事件的全球磁流体力学模拟结果

利用全球磁流体力学模拟,研究了高速太阳风条件下日侧磁层顶的磁通量传输事件（FTE）发生率的空间分布.从模拟结果中得到了FTE信号,并且这些FTE信号的特征与观测结果基本一致.磁层顶上的10个取样点共观测到39个FTE信号.统计分析表明,越靠近翼侧则观测到的FTE信号越少.这一现象可能是磁鞘中太阳风速度分布差异导致的.     

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.     

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.     

太阳风--磁层相互作用的磁流体力学数值模拟研究

磁层位于地球空间的最外层, 太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节, 是揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题. 地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难. 数值模拟作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,对地球空间的理论和应用研究产生了深刻的影响. 国际上磁层的全球MHD数值模拟工作开始于20世纪70年代末, 最初的研究局限于二维空间. 由于磁层内在的三维特性, 20世纪80年代三维MHD数值模拟工作兴起. 本文简要说明了三维全球磁层MHD (磁流体力学)研究的特点及现状, 给出了三维全球磁层模型的基本框架, 综述了行星际激波与磁层相互作用、大尺度电流体系、重联电压和越极电位、磁层顶K-H不稳定性等方面的太阳风--磁层相互作用的MHD数值模拟的研究进展.     

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.