太阳10.7cm射电流量中期预报模型研究(Ⅰ)

采用时间序列模型中的自回归方法开展了F_(10.7)中期预报研究.预报试验和误差分析结果表明,在太阳活动水平较低、F_(10.7)的27天周期性明显时自回归预报方法的预报精度高,具有较为理想的预报效果,但在日面有大活动区产生和消亡时预报效果不理想.这说明时间序列模型中的自回归方法能够较好地反映太阳F_(10.7)的27天周期性特征,对F_(10.7)中期预报模型的建立有一定适用性.通过对2005年9月21日至2007年6月7日期间预报结果的比较可以看出,自回归分析方法预报的精度与美国空军预报的相当。     

基于活动区面积统计的F10.7指数预报方法

太阳10.7cm射电流量（F_10.7）是反映太阳整体活动的重要指标,其主要源头是日面活动区.F_10.7指数与日面活动区具有显著的相关性,且不同面积的活动区与F_10.7并不遵循相同的线性关系.为进一步提高F_10.7预报的准确性,利用日面活动区面积与F_10.7的相关性,依据面积大小分类,提出F_10.7的预报公式并进行验证.采用2008-2018年SWPC （Space Weather Prediction Center）公布的活动区面积数据和CSWFC （Canadan Space Weather Forecast Center）公布的F_10.7实测数据计算预报公式系数,利用高年（2003年）和低年（1997年）的F_10.7预报验证其结果.研究结果表明,预报结果与实测值的相关系数分别为0.9318和0.9295,二者皆优于SWPC同时期的预报结果（相关系数分别为0.9186和0.8771）.本研究首次基于活动区的变化预测了F_10.7,提高了F_10.7预测的准确性.      

基于PCA方法对太阳活动区主要参量的分析

太阳耀斑与太阳质子事件的发生通常与太阳活动区存在非常密切的关系, 对这种关系的深入分析有助于太阳耀斑和太阳质子事件预报模型的建立. 本文利用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法对1997-2010年太阳质子事件所在活动区的主要参量进行分析, 选取的参量包括黑子磁分类、 McIntosh分类、太阳黑子群面积、10.7 cm射电流量、耀斑指数、质子耀斑位置和软X射线耀斑强度. 结果得到81个太阳活动主成分得分值排序(得分值代表每个事件的强弱), 与太阳质子事件峰值流量、太阳黑子年均值以及10.7 cm射电流量年均值的对比显示相似度非常高, 表明主成分得分值一定程度上可以反映太阳活动的强弱规律.      

LSTM神经网络在太阳F10.7射电流量中期预报中的应用

F_10.7指数作为大气密度经验模型的重要输入参量,其预报精度直接影响航天器轨道预报精度.研究发现,太阳活动表现出长时间尺度上平均11年和中短时间尺度平均27天的周期性变化特征.依据这一观测事实,基于长短期记忆单元（Long Short-term Memory,LSTM）递归神经网络方法进行F_10.7指数未来27天的中期预报.利用一个连续长时段F_10.7数据作为训练数据,构建LSTM神经网络训练和预测模型,分别预测太阳活动高低年未来27天的F_10.7指数.结果表明,太阳活动高年的第27天F_10.7指数预报平均相对误差最优可达10%以内,低年最优可达2%以内.      

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...     

1986年2月太阳的高活动I活动区4711的演化和特征

本文使用太阳黑子、磁场、Hα色球、10.7cm射电及软X射线流量等观测资料,对太阳活动谷期的高活动区4711(SESC编号)从光球、色球和日冕三个方面做了综述.指出该活动区演化过程的特征是:(1)黑子群在主要发展阶段呈一个紧密的结构复杂的强磁区;(2)两次大的太阳爆发均发生在黑子群面积衰减阶段的初期;(3)黑子群的转动可能是活动区日冕加热和耀斑活动的主要供能机制;(4)色球暗条的频繁活动是爆发的先兆;(5) 10.7cm射电辐射和软X射线辐射的逐日流量有彼此不重合的双峰.      

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.      

太阳E10.7指数的反演及预报方法

针对高层大气密度预报和轨道预报业务中对新型太阳紫外辐射指数E_10.7的需求,基于TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度数据,开展了E_10.7指数反演和中期预报研究。 E_10.7指数是太阳光谱中波长为0.1～105 nm的辐射流量,单位与F_10.7指数相同（sfu,1 sfu=10–22 W·m–2·Hz–1）。 TIMED-SEE观测仪器提供的0.1～105 nm太阳辐射强度实测值具有高时间分辨率、延迟时间短和易获得的优势,利用最小二乘法拟合可反演出准实时的E_10.7指数,均方根误差为5.445 sfu。利用高阶自回归模型对E_10.7的中期预报效果尚佳,未来27天的预报值平均相对误差为7.83%。利用同样方法还开展了E_10.7指数81天中心滑动平均值未来27天预报试验,未来27天的预报值平均相对误差仅为3.63%。      

1996-2008年期间活动区与耀斑活动的特征分析

在1996—2008年期间,可见日面共出现3067个活动区,其中活动区面积S满足10μh≤S≤90μh(μh为太阳半球面积的百万分之一)的活动区数量占活动区总数的58.52%,100μh≤S≤490μh的活动区数量占活动区总数的31.43%,而S≥500μh的活动区数量仅约占活动区总数的6%,S≥1000μh的活动区数量仅约占活动区总数的1%,面积为0的活动区约占活动区总数的4%.1996—2008年期间,除面积低于50μh的活动区外,不同面积活动区的数量占该年活动区总数比例的最大值通常都在太阳活动峰年之后,即相对太阳黑子数平滑月均值都有一定的延迟.在1997—2008年期间,至少能够产生一个A级耀斑的活动区数量为1408个,而在此期间,共产生了7706个C级耀斑、1141个M级耀斑和110个X级耀斑.C级耀斑在1~8A波段流量的积分值为22.711 J·m~(-2),M级耀斑在1~8 A波段流量的积分值为29.443 J·m~(-2),X级耀斑在1~8 A波段流量的积分值为36.178 J·m~(-2).第23太阳活动周期间,南半球的耀斑活动比北半球强.     

用开环门限自回归分析方法探讨短波衰退事件的预报

本文基于电离层突然骚扰对强太阳活动的依赖关系,用开环门限自回归分析方法,以每日最大2800MHz射电爆发峰值流量为预报因子,探讨短波衰退事件(SWF)的预报.通过对1980.1—6月和1980.1—2月的短波衰退事件作中、短期预报的检验,表明,用此方法作中期预报的效果优于经验方法的预报;用于短期预报(3天)效果较好.      

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．     

Dynamics of global electron content in 1998–2005 derived from global GPS data and IRI modeling

We analyzed the dynamics of global electron content (GEC) for the period 1998–2005 and compared the estimated GEC with variations of the 10.7-cm solar radio emission and with and with GEC values obtained with IRI-2001. We found a strong resemblance between the curves’ shapes for the experimental and modeled GEC: strong semiannual variations are discernible in these series and both curves tend to increase the absolute GEC value during the period of maximum of solar activity. However, there are some significant distinctions, such as absence of 27-day fluctuations in the series of GEC computed by the IRI-2001. On the contrary, observational GEC reflects well dynamics of solar activity: 27-day variations of GEC are very similar to the ones of the index F10.7, but GEC undergoes a lagging of about of 30–60 h as compared to value of the F10.7 index. The relative amplitude of 27-day variations decreases from 8% at the rising and falling solar activity to 2% at the period of its maximum.     

E10.7指数在软X射线谱段的修正应用

表征EUV辐射通量的E10.7指数在越来越多的研究和应用中被用来代替传统的F10.7指数.X射线对地球D层和E层的电离起着重要作用,但由于D层观测数据的不足和E层电离源的多样性,难以被用来考虑X射线对电离层的影响.火星电离层下层的电离源几乎是单一的软X射线,这为研究X射线对电离层的作用提供了可能性.通过研究火星电离层下层的峰值电子浓度对E10.7的依赖关系,发现即便经过必要的修正,这种关系对不同的观测时段并不具备一致性.通过理论推导和数据分析,得到了一种特别用于描述太阳软X射线辐射通量的新指数,即Xs指数,用来替代E10.7指数.Xs指数在描述火星电离层下层对太阳辐射的依赖关系时,不同的观测时段有很好的一致性,表明Xs指数在表征太阳软X射线辐射强度方面比E10.7指数更加合适.      

Characteristics of equatorial nighttime spread F – An analysis on season-longitude,solar activity and triggering causes

To understand global variability and triggering mechanisms of ionospheric nighttime equatorial spread F (ESF), we analyzed measurements from satellite and a ground-based GPS station for the years between 2010 and 2017. In this study we present seasonal-longitudinal as well as monthly variability of ESF occurrence for solar minimum and yearly variations of ESF occurrence for solar maximum and minimum periods. One of the long standing open questions in the study of ESF is what exactly initiates the Rayleigh-Taylor (RT) plasma instability growth. This question is the focus of the present work. Zonal background eastward electric field and E × B upward plasma drift speed patterns are found to be critically important in understanding plasma irregularity formation. In addition to particular patterns observed on these parameters, the background plasma density in the local evening hours just before the onset of ESF occurrence is very important. Stronger plasma densities just before the onset of irregularities resulted in stronger plasma irregularities, while relatively less dense plasma just before the onset of irregularities resulted in relatively lower plasma irregularities. Seasonal variations in ESF activity between March and September equinox seasons with comparable plasma densities can be defined in terms of the rate of change of solar flux F10.7 (dF10.7/day) index. Strongest ESF occurrence and strongest dF10.7/day are measured in the same month out of all other months in 2016 and 2017. Longitudinal variations of ESF activity in our measurements are related to longitudinal variations of plasma densities. We also found that ESF occurrence is better correlated with rate of change of F10.7 index for months in equinox seasons than for months in solstice seasons for the years between 2013 and 2016.     

太阳10.7 cm射电辐射流量预报方法初探

引进“相似周”方法,通过两种方式对第23周太阳10.7cm辐射流量（F10.7）月均值进行预报和预报,由“相似周”方法得到的第23周太阳黑子数月均平滑预测值来预测F10.7月均值和直接采用“相似周”方法对F10.7月均平滑值进行预测,通过对两种预报试验结果分析,得到以下结论。（1）两种预测结果与实际都比较吻合,都得到双峰结构。（2）直接通过相似周预测的F10.7的月均值结果较间接通过太阳黑子数的预测结果所推断的F10.7预测结果更接近实际观测结果。（3）使用“相似周”,预报方法,可以给出F10.7比较精细的剖面结构,这是其他普通预报方法很难做到的。     

太阳F10.7指数准27天振荡的小波分析

利用1956-2003年的F10.7日均值数据,采用Morlet小波变换方法,分析了准27天振荡的特征及与太阳活动11年周期(Schwabe周期)的关系.结果表明,F10.7的准27天振荡的幅度和周期存在明显的短期变化现象,不同年里变化的程度差别很大,有些年里起伏非常剧烈,在几天到几十天的很短时间里,幅度变化达十几倍,周期可变化数天,甚至发生十几天的突变;有些年里,幅度变化很大但起伏很小,周期也比较稳定.准27天振荡的年平均幅度存在明显的逐年变化,与太阳活动显著相关.一般说来,F10.7越高,准27天振荡的幅度就越大,然而在太阳活动19周峰年,F10.7比其他活动周的值都高,但准27天振荡的幅度却比其他活动周低.准27天振荡的周期也有明显的逐年变化,除了个别年(如1987年),年平均周期在24至31天之间变化,与太阳活动周期没有明显的关系.48年的平均周期为27.3天.从总体看,周期有逐渐缩短的趋势,48年里周期大约减少了1.5天.造成准27天振荡起伏的因素非常复杂,有待深入研究.      

Time series modeling and analysis of trends of daily averaged ionospheric total electron content

A 10.7 cm solar radio flux F10.7, geomagnetic planetary equivalent amplitude (Ap index), and period variations were considered in this paper to construct a linear model for daily averaged ionospheric total electron content (TEC). The correlation coefficient of the modeled results and International GNSS Service (IGS) observables was approximately 0.97, which implied that the model could accurately reflect the realistic variation characteristics of the daily averaged TEC. The influences of the different factors on TEC and its characteristics at different latitudes were examined with this model. Results show that solar activity, annual and semiannual cycles are the three most important factors that affect daily averaged TEC. Solar activity is the primary determinant of TEC during periods with high solar activity, whereas periodic factors primarily contribute to TEC during periods with minimum solar activity. The extent of the influences of the different factors on TEC exhibits obvious differences at varying latitudes. The magnitude of the semiannual variation becomes less significant with the increase in latitude. Furthermore, a geomagnetic storm causes an increase in TEC at low latitudes and a decrease at high latitudes.