运用一维太阳风MHD CE/SE模型预报行星际激波到达时间

在一维太阳风磁流体(MHD)数值模拟中, 应用时空守恒元和解元(Conservation Element/Solution Element, CE/SE)方法, 建立了一个行星际激波扰动传播模型(1D-MHD (CE/SE)模型), 用来预报行星际激波到达时间. 收集了1997年2月至2002年8月间的137个激波事件, 对激波到达地球轨道附近的传播时间进行了预测, 并将预报结果与STOA, ISPM, HAFv.2以及SPM模型所得结果进行比较. 对于相同的样本事件, 1D-MHD (CE/SE)模型给出的渡越时间平均绝对值误差并不大于其他4个模型, 且该模型预报的相对误差小于10 %的事件占25.6 %, 小于30 %的事件占69.3 %, 小于50 %的事件占87.6 %, 其预报精度与其他模型相比基本相当. 这表明该模型在空间天气的激波到达时间预报方面有潜在的应用价值.      

CME地磁扰动事件的模糊预报方法

以1997-2003年期间的73个日冕物质抛射(CME)激波扰动事件和模糊数学为基础,提出了一种预报地磁扰动的方法.该方法以CME事件爆发的日面经纬度、相关地磁扰动事件的渡越时间、地磁扰动指数、IPS观测的太阳风速度跃变量为基础,建立了预报CME地磁扰动事件的μθ,μφ,μT,μM,μ△v从属函数,考虑了CME初始速度对激波到达时间的影响.以这5个从属函数为基础并利用模糊数学对1996-2004年期间73个经行星际闪烁(IPS)观测认证的CME激波引起的地磁扰动事件进行了预报实验.实验结果表明,磁扰开始时间预报的相对误差,△Tpre/Tobs≤30%的事件占总事件数的91.78%,而△Tpre/Tobs＞30%的事件占总事件数的12.33%;磁扰幅度(∑Kp)大小的预报,其相对误差△∑Kp/∑Kpobs≤30%的事件占总事件数的60.27%,相对误差≥50%的事件占总事件数的12.33%.这表明该预报方法对空间灾害性事件地磁扰动的定量预报具有很大应用潜力.      

从属函数在地磁扰动预报研究中的初步应用

根据1966-1982年期间有关太阳耀斑、行星际激波和地磁扰动的观测资料而建立的从属函数,对1984-1985年间的行星际闪烁观测中能证认出的耀斑-激波所引起的地磁扰动作了预报试验。结果表明:(1)磁扰开始时间预报的相对误差,δT/T≤10%的事件数为20个,占总事件数的50%,δT/T≤20%的事件占总事件数的70%以上;(2)磁扰幅度(ΣKp)大小的预报,其相对误差δΣKp/ΣKp≤30%的事件数为32个,占总事件数的80%,而δΣKp/ΣKp≥60%仅占15%.本文方法显示了一定潜力,有待从聚类分析方面进一步深入。      

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.      

太阳风速度及日球电流片对CME渡越时间的影响

基于1996-2005年88个引起重大地磁暴的CME(日冕物质抛射)事件、1996-2000年的47个CME事件以及1997-2002年的29个全晕状CME事件,结合ACE卫星在1AU处的太阳风和行星际磁场观测资料以及Wilcox Solar Observatory(WSO)天文台的太阳光球层磁图,分析了背景太阳风速度和日球电流片对CME到达1AU处渡越时间预报误差的影响.结果表明,背景太阳风速度与CME渡越时间误差并没有明显的相关性,在考虑了磁云通量管轴相对黄道面夹角的影响后相关性依然不明显.然而日球电流片对CME渡越时间却有明显的影响,对于初速度较小的异侧CME事件,其渡越时间大于同侧事件;而对于具有较大初速度的CME事件,异侧事件的渡越时间明显小于同侧事件.研究结果表明,CME与太阳风以及日球电流片的相互作用并不是简单的对流相互作用,造成高速CME异侧事件快于同侧事件到达地球的因素非常复杂,有待深入研究.      

影响地球环境的太阳质子事件的时间过程

利用1966年以来的大量太阳耀斑以及相应质子事件的资料,分析研究了质子事件到达时间和极大时间同耀斑经度位置的统计关系.结果表明当耀斑位置处于经过地球的行星际大尺度场磁力线足点位置附近时,上述两种时间过程最短.这个结果支持了太阳耀斑粒子经日冕传播再向行星际空间传播的二阶段传播模型.      

联合太阳和行星际物理参数预测行星际激波能否到达地球

选取第23太阳活动周（1997—2006年）期间542例由太阳爆发活动驱动的行星际激波事件,分析确定了太阳源头和行星际空间中影响行星际激波能否到达地球轨道的关键物理参数;在此基础上,建立了预测行星际激波能否到达地球的新预报模型（EdEaSPM）. 回溯预报结果表明,EdEaSPM模型的预报成功率约为66%,略高于国际一流预报模型的预报成功率;EdEaSPM模型的虚报率未超过50%,改善了当前国际主流模型虚报率较大的情况;对于偏度指标,虽然当前所有模型的偏度值均大于1,但EdEaSPM模型的偏度值最接近于1且明显小于其他模型的偏度值;EdEaSPM模型的其他评价指标也都高于国际主流模型的相应指标. 此外,选取2012年期间的激波事件对EdEaSPM模型进行了预报检验,预测结果与实际情况吻合. EdEaSPM模型不仅能够提前约1～3天进行预报,而且预报效果与国际一流模型具有可比性,尤其是在提高预报成功率及降低虚报率方面具有一定优势.      

异常SSC事件的行星际原因分析

磁暴急始(SSC)是强烈太阳风动压或行星际激波与磁层相互作用的结果.通常SSC事件的上升时间在4～10 min,我们把上升时间超过15 min的SSC事件称为异常SSC事件.本文利用地磁SYM-H指数鉴别出了5个有地磁观测历史以来发生的上升时间大于15 min的异常SSC事件,并利用Wind,ACE,IMP 8,Goes,Geotail多点卫星太阳风观测数据和地磁观测数据,分析了异常SSC事件的行星际原因.结果表明,异常SSC事件通常都是强烈行星际扰动引起的,5个异常SSC事件有4个对应于行星际激波,有3个对应于多步太阳风动压跃变,有1个对应于行星际电场大幅度变化;由行星际激波产生的异常SSC事件,其上升时间依赖于行星际激波的方向,方向相对于日地连线越偏,上升时间越长;异常SSC事件上升时间与行星际磁场方向关系不明显.      

地球磁场对太阳风扰动响应的研究

分别对行星际激波、太阳风动压增大事件和减小事件的地球磁场响应进行了比较. 分析结果表明, 同步轨道磁场对太阳风扰动在向阳面产生较强的正响应, 在背阳面 响应较弱且有时会出现负响应, 地磁指数SYM-H对太阳风扰动的响应为正响应. 同时还得出, 向阳侧同步轨道磁场响应幅度d Bz与地磁指数响应幅度d SYM-H、上下游动压均方差均具有较好的相关性. 地磁指数响应幅度与同步轨道磁场响应幅度相关关系在激波和动压增大事件中具有一致性, 动压减小事件出 现明显差异, 这说明激波和动压增大事件在影响地球磁场方面具有某种共性.      

模糊聚类分析在耀斑-地磁扰动研究中的初步应用

本文运用模糊聚类分析的方法,对1975—1983年可证认出的210个耀斑-IPS激波事件进行了分析研究,给出了它们的聚类指标和模糊等价关系以及大、中、小三类耀斑-磁扰的聚类中心。初步研究结果表明:95％的耀斑-IPS激波会引起地磁扰动(∑Kp≥16);对持续1小时以上的二级耀斑和2小时以上的一级耀斑,以及多个射电源的IPS观测均出现50km/8以上的速度跳跃这类大耀斑-IPS激波事件进行模糊聚类磁扰强弱预报试验,其准确率可达80％;这种大耀斑-IPS激波事件所对应的地磁扰动变化范围很宽,从∑Kp≥12直到∑Kp≤54,这说明耀斑-激波在行星际空间的传播以及向地球的传输过程是十分复杂的。      

Prediction tests by using “ISF” method for the geomagnetic disturbances

A so-called “ISF” prediction method for geomagnetic disturbances caused by solar wind storms blowing to the Earth is suggested. The method is based on a combined approach of solar activity, interplanetary scintillation (I) and geomagnetic disturbance observations during the period 1966–1982 together with the dynamics of solar wind storm propagation (S) and fuzzy mathematics (F). It has been used for prediction tests for 37 geomagnetic disturbance events during the descending solar activity phase 1984–1985, and was presented in 33rd COSPAR conference. Here, it has been improved by consideration of the three dimensional propagation characteristics of each event, the search for the best radio source and the influence of the southward components of interplanetary magnetic fields on the geomagnetic disturbances. It is used for prediction tests for 24 larger geomagnetic disturbance events that produced space anomalies during the period 1980–1999. The main results are: (1) for the onset time of the geomagnetic disturbance, the relative error between the observation, T_obs, and the prediction, T_pred, ΔT_pred/T_obs  10% for 45.8% of all events, 30% for 78.3% and >30% for only 21.7%; (2) for the magnetic disturbance magnitude, the relative error between the observation, ∑K_p,obs, and the prediction, ∑K_p,pred, Δ∑K_p,pred/∑K_p,obs  10% for 41.6% of all events, 30% for 79% and 45% for 100%. This shows that the prediction method described here has encouraging prospects for improving predictions of large geomagnetic disturbances in space weather events.     

A first step towards proton flux forecasting

We present a preliminary version of a potential tool for real time proton flux prediction which provides proton flux profiles and cumulative fluence profiles at 0.5 and 2 MeV of solar energetic particle events, from their onset up to the arrival of the interplanetary shock at the spacecraft position (located at 1 or 0.4 AU). Based on the proton transportation model by Lario et al. [Lario, D., Sanahuja, B., Heras, A.M. Energetic particle events: efficiency of interplanetary shocks as 50 keV E < 100 MeV proton accelerators. Astrophys. J. 509, 415–434, 1998] and the magnetohydrodynamic shock propagation model of Wu et al. [Wu, S.T., Dryer, M., Han, S.M. Non-planar MHD model for solar flare-generated disturbances in the Heliospheric equatorial plane. Sol. Phys. 84, 395–418, 1983], we have generated a database containing “synthetic” profiles of the proton fluxes and cumulative fluences of 384 solar energetic particle events. We are currently validating the applicability of this code for space weather forecasting by comparing the resulting “synthetic” flux profiles with those of several real events.     

太阳活动高年期间(1978—1981)耀斑-行星际激波传播的三维平均特性——日本行星际闪烁(IPS)观测的初步分析

文中通过对行星际激波传播的动力学效应的考虑,根据日本的IPS观测资料,对太阳活动高年期间85个耀斑-IPS激波事件进行了统计研究.结果表明:(1)激波的传播相对耀斑法线方向是非对称传播.传播最快的方向,就经度而言趋向行星际螺旋形磁场方向;就纬度而言很接近在此事件期间日球电流片的平均纬度.(2)传播的纬度范围(-60°— +40°)远比传播的经度范围(<—90°—+90°)小.(3)激波的能量分布有明显的东-西、南-北不对称性,它决定了激波传播的非对称特性.所研究的85个耀斑-激波的平均能量～2.7×1031尔格(单位立体角).上述结果与我们分析美国圣地亚哥IPS观测所得结果基本一致[3].      

Some characteristics of propagation of flare- or CME-associated interplanetary shock waves

Many interplanetary shock waves have a fast mode MHD wave Mach number between one and two and the ambient solar wind plasma and magnetic field are known to fluctuate. Therefore a weak, fast, MHD interplanetary shock wave propagating into a fluctuating solar wind region or into a solar wind stream will be expected to vary its strength.It is possible that an interplanetary shock wave, upon entering such a region will weaken its strength and degenerate into a fast-mode MHD wave. It is even possible that the shock may dissipate and disappear.A model for the propagation of a solar flare - or CME (Coronal Mass Ejections) - associated interplanetary shock wave is given. A physical mechanism is described to calculate the probability that a weak shock which enters a turbulent solar wind region will degenerate into a MHD wave. That is, the shock would disappear as an entropy-generate entity. This model also suggests that most interplanetary shock waves cannot propagate continuously with a smooth shock surface. It is suggested that the surface of an interplanetary shock will be highly distorted and that parts of the shock surface can degenerate into MHD waves or even disappear during its global propagation through interplanetary space. A few observations to support this model will be briefly described.Finally, this model of shock propagation also applies to corotating shocks. As corotating shocks propagate into fluctuating ambient solar wind regions, shocks may degenerate into waves or disappear.