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。      

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.      

太阳耀斑和地磁扰动的统计分析(1966—1978)

本文给出了不同等级、不同持续时间、发生在日面不同日心经距上的太阳耀斑所引起的各种地磁指数(Ap、AE、Dst和Kp指数)的变化,讨论了各类耀斑所引起的地磁扰动的特点以及耀斑的日心经距及其喷发物在日地空间的传播速度对磁扰强度的影响。      

利用聚类算法区分小尺度电离层行扰事件与赤道等离子体泡事件

利用Swarm卫星2015年1月1日至2019年12月31日的50Hz高频磁场数据,根据阈值判断垂直于主磁场方向的扰动,对磁纬45°N-45°S之间的小尺度电离层行扰事件进行探测.为避免混淆而产生的干扰,可以根据阈值判断平行于主磁场方向是否发生扰动,从而排除典型的赤道等离子体泡事件.但对于较弱的赤道等离子体泡事件,扰动阈值判断无效.为避免弱赤道等离子体泡事件的污染,根据小尺度电离层行扰事件和赤道等离子体泡事件在不同参数空间中的密度分布差异,利用基于密度的聚类算法将赤道等离子体泡事件进一步甄别提取.结果表明,聚类算法能够有效地将赤道等离子体泡事件从小尺度电离层行扰事件中甄选出来,并使小尺度电离层行扰事件聚类与赤道等离子体泡事件聚类形成清晰的边界.由聚类算法导出的弱赤道等离子体泡事件主要分布在磁纬15°N-15°S,地理经度20°-60°W,月份10至3月之间,并且在20:00MLT-24:00MLT存在高发生率,同时依赖于太阳活动,这也验证了前人的相关研究结果.      

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].      

一种新的太阳质子事件警报方法的探讨

本文分析了第21太阳活动周后半期的太阳质子耀斑硬X射线辐射资料, 发现它们的峰值流量、积分流量、上升沿斜率、X光子的最高能量和持续时间等物理参数之间有着不同于非质子耀斑的相关性。据此, 本文采用模糊聚类分析法, 对21太阳活动周期间(1980.2—1986.2)的质子事件进行预报试验。其报准率为88.5%, 虚报率为53.1%, 漏报率为11.5%。本文提供了基于X射线辐射特征的太阳质子事件警报的新途径和方法。      

一种改进的Kp指数现报模式

在评估国际常用Kp指数现报模式Takahashi及其应用于中国地磁台站效果的基础上,提出了一种改进的地磁Kp指数现报模式,其可以有效识别地磁规则日变化的逐日变化特性,反映地磁扰动的季节效应和地方时效应,从而提升了Kp指数现报的准确性.采用Takahashi模式开发时所使用的台站数据进行对比,新模式将单站地磁Kp指数现报效率由0.77提升至0.84,多站联合Kp指数现报效率由0.88提升至0.92;采用2000—2006年北京十三陵台站(BMT,磁纬29°N)数据进行评估,Kp指数现报效率由0.70提升至0.80.对Kp指数现报结果的误差分析发现,现报误差存在明显的地方时差异和一定的季节差异,误差随扰动强度变化并在中强磁扰时最大.利用SuperMAG的指数分析表明,Kp台站的经度不均匀分布会对现报效果造成一定影响.     

由太阳爆发事件特征预报地磁暴方法研究

CME是非重现性地磁暴的诱因,通过对太阳耀斑爆发活动的特征与可能引起地磁活动的CME进行统计分析,发现太阳耀斑的强度、位置、持续时间以及耀斑所伴随的太阳质子事件和行星际高能质子通量的增长与CME的特征及可能产生的地磁扰动有着密切的关系.在对数据分析的基础上,建立了基于人工神经网络的预报模式,对太阳耀斑爆发活动所引起的地磁扰动的发生及Ap指数进行了预报,取得了较好的结果.      

太阳耀斑行星际激波传播中的追赶效应

本文采用二维MHD模型对具有不同间隔时间的2个耀斑先后爆发,模拟研究它们所对应的行星际激波间的追赶效应,并和单个耀斑所产生的行星际激波相比较。研究结果表明,间隔时间一天以内的2个耀斑激波在行星际空间向外传播时,激波之间有明显的相互作用发生,间隔时间的长短决定了激波传播过程中追赶效应的强弱。根据数值试验结果,追赶效应可归纳为4类,(1)强追赶效应,(2)中等追赶效应,(3)弱追赶效应,(4)无追赶效应。属于强追赶效应的2个耀斑激波传播至1AU处,产生的行星际扰动非常相似于单个耀斑激波的扰动。     

基于IGS电离层TEC格网的扰动特征统计分析

电离层总电子含量（TEC）是研究空间天气特性的重要参量,通过分析电离层TEC,可以了解空间环境的变化特征.利用IGS提供的1999—2016年全球电离层TEC格网数据,按照地磁纬度将全球划分为高、中、中低、低磁纬四个区域,计算不同区域的电离层扰动;利用大量统计数据选取电离层扰动事件的判定阈值,分析电离层扰动与太阳活动、时空之间的关系;计算电离层扰动指数与地磁活动之间的相关系数.结果显示:电离层扰动与太阳活动变化具有较强的正相关特性.在太阳活动低年,电离层扰动事件发生的概率约为1.79%,在太阳活动高年发生扰动的概率约为10.18%.在空间分布上,无论是太阳活动高年还是低年,高磁纬地区发生扰动事件的概率均大于其他磁纬出现扰动事件的概率.计算得到的中磁纬和中低磁纬地区电离层扰动指数与全球地磁指数Ap的相关系数分别为0.57和0.56,说明电离层扰动指数与Ap具有较好的相关关系;高磁纬电离层扰动指数与Ap的相关系数为0.44;低磁纬扰动指数与Ap的相关系数为0.39.以上结果表明,不同区域电离层扰动与全球地磁指数Ap的相关性不同,测定区域地磁指数可能会提高与电离层扰动的相关性.      

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.     

2005年8月24日强磁暴事件对高层大气密度的扰动

对2005年8月24日发生的突发型强磁暴(Kp峰值达到9)事件,利用星载大气密度探测器在轨实时的连续探测数据进行了处理和分析.结果表明,此次强磁暴事件期间,引起560 km高度附近大气密度剧烈扰动,并存在着两种响应过程.一种是跟随地磁扰动程度变化的全球性大气密度涨落变化,响应时间滞后6h左右, 最大涨落变化比为2.5;另一种为磁暴峰期出现在高纬地区的大气密度突发性跃增,增变比高达5.5.后者存在着区域上的不对称性及时间上的突发性和增幅的差异.此次强磁暴峰期还同时出现了南北半球高纬地区的大气密度跃增双峰.同时还表明这种增变峰可能存在着由高纬向低纬地区迅速推移的现象,在中纬地区推移速度可达15°/h(纬度)左右.      

The Physical Foundation of Forecasting Disturbances in the Geospace From Solar Disk Characteristics

The five main types of antisunward propagating energetic fluxes (particles and emission) may be thought of as well established to date, the effects of which lead to a particilar character of disturbance in the near-terrestrial environment (the Earth's magnetosphere, ionosphere and atmosphere). The strongest global restructuring of the magnetosphere and ionosphere is caused by fluxes of relatively dense n of 1-70 cm-3 at the Earth's orbit) Solar Wind (SW) quasi-neutral, low-energy (E ＜ 10 keV) plasma which cause magnetospheric and ionospheric storms lasting 24 hours or longer. For that reason, main attention is given to their study at the initial stage of research. The physical essence of the method of predicting disturbances in the near-terrestrial space environment, the amplitude of which can be expressed in, for example, the Kp index units, involves:(1) identifying all the most geo-effective SW streams of type, (2) determing their sources on the solar disk,and (3) quantifying the correlations between the characteristics of their solar sources with a maximum value of the Kp-index that is caused by the concerned type of SW stream. Semi-phenomenological relations have been obtained, which relate parameters of type SW stream sources to characteristics of geomagnetic storms:storm commencement, the time at which the storm intensity reaches its maximum values, the storm duration,as well as to the storm amplitude expressed in terms of geomagnetic indeces.      

Study of mid-latitude ionospheric convection during quiet and disturbed periods using the SuperDARN Hokkaido radar

Westward ionospheric convective flows around midnight are frequently observed at mid-latitudes. They can be generated by so-called disturbance dynamo mechanisms working mainly in the mid-latitudes. To understand the influence of disturbance dynamo effects in the mid-latitudes, we studied the latitudinal distribution of westward flows in association with several kinds of geomagnetic disturbances using the SuperDARN Hokkaido radar. This radar creates high temporal resolution (1 s to 2 min), two-dimensional observations measuring the line-of-sight velocities of ionospheric plasma irregularities, which can be regarded as line-of-sight velocities of ionospheric convection in the mid-latitude region from 40° to 50°. This region could not be monitored using preexisting SuperDARN radars. In this study, we used ionospheric echo data obtained by the SuperDARN Hokkaido radar over 5 years (December 2006 to November 2011). We identified westward flows around midnight at about 40° to 55° geomagnetic latitude. Additionally, the data showed that the westward flow around midnight intensified under high geomagnetic activity (high Kp). This suggests that the disturbance dynamo could affect the mid-latitude ionospheric convection. We performed Superposed Epoch Analysis (SEA) to study the influences from the geomagnetic disturbances on mid-latitude ionospheric convection. We found no obvious influence during major storms (minimum Dst below −60 nT). SEA was also used to study the temporal and latitudinal dependence on the influences from substorms. From analysis of 36 events of AL-defined substorms, we saw that the influence of substorms lasted from 5 to 20 h after the onset between 44° and 53° geomagnetic latitude. The westward flow at mid-latitude grew to a maximum at 12 h after the geomagnetic substorm onset. This is consistent with the results of past numerical simulation studies of the disturbance dynamo effects.     

Geomagnetic transmission disturbances and heavy-ion fluences observed in low Earth orbit during the solar energetic particle events of October 1989.

The large solar energetic particle (SEP) events and simultaneous large geomagnetic disturbances observed during October 1989 posed a significant, rapidly evolving space radiation hazard. Using data from the GOES-7, NOAA-10, IMP-8 and LDEF satellites, we determined the geomagnetic transmission, heavy ion fluences, mean Fe ionic charge state, and effective radiation hazard observed in low Earth orbit (LEO) for these SEPs. We modeled the geomagnetic transmission by tracing particles through the combination of the internal International Geomagnetic Reference Field (IGRF) and the Tsyganenko (1989) magnetospheric field models, extending the modeling to large geomagnetic disturbances. We used our results to assess the radiation hazard such very large SEP events would pose in the anticipated 52 degrees inclination space station orbit.     

基于机器学习相似度算法的Kp指数预报

基于机器学习中的相似度算法,建立了在历史太阳风数据中寻找与当前太阳风特征相近事例的推荐模型,用来预报地磁Kp指数.使用1998-2019年间随机选择的120个太阳风事例作为测试数据集,该模型能够推荐得到历史上与输入太阳风造成相似地磁影响的太阳风事例,最优事例的Kp指数与实际值的均方根误差为0.79,相关系数为0.93....     

太阳活动突发过程对临近空间大气影响的模拟

空间天气对地球及近地空间具有重要影响,大的空间天气事件对中上层大气动力学和成分具有不同的影响。利用全大气耦合模式WACCM,针对太阳耀斑、太阳质子、地磁暴三类事件,以太阳活动平静期2015年5月10-14日的GEOS-5数据为模式背景场,通过F_10.7、离子产生率、Kp及Ap指数设置,分别模拟三类事件对临近空间大气温度、密度和臭氧的影响。结果表明耀斑事件在三类事件中对临近空间大气温度和密度的影响最为显著。平流层大气温度增加是由耀斑辐射增强引起平流层臭氧吸收紫外辐射发生的光化学反应所致,耀斑事件引起平流层和低热层温度增加约为2～3 K,低热层大气相对密度增加在6%以内;太阳质子事件及磁暴事件主要影响低热层,但太阳质子事件和磁暴事件对低热层温度扰动不大于1 K。