亚暴起始地磁指数判断的统计研究

利用2004年地磁西向电急流 AL指数, 亚暴电急流AE指数和场向电流AF指数来确定亚暴起始, 并与2004年亚暴极光起始进行对比. 研究发现, 如果以极光亚暴起始为时间零点, 亚暴的西向电急流AL起始和电急流AE起始主要分布于-5~+6 min的时间范围内, 但在-9~+9 min的时间范围内也有个别事例. 场向电流 AF 起始分布较宽, 可以分布于-8~+7 min的时间范围内. 平均西向电急流AL起始, 电急流AE起始和场向电流AF起始分别为0.5, 0.5, -0.1min. 通常西向电急流AL起始与极光起始同时的概率最高, 而多数情况下电急流AE起始和场向电流AF起始提前极光起始1min. 这些地面磁场指数确定的亚暴起始分布, 随着亚暴强度的增大(即最小AL指数减少, 最大AE指数增大, 最大AF指数增大)而向极光亚暴起始靠近. 对于5个超级亚暴来说, 其西向电急流AL起始和电急流AE起始都发生在极光起始之前. 这些结果说明对于大亚暴, 电急流的增加要早于极光爆发.      

利用AE指数重构磁层相空间—对存在问题的讨论

1引言由于磁层的物理过程受到太阳风到电离层诸多过程的影响并包含了许多空间和时间尺度，因此磁层是个相当复杂的系统．人们希望通过新的非线性科学理论了解这一系统的基本参数．因而许多学者纷纷用目前能较好反映磁层活动的极光电集流指数AE（或AL）及常用的相空间重构方法对磁层进行研究．他们利用不同时间段的AE指数和GP方法I’域SVD法l’］得到的吸引子的关联维在2－4之间，因此，认为磁层是一个具有低维吸引子的动力学系统．然而有人用修正的QP法l’］详细计算了多个时间段AE指数的关联维，发现计算的关联继大小依赖于磁层的活…     

基于紫外极光图像的极光电集流指数模型

极光电集流指数AE是描述地磁亚暴强弱的重要指标,且与极区磁层扰动及极光粒子沉降过程密切相关。因此,建立更加准确的极光电集流指数模型对空间天气的研究具有重要意义。利用1997年POLAR卫星紫外极光图像数据探究了紫外极光图像中极光强度IAP的空间分布与AE指数在不同季节的相关性,并在此基础上提出了基于紫外极光图像的AE指数模型。以网格化方法提取极光强度空间分布特征,采用广义回归神经网络,通过相关系数法和方差选择法构建Cor-GRNN和Var-GRNN两种AE指数模型,并针对冬至月份、夏至月份、分点月份3个季节分别进行训练。研究结果表明,AE指数与IAP具有相似的半年变化趋势,其相关性在不同季节差异较大。相比于太阳风驱动下的AE指数神经网络预测模型,基于极光图像的AE指数模型在ERMS和R2标准上均优于其他模型,其中归一化ERMS小于0.1,模型对于AE指数变化的可解释度提升了10%左右。     

利用BP神经网络预测AE指数

采用的预报模式是一种全连接的BP网络模型,利用太阳风及行星际磁场的观测数据预报AE指数.神经网络输入选用ACE卫星数据,取5 min平均值,通过比较,选用4个预报参量.构造了预报参量时续为20 min,40 min和60 min依次递增的三个网络,分别进行训练和预测,并对行星际参量对AE指数影响的时续性进行了探讨.预报结果表明,全连接BP神经网络在AE指数的短期预报中是比较有效的,同时还提出了需要进一步改进的环节.      

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.      

磁尾瓣区的场向电流

本文利用ISEE-2卫星的磁场和粒子资料(电子:75keVδ<1300keV,质子:170keVp<400keV),发现在磁尾远离等离子片的尾瓣区,常常同时探测到粒子脉冲和横向磁场扰动,表明有场向电流片存在。电流片的积分强度在3.3—21mA/m之间,与Frank等在磁尾等离子片边界上测量到的场向片电流积分强度可相比较。电流片总是成双成对,电流片的强度与AE指数或亚暴的关系密切。和磁层其他区域不同,在磁尾瓣区,经常探测到△B_x和△B_y同时存在,且△B_x和△B_y可相比拟的情形,它们可以用运动的线电流或不均匀密度的电流片来解释。      

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

从射电频谱指数的变化推求非热粒子能谱指数的变化

本文提出了一种由射电爆发的频谱指数α去推求电子能谱指数δ的方法;并对质子事件能谱指数和爆发峰值时的射电频谱指数之间作了相关统计,得到相关系数为0.70.以1972年8月7日15h22mUT的大爆发为例,在不同频率上进行了计算.由不同时刻的α所算得的δ值表明,在爆发峰值之前,电子能谱近似地可用幂律分布来表示;而在峰值之后,则与幂律分布有所偏离.在爆发脉冲相的20分钟时间内,δ值的变动范围约为0.4—3.6.      

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.      

电离层电场对环电流变化响应的时延

本文讨论了强磁暴期间磁层环电流能量变化率与电离层电场变化之间的联系.STARE和SABRE雷达资料表明,电离层对环电流变化响应的主要特点是:(1)在磁地方时午后区,响应的时延达最大(约1—2小时),场强以指数形式增加;在其它时区内,无系统的增强过程,仅观测到较大的、有明显涨落的电场值.(2)STARE(70.2°N)和SABRE(65.8°N)测到的电场变化往往具有相反的趋势.(3)在STARE视场内,环电流能量变化达极大后,较低纬(70.2°N)上的电场值经常大于较高纬(71.8°N)上的值.分析结果表明,磁暴期间磁层-电离层耦合过程中,环电流起着重要作用.      

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.      

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.      

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.     

地球磁层亚暴统计分析

利用AL和AE指数对第24个太阳活动周发生的亚暴事件进行统计分析.主要统计了关于磁层亚暴的强度,亚暴初值与恢复值的关系,亚暴持续时间,亚暴恢复相与增长相（包括膨胀相）持续时间的关系等.统计结果表明:在第24个太阳活动周中2008-2016年发生的亚暴事件大部分比较剧烈,其峰值大都在200～1200nT;初值和恢复值大都在30～100nT,并且事件占比符合正态分布;大部分亚暴都能恢复到亚暴初值60nT以内,并且差值越小,事件的占比越大.大部分亚暴的持续时间较长,在100～400min之间,其中增长相（包括膨胀相）持续时间均在120min以内,并且持续时间越长,其事件占比越小;大部分亚暴事件的恢复相持续时间在60～300min之间,并且呈现出正态分布特征.绝大多数亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的10倍以下,其中约一半亚暴事件的恢复相持续时间为增长相持续时间的1～4倍.这说明亚暴的能量聚集速度约为能量释放速度的1～4倍.      

AE指数表现出的磁层的浑沌行为

时间序列的非线性预测误差可用来辨别产生这个时间序列的动力学系统是浑沌的还是随机的。据此,本文分析了自1982年1月30日12点开始的分辨率为1min的AE指数构成的时间序列,共15000个数据点。首先用其中的一部分数据构造了一个从非线性确定性的到线性统计的范围很宽的预测模型,然后利用此模型对另一部分数据进行预测。预测误差的结果表明,AE指数所表征的磁层具有浑沌行为。用同样的数据,利用滞后时间相空间重构法得到的系统吸引子的关联维为2.5.      

基于多台站观测的中国区域地磁指数

利用中国14个地磁台站和全球23个地磁台站的H分量分钟值数据,分析单台站小时幅度指数r_H的时空分布特征,在此基础上结合台站之间r_H指数的相似度度量(残差指数Ra),采用K均值聚类算法将中国14个地磁台站划分为7个区域,根据加权法计算各区域的区域指数Rr.结果表明,r_H指数具有27天太阳自转周变化,季节变化不显著,但仍存在春秋季大而冬夏季小的特征;在空间变化上,r_H随纬度的增高而增大,并且在磁暴期间r_H指数的幅值和形态均表现出明显的经度差异,随地方时呈现晨-昏不对称现象;与Dst指数、SYM-H指数、Kp指数及各区域内台站的H分量观测数据对比分析发现,区域指数Rr能有效反映区域地磁扰动.      

GISM模型在中国低纬地区的适用性分析

为检验全球电离层闪烁模型（GISM）在中国低纬地区预测的准确性,根据2011年7月至2012年6月期间中国低纬地区三个观测站记录的GPSL1频点的电离层闪烁数据,对GISM模型的预测结果进行了分析.研究表明,在太阳活动高年,该模型能够反映出中国低纬地区闪烁的主要特征.模型预测的闪烁开始时间与观测结果较为一致,而结束时间滞后观测值约1h;模型预测的低纬地区闪烁强度峰值与观测结果基本一致,而在相同累积概率条件下,模型预测的闪烁强度则高于观测值;模型显示闪烁发生概率和闪烁强度随纬度的增加而减小,这一结果与观测结果一致.      

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。      

亚暴起始位置和膨胀相持续时间对行星际磁场Bz分量的响应

磁层亚暴是太阳风–磁层–电离层耦合过程中的重要爆发性事件,其特性受太阳风参数的影响很大。本文利用对IMAGE卫星在2000 － 2005年观测到的4193个亚暴起始事件,统计研究了在不同的行星际磁场（IMF）B_z 条件下亚暴起始位置和膨胀相持续时间。结果表明,南向IMF发生的亚暴比北向IMF下发生的亚暴要多。南向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上>600 nT,并有随南向IMF持续时间增大而增大的趋势。北向IMF条件下亚暴AE指数最大值的平均值基本上<500 nT,并有随北向IMF持续时间增大而减小的趋势。亚暴的起始磁纬度基本上位于65° － 70°之间。当南向IMF或北向IMF的持续时间增大,超过80 min时,北半球的亚暴起始磁纬度会降低。亚暴起始磁地方时大部分位于22:15 － 23:15 MLT之间。但整体分布比较分散,显示不出特别清晰的随IMF B_z持续时间变化的趋势。相比于南向的IMF,北向IMF期间发生亚暴的平均膨胀相持续时间增大了将近10 min,表明南向IMF期间,亚暴强度虽然较大,但其膨胀相持续时间较短,亚暴能量释放和耗散的速度更快。      

关于磁尾高能粒子脉冲的一些特性

利用行星际监察卫星IMP-J取得的高能粒子探测数据(质子能档P4:230keV>E>160keV)与极光电激流指数AE作相关分析,在地心太阳磁层坐标下,按照Fairfield关于中性片对地心太阳磁层"赤道面"的偏离模式,把磁尾分成三个区域:中性片区域、低纬区域和高纬区域。结果表明:(1)高能粒子脉冲的平均强度在中性片区域最强,低纬次之,高纬最弱,表明高能粒子脉冲源区在中性片区域;(2)中性片附近,粒子脉冲和AE指数相关最好,达0.59,低纬次之,高纬几乎无相关,表明粒子脉冲与亚暴事件有关,它是磁尾中性片附近磁力线重联产生的感应电场加速的结果;(3)粒子加速区局限于中性片附近的薄层内,与国外结果完全一致。