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.      

神经网络方法在太阳质子事件短期预报中的应用

在大量统计结果的基础上,深入研究了太阳质子事件预报机理．总结了质子事件爆发与太阳活动区面积、位置、McIntosh结构、磁结构以及前两天活动区爆发耀斑事件数目之间的关系．然后,在神经网络的基础上建立了太阳质子事件短期预报模型,并对2000年以后12个未参加训练的样本进行测试,结果对事件预报的准确率为83％．此外,我们还利用该模型对2002年1-4月发生的几次质子事件进行了预报试验,结果发现,这期间发生的6次事件都被预报．其中3次质子事件系统预报提前了3天,两次事件预报提前了2天,一次事件提前1天预报．     

相似预报法在电离层TEC短期预报中的应用

引入相似离度衡量样本间的相似程度, 并利用相似预报法对厦门一个GPS台站2004年电离层TEC观测数据进行了24,h预报试验. 结果表明, 预报相对误差与地磁活动水平密切相关, 地磁扰动条件下相对误差明显高于地磁平静时刻; 预报相对平均误差为18.022%, 地磁扰动时为44.896%, 地磁平静条件下为11.676%; 预报相对误差在10%, 20%, 30%, 40%以内的累积比例分别为38.209%, 65.075%, 84.984%,90.448%. 如果使用中纬地区或地磁平静期间的电离层TEC数据, 预报效果会更好.      

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。     

利用相似周方法预测第24活动周开始时间

利用相似周方法对第24活动周的开始时间与第23活动周下降相后期的太阳黑子数进行了预报.根据第23周已经出现的特征参量和下降相的形态特征,选取9,10,11,15,17和20等六个太阳活动周作为第23周下降相的相似周,对第24周开始时间进行预报.预报结果显示,第24活动周的开始时间为2007年5±1月,黑子数平滑月均极小值为7.1±2.6,第23太阳活动周长度为11.1年.与其他研究者的预报结果相比较,本文给出的结果与文献[11]和[12]及MSFC的结果比较一致.通过对相似周方法在下降相预测太阳活动周结束时间的研究讨论,及对第23周上升阶段的太阳黑子数和F10.7平滑月均值预报结果的评估,可以看出,相似周预报方法在太阳活动周长期预报中是很有应用价值的.      

太阳风速度的周期结构分析

本文应用功率谱估计中的加窗法和最大熵法对第20太阳活动周太阳风速度的周期结构进行了频谱分析;为了克服太阳活动高年瞬变扰动的干扰,本文还用互相关滤波方法与谱分析进行了比较。得到如下结果:除了个别年代外,在太阳活动周的所有相位里,太阳风速度几乎都存在13天和27天两种主要周期变化成份。在一些年里,还有9天的周期成份存在。      

利用神经网络技术提前一小时预报Dst指数

利用神经网络技术并考虑地磁活动的周期性,提出了一种提前一小时预报Dst指数的方法.网络的输入包括时间、季节、当前时刻及其一阶增量、二阶增量、前27天Dst指数的平均值.以下一时刻Dst指数作为输出对网络进行训练,训练好的网络可以提前一小时预报Dst指数.分别用1985年、1986年、1990年和1991年Dst指数数据进行检验.结果表明,预报结果与观测数据符合较好,Dst指数预报误差的均方根分别为4.00 nT,3.72 nT,5.35 nT,6.82 nT.误差分析表明,Dst指数的预报结果太阳活动低年比高年好.     

冕洞相关地磁Ap指数中短期预报方法研究

地磁Ap指数是描述全球地磁活动水平的重要指数, 过去许多参考大气模式中都用Ap指数来表述地磁活动状态, 大气模式的运行需要输入地磁Ap指数, 因此, 地磁Ap指数的预报一直是空间环境预报中一个非常重要的内容. 针对太阳活动低年冕洞引起的地磁扰动具有明显27天重现的特性, 利用修正的自回归方法, 对地磁Ap指数进行了提前27天的预报; 采用从SOHO/EIT观测资料发展出来的描述冕洞特性的Pch因子, 进行了提前三天的地磁Ap指数预报. 结果显示, 将统计方法与物理分析相结合, 进行地磁Ap指数的中短期数值预报, 可以得到较好的预报效果.      

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%。      

大气密度模型球谐修正研究

大气模型修正是提高模型精度的一种重要方法.利用CHAMP卫星高精度加速仪反演的密度数据,采用球谐函数的形式对NRLMSISE-00模型进行修正.为了消除轨道高度变化对密度修正结果的影响,将密度数据同化到同一高度处,计算修正之后的密度误差,进而对未来三天的密度进行预报.结果表明,经球谐修正后,修正误差和预报误差均有显著降低.在太阳活动高年,修正误差可降至10%左右,提前1~3天预报精度分别提高31.34%,21.39%和13.75%;太阳低年时修正误差可降至14%左右,提前1~3天预报精度分别提高55.03%,47.79%和43.60%.      

太阳10.7 cm射电流量中期预报模型研究(Ⅱ)

太阳活动指数中期预报一直是空间环境业务预报的难点之一.本文在自回归方法模型的基础上,利用太阳活动区面积、位置等参数与10.7cm辐射流量之间的定量关系,根据活动区面积衰减规律,建立了一个基于活动区参数及演化规律的改进型太阳活动指数中期预报模型.通过对预报测试实例分析发现,在日面出现较大活动区导致F_(10.7)迅速增长并超过历史数据峰值的情况,在日面活动区消亡导致指数突然出现平静期的情况,新模型的预报准确性相比自回归模型有很大提高,预报的平均相对误差下降约5%～9%.由此可见,新模型在某些特定条件下提高了原有模型的精度.该研究为提高业务型太阳10.7cm射电流量中期预报模型的预报精度奠定了基础.     

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.      

Predicting indices of the ionosphere response to solar activity for the ascending phase of the 25th solar cycle

The international reference ionosphere, IRI, and its extension to plasmasphere, IRI-Plas, models require reliable prediction of solar and ionospheric proxy indices of solar activity for nowcasting and forecasting of the ionosphere parameters. It is shown that IRI prediction errors could increase for the F2 layer critical frequency foF2 and the peak height hmF2 due to erroneous predictions of the ionospheric global IG index and the international sunspot number SSN1 index on which IRI and IRI-Plas models are built. Regression relation is introduced to produce daily SSN1 proxy index from new time series SSN2 index provided from June 2015, after recalibration of sunspots data. To avoid extra errors of the ionosphere model a new solar activity prediction (SAP) model for the ascending part of the solar cycle SC25 is proposed which expresses analytically the SSN1 proxy index and the 10.7-cm radio flux F10.7 index in terms of the phase of the solar cycle, Φ. SAP model is based on monthly indices observed during the descending part of SC24 complemented with forecast of time and amplitude for SC25 peak. The strength of SC25 is predicted to be less than that of SC24 as shown with their amplitudes for eight types of indices driving IRI-Plas model.     

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.     

27-day variation in solar-terrestrial parameters: Global characteristics and an origin based approach of the signals

The Earth and the near interplanetary medium are affected by the Sun in different ways. Those processes generated in the Sun that induce perturbations into the Magnetosphere-Ionosphere system are called geoeffective processes and show a wide range of temporal variations, like the 11-year solar cycle (long term variations), the variation of ～27?days (recurrent variations), solar storms enduring for some days, particle acceleration events lasting for some hours, etc.In this article, the periodicity of ～27?days associated with the solar synodic rotation period is investigated. The work is mainly focused on studying the resulting 27-day periodic signal in the magnetic activity, by the analysis of the horizontal component of the magnetic field registered on a set of 103 magnetic observatories distributed around the world. For this a new method to isolate the periodicity of interest has been developed consisting of two main steps: the first one consists of removing the linear trend corresponding to every calendar year from the data series, and the second one of removing from the resulting series a smoothed version of it obtained by applying a 30-day moving average. The result at the end of this process is a data series in which all the signal with periods larger than 30?days are canceled.The most important characteristics observed in the resulting signals are two main amplitude modulations: the first and most prominent related to the 11-year solar cycle and the second one with a semiannual pattern. In addition, the amplitude of the signal shows a dependence on the geomagnetic latitude of the observatory with a significant discontinuity at approx. ±60°.The processing scheme was also applied to other parameters that are widely used to characterize the energy transfer from the Sun to the Earth: F10.7 and Mg II indices and the ionospheric vertical total electron content (vTEC) were considered for radiative interactions; and the solar wind velocity for the non-radiative interactions between the solar wind and the magnetosphere. The 27-day signal obtained in the magnetic activity was compared with the signals found in the other parameters resulting in a series of cross-correlations curves with maximum correlation between 3 and 5?days of delays for the radiative and between 0 and 1?days of delay for the non-radiative parameters. This result supports the idea that the physical process responsible for the 27-day signal in the magnetic activity is related to the solar wind and not to the solar electromagnetic radiation.     

太阳活动变化分析

利用Morlet小波变换方法对太阳黑子相对数进行了分析,对太阳活动变化得出了一些有意义的结果.太阳活动存在10.7 a和101 a的变化周期,以10.7 a周期最为显著.太阳活动强弱变化存在一定的阶段性,在1950年发生了气候突变,之后太阳活动明显加强,未来一段时间太阳活动较弱.      

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。     

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.