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。      

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。      

行星际激波传播至1AU的渡越时间预测

考虑了激波爆发源角宽度、能量、驱动时间、激波速度及其与背景太阳风之间的相互作用,利用流体力学扰动方程建立起一个激波扰动传播模型,用于研究激波从太阳传播到地球轨道附近(1 AU处)所需要的时间(渡越时间)问题.为印证扰动传播模型的适用性,利用1979-1989年间的27个激波事件,以及1997年2月到2000年1月间的68个激波事件,对激波到达地球轨道附近的渡越时间进行了预测,并将结果与STOA和ISPM预报模型结果进行了比较.实验表明,该模型在所有95个事件中,渡越时间相对误差小于10%的事件数占总事件数的25.26%;相对误差小于20%的占总事件数的50.53%;相对误差小于30%的占总事件的65.26%.      

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.      

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.      

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.      

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.     

利用Hp分量预测空间环境地磁活动指数Kp

地磁场扰动可以引起近地空间环境(包括电离层和磁层)一系列变化,地磁Kp指数是空间天气扰动的重要参考指标.采用地球同步轨道GOES-8卫星监测到的垂直于同步卫星轨道平面的地磁分量Hp数据,分析了地磁Kp指数与Hp分量波动幅度间的统计关系,结果显示,Hp分量的变化与Kp指数具有很好的相关性.利用回归分析和RBF神经网络方法,建立了Kp指数现报模型,根据地球同步轨道地磁场Hp分量的变化,计算出相同时段的Kp指数.监测结果表明,预报方法具有一定的有效性和实用性,特别是人工神经网络模式计算的Kp指数与实测结果吻合很好.利用此方法能够在不依赖于地面地磁探测数据的情况下,快速预报地磁扰动,及时为空间天气保障提供参考.同时,鉴于中国即将发射的风云四号搭载有地磁场探测仪,本项研究可为自主数据的应用奠定基础.     

重现性地磁活动的数值预报

重现性地磁扰动作为地磁活动的重要部分，其特性在磁情预报中起着不可缺少的重要作用．本文利用地磁扰动在一定条件下具有２７天重现的特性和现代时序分析法中的自适应滤波方法，对北京地磁台Ｋ指数的预报方法进行了研究，并分别在太阳黑子活动低年和高年的两个时间段，进行了预报实验：低年时段预报结果精度为０．６６；在高年时段，预报精度为０．７９．进一步分析还表明，理论计算方法应当与多方面的物理分析相结合，这样才能为磁扰的定量分析和预报提供更充分与合理的计算条件和物理根据．     

利用锥模型反演CME三维参数

CME会影响近地空间环境,带来地磁扰动,预报其能否到达地球及何时到达地球具有重要的应用意义.受观测能力限制,通常根据CME在太阳附近的日冕仪投影观测信息,利用锥模型拟合得到三维参数,进而以经验预报或代入行星际传播过程模拟,预报CME的对地有效性.在拟合过程中,可以采取不同时刻日冕仪观测数据作为输入,也可以选择是否限定CME发生在耀斑附近进行拟合,这有可能得到截然不同的CME三维参数,从而严重影响CME的传播预报结果.本文选取一个全晕CME事件和一个偏晕CME事件,分析了不同的数据输入和拟合方式带来的CME三维参数拟合结果的变化,评估其对CME传播预报的影响.研究发现,不同的数据源和拟合方式得到的CME三维参数有较大差异,影响了CME对地有效性的预报.后续有必要通过统计分析,评估采用哪些输入数据、哪种拟合方式,对CME对地有效性的预报更准确.      

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.     

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。      

Large geomagnetic storms of extreme solar event periods in solar cycle 23

During extreme solar events such as big flares or/and energetic coronal mass ejections (CMEs) high energy particles are accelerated by the shocks formed in front of fast interplanetary coronal mass ejections (ICMEs). The ICMEs (and their sheaths) also give rise to large geomagnetic storms which have significant effects on the Earth’s environment and human life. Around 14 solar cosmic ray ground level enhancement (GLE) events in solar cycle 23 we examined the cosmic ray variation, solar wind speed, ions density, interplanetary magnetic field, and geomagnetic disturbance storm time index (D_st). We found that all but one of GLEs are always followed by a geomagnetic storm with D_st  −50 nT within 1–5 days later. Most(10/14) geomagnetic storms have D_st index  −100  nT therefore generally belong to strong geomagnetic storms. This suggests that GLE event prediction of geomagnetic storms is 93% for moderate storms and 71% for large storms when geomagnetic storms preceded by GLEs. All D_st depressions are associated with cosmic ray decreases which occur nearly simultaneously with geomagnetic storms. We also investigated the interplanetary plasma features. Most geomagnetic storm correspond significant periods of southward B_z and in close to 80% of the cases that the B_z was first northward then turning southward after storm sudden commencement (SSC). Plasma flow speed, ion number density and interplanetary plasma temperature near 1 AU also have a peak at interplanetary shock arrival. Solar cause and energetic particle signatures of large geomagnetic storms and a possible prediction scheme are discussed.     

冕洞特征参数与重现型地磁暴关系的统计研究

在提取冕洞特征参数的基础上,利用1996年到2005年8月近十年来对地磁扰动有影响的356个冕洞事例,定量分析了冕洞特征参数(包括冕洞的面积比、经纬度跨度等)与冕洞高速流特征、重现型地磁扰动特征(包括扰动大小和持续时间等)之间的相关性,研究发现,从引起地磁扰动的冕洞在整个太阳活动周的分布来看,在地磁扰动峰年中冕洞影响同样具有重要的贡献;冕洞高速流太阳风速度与地磁扰动强度之间存在较强的相关性,而高速流中太阳风速度与冕洞面积比关系不大,与冕洞亮度存在一定相关性;冕洞的经度跨度与地磁扰动持续时间存在很强的正相关性.      

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.