基于机器学习方法对23太阳活动周质子事件的研究

在耀斑伴随日冕物质抛射（CME）事件编目数据的基础上,进行太阳质子事件（SPE）匹配,构建研究数据集.利用Apriori算法挖掘SPE与耀斑级别、耀斑发生日面位置以及CME角宽度和速度的关联关系.结果表明：X级耀斑、全晕CME、高速（>1000km·^-1） CME和日面西半球耀斑是最可能伴随质子事件的4种特征,其诱发质子事件概率依次为0.366,0.355,0.30,0.155.角宽度低于120°或速度低于400km·^-1的CME产生质子事件的概率为0.高速CME产生质子事件的概率是低速（400～1000km·^-1） CME的8.6倍,X级耀斑产生质子事件的概率是M级耀斑的6.2倍,日面西部耀斑产生质子事件的概率是日面东部耀斑概率的3.9倍,全晕CME产生太阳质子事件的概率是非全晕（120°～360°） CME的3.8倍.对太阳质子事件样本进行过采样处理,利用随机森林等5种典型有监督学习算法,构建了基于第23太阳活动周耀斑和CME特征的质子事件预测模型.结果表明,该预报模型的质子事件预测准确率、精确率和召回率均控制在91%以上.     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在,空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题,无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值,简化气动力误差模型,量化计算轨道预报相关事务的边界;提出空间环境激励图和3σ区的概念,并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明,该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题,可为相关航天工程实践和决策提供参考。     

基于轨道预报的热层模式评估

在太阳活动高低年的地磁平静/扰动环境下,利用不同热层大气模式J77,DTM78,MSIS00,JB2008和CHAMP加速度计反演密度,分析有无先验信息条件下的轨道预报误差.结果表明无先验信息的精密轨道预报中,热层模式的性能可能被弹道系数等参数偏差干扰,此时预报误差不能作为模式性能的评价标准.先验信息对轨道预报精度提升非常明显,尤其是地磁扰动期先进热层模式性能得以展现,轨道预报误差为无先验信息情况下的10%～25%.目前热层模式的主要缺陷存在于地磁扰动期.各模式之间的差异是：JB2008模式可以通过线性和单一频率周期项补偿,而J77及DTM78等模式还存在更多频率的误差.本文对不同情况下精密轨道预报的研究结果可为空间碎片碰撞预警等工程实践提供参考.     

日冕三维太阳风模拟

COIN-TVD MHD模型是近年发展起来的能有效实现日冕–行星际三维太阳风模拟的模型。本文利用此模型针对日冕区三维太阳风进行研究,为了模拟日冕太阳风的加热加速,对模型中的体积加热项做了调整。在磁流体模拟中,减小磁场散度的误差是关键问题之一,在调整体积加热项后应用扩散法、八波法、扩散八波法,对2199卡林顿周的背景太阳风进行模拟。模拟结果符合日冕太阳风结构,而且扩散八波法处理磁场散度性能有提升,可将相对磁场散度误差可控制在10^–9量级上。

     

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划

全球海表流场多尺度结构观测卫星计划（Ocean Surface Current multiscale Observation Mission, OSCOM）首次提出海表流场、海面风场和海浪谱（简称 “流–风–浪”）一体化探测的多普勒散射计（Doppler Scatterometer, DOPS）测量原理和系统体制。OSCOM采用Ka-Ku双频多波束圆锥扫描体制的真实孔径雷达,将实现超过1000 km观测刈幅、公里级分辨率的“流–风–浪”一体化卫星直接观测。OSCOM将突破海洋亚中尺度非平衡态动力学、海洋多尺度相互作用、海气耦合的研究瓶颈,支撑实现海洋系统科学、气候变化等理论研究的重大突破。未来,应用OSCOM海表流速观测的模式改进,将奠定海洋非平衡态过程数值模拟、同化和预报的动力学基础,实现海洋和海气耦合模式的重大改进。通过与多源数据融合,OSCOM海流观测的应用将为海洋生物地球化学循环、碳收支研究和国家重大任务提供支撑。OSCOM科学卫星的实施对于我国地球系统科学和卫星对地观测重大应用的突破有至关重要的意义,有望带动我国应用卫星的发展从追赶、并行走向领跑。     

大气电场综合观测设备的设计

大气电场反映了地球近地表大气对气象活动、太阳活动与地质活动的综合响应。实现大气电场与气象参数及地磁活动指数等参数的综合测量,对雷电活动、地质灾害和磁暴活动等的研究具有重要意义。 设计开发了一种大气电场综合观测设备,能够同时测量包含温度、相对湿度、风速和大气电场等多个参数,在大气电场探测原理的基础上给出了大气电场综合观测设备的详细设计和电场标定过程。 通过对该设备在北京市十三陵台站实测数据的分析,与中国科学院国家空间科学中心FAMEMS-DF02电场仪以及中国气象网发布的气象数据进行对比,结果表明各气象参数99%的时刻对应误差不超过±10%,平均误差不超过±3%,而电场数据的平均误差为±0.166 kV·m^–1。     

AUSM系列算法对比研究及背景太阳风初步应用

磁流体力学数值模拟是研究日地物理学现象的一个重要手段. 对比三种AUSM算法, 即AUSM, AUSM+和AUSMPW+, 结合HDC磁场散度消去方法计算多维MHD问题的性能. 通过分析三种算法计算Rotor算例和Orszag-Tang vortex算例的结果发现, AUSM+算法的性能最好. 进一步使用AUSM+算法基于6片网格构造模拟了日冕结构, 计算结果表明这种算法能够正确计算出日冕的大尺度结构. 对于日冕结构模拟块, HDC方法能够较好 地控制磁场散度误差.     

质子辐射带辐射中心区域模型

利用AP-8和CRRESPRO质子辐射带模式数据库, 比较了二者在磁赤道面上计算结果 的差异并给出其差异原因. 利用AP-8模式数据库数据, 建立起质子辐射带函数形式的辐射中心区域模式, 包括各能道全向微分通量峰值所对应的L值(L_c) 随能量E的变化模式以及各能道全向微分通量峰值J_max随能量E的变化模式. 利用RBSP A卫星REPT望远镜在磁赤道面上的高能质子观测数据, 分别与 AP-8模式、CRRESPRO模式及本文所得辐射中心区域模式计算结果进行比较, 发现在78.9, 102.6和208MeV三个能道上, RBSP A卫星观测所得各能道全向微分 通量明显偏大, 而L_c与AP-8或本文辐射中心模式所得结果基本一致; RBSP A卫星也观测到CRRESPRO Quiet模式所得的隐性第二质子辐射带结构.     

电离层等效电流体系对行星际激波的响应研究

行星际激波是导致地球磁层-电离层系统发生扰动的重要原因之一,其可以通过对磁层-电离层系统电流体系的改变来影响地磁变化.本文采用全球三维磁流体力学数值模拟方法,分析了行星际激波作用下电离层等效电流体系的即时响应.模拟结果表明,在激波作用下伴随着异常场向电流对的产生,电离层在午前午后出现一对反向的等效电流涡.这对涡旋一边向极侧和夜侧运动,一边经历强度增强和减弱直至消失的过程.激波过后等效电流体系图像逐渐演化为激波下游行星际条件控制的典型图像.这个响应过程与行星际激波强度有关,激波强度越强,则反向的等效电流涡旋强度越大,寿命也就越短.     

空间天气科学与有效和平利用空间

空间天气科学是一门新兴的前沿交叉科学。文章首先从发展历程、发展现状和发展态势角度对空间天气科学进行了系统介绍,并指出空间天气科学是经济社会发展的"助推器"、助力科技革命的"加速器"和关系空间安全的"倍增器";接着对空间天气科学与有效和平利用空间的关系进行了阐述;最后对我国空间天气科学的发展和对人类的服务前景进行了展望,并给出了制定和实施"国家空间天气十年计划"和"空间天气科学服务和平利用空间国家专项"建议的初步构想。