【摘要】：近年來(lái),人類(lèi)社會(huì)受到空間天氣的影響越來(lái)越大。隨著空間探測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)空間天氣物理過(guò)程的不斷了解,將更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)和物理機(jī)制融入數(shù)值模式,發(fā)展由觀測(cè)數(shù)據(jù)約束的、準(zhǔn)確高效的預(yù)報(bào)方法,是空間天氣研究的一個(gè)重要方向。本文的工作主要是借助統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬的方法研究大尺度太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu),利用多種觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)展和改善日冕行星際太陽(yáng)風(fēng)數(shù)值模式,以期提高空間天氣預(yù)報(bào)的水平。源表面處太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的全球分布結(jié)構(gòu)對(duì)日冕行星際太陽(yáng)風(fēng)模擬非常重要。本文先介紹了一種利用就地觀測(cè)數(shù)據(jù)反推源表面處密度和速度分布的方法,并重點(diǎn)建立了一套基于多種觀測(cè)數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的、自洽地獲取源表面處各個(gè)太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)全球分布的方法。這套方法先分別利用光球磁圖和日冕偏振亮度的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)獲取源表面處的磁場(chǎng)和密度分布。然后,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法建立了源表面處的速度分布與多種磁場(chǎng)特征以及密度分布的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。該經(jīng)驗(yàn)關(guān)系的建立利用了基于行星際閃爍(IPS)觀測(cè)的全緯度太陽(yáng)風(fēng)速度數(shù)據(jù),因此更適用于全球結(jié)構(gòu)的模擬,比Wang-Sheeley-Arge(WSA)經(jīng)驗(yàn)公式在高緯度區(qū)域更加可靠。溫度的分布是通過(guò)在源表面處求解一維磁流體力學(xué)方程組自洽地得到。綜合起來(lái),這套方法可以基于光球磁圖和日冕偏振亮度的觀測(cè)數(shù)據(jù)自洽地構(gòu)建出比較真實(shí)的磁場(chǎng)、密度、速度和溫度的全球分布。接下來(lái),本文開(kāi)發(fā)了一種基于ANN技術(shù)的、融合了多種觀測(cè)數(shù)據(jù)和理論知識(shí)作為輸入的近地太陽(yáng)風(fēng)速度預(yù)報(bào)模式。通過(guò)分析使用不同的源表面特征做為輸入的模型性能,篩選出預(yù)測(cè)效果最優(yōu)的ANN模型。然后使用該模型對(duì)2007至2016年的近地太陽(yáng)風(fēng)速度進(jìn)行了預(yù)測(cè),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的誤差分析和高速流事件分析。結(jié)果顯示該模型總體預(yù)測(cè)的相關(guān)系數(shù)為0.74,均方根誤差為68 km/s,并可以預(yù)測(cè)準(zhǔn)確約68%的實(shí)際觀測(cè)到的高速流事件。然后,本文還利用有外部輸入的非線性自回歸(NARX)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提前一天預(yù)報(bào)地磁擾動(dòng)Ap指數(shù),其中外部輸入采用了基于太陽(yáng)觀測(cè)的源表面特征。對(duì)CR2181至CR2190期間Ap指數(shù)的預(yù)報(bào)結(jié)果顯示,該NARX模型對(duì)Ap指數(shù)變化的預(yù)報(bào)精度比使用27天重現(xiàn)法要高;對(duì)于Ap指數(shù)大于10和15的磁擾日,NARX模型的報(bào)準(zhǔn)率和虛報(bào)率都比27天重現(xiàn)法更好。這些結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文基于觀測(cè)數(shù)據(jù)的源表面特征可以有效的預(yù)測(cè)近地太陽(yáng)風(fēng)的大尺度狀態(tài)。三維磁流體力學(xué)(MHD)數(shù)值模擬是日冕行星際太陽(yáng)風(fēng)研究的重要手段。本文最后發(fā)展了由多種觀測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的三維行星際太陽(yáng)風(fēng)MHD數(shù)值模型。模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)?.1天文單位(AU)到1AU附近,使用TVD Lax-Friedrich差分格式在六片網(wǎng)格系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)值求解。模型的邊界條件根據(jù)本文建立的基于多種觀測(cè)數(shù)據(jù)的自洽源表面全球結(jié)構(gòu)來(lái)給定。使用該模型對(duì)CR2062期間的三維行星際太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn),模擬結(jié)果較好的重現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)大尺度結(jié)構(gòu)并顯示出豐富的觀測(cè)特征,與OMNI以及Ulysses的實(shí)際觀測(cè)值符合的較好。因此,該模型對(duì)于提供更真實(shí)的三維行星際太陽(yáng)風(fēng)有一定的幫助。
【圖文】：

基于多觀測(cè)數(shù)據(jù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的日冕行星際太陽(yáng)風(fēng)模式研究部分組成，從內(nèi)向外分別是日核、輻射區(qū)和對(duì)流區(qū)。日 0.25Rs，這里具有高密度、高溫度，時(shí)刻進(jìn)行著熱核反應(yīng)射層(Radiation Zone)是 0.25Rs~0.75Rs 的區(qū)域，日核產(chǎn)生散。對(duì)流層(ConvectionZone)是自 0.75Rs 至肉眼可見(jiàn)的太的物質(zhì)處于劇烈的對(duì)流狀態(tài)。太陽(yáng)對(duì)流區(qū)以上的部分統(tǒng)稱(chēng)可以分為三部分，由內(nèi)向外分別是光球?qū)?photospheere)和日冕(corona)。在空間天氣研究中，，主要關(guān)注的是太

第 1 章 引言他預(yù)言在某個(gè)臨界距離上，氣體的熱能與動(dòng)能相等，膨脹的速度達(dá)到等離子體聲速，這個(gè)臨界點(diǎn)以外流動(dòng)速度會(huì)超過(guò)聲速，產(chǎn)生連續(xù)的超聲速太陽(yáng)風(fēng)。Parker 的太陽(yáng)風(fēng)模型提出不久，1960 年蘇聯(lián)發(fā)射的 Lunik 飛船就首次觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)的存在(Gringauz 等., 1960)。1962 年美國(guó)發(fā)射的 Mariner 2 號(hào)飛船發(fā)現(xiàn)近地空間確實(shí)存在來(lái)自太陽(yáng)方向的主要成分為電子和質(zhì)子的超聲速等離子體流，驗(yàn)證了 Parker 的超聲速太陽(yáng)風(fēng)理論(Neugebauer and Snyder, 1962, 1966)。后來(lái)不斷發(fā)射的空間探測(cè)器使我們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)有了更多深入的了解。圖 1.2 中通過(guò)極坐標(biāo)作圖，形象地展示了 Ulysses 飛船三圈繞日飛行獲得的太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)數(shù)據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：P353.8

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 馮學(xué)尚;向長(zhǎng)青;鐘鼎坤;;行星際太陽(yáng)風(fēng)暴的數(shù)值模擬研究[J];中國(guó)科學(xué):地球科學(xué);2013年06期

2 劉四清;羅冰顯;鐘秋珍;竇賢康;;冕洞相關(guān)地磁Ap指數(shù)中短期預(yù)報(bào)方法研究[J];空間科學(xué)學(xué)報(bào);2009年06期

本文編號(hào)：2659387