【摘要】：太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)表面出發(fā)、高速向外膨脹并充滿行星際空間的等離子體流。太陽(yáng)風(fēng)是日地關(guān)系的紐帶,關(guān)于它的研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)航天和通信等高技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期,各種衛(wèi)星和飛行器等在軌運(yùn)行。這些高技術(shù)系統(tǒng)對(duì)空間天氣變化表現(xiàn)得極為敏感,因此探索空間天氣的發(fā)生機(jī)制并最終能夠提前給出預(yù)報(bào)顯得尤為迫切。三維磁流體力學(xué)數(shù)值模擬是太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)預(yù)報(bào)的重要手段。本文對(duì)COIN-TVD MHD模型做了多方面的改進(jìn)工作,建立了一套用于行星際背景太陽(yáng)風(fēng)模擬的數(shù)值模式。模型將內(nèi)邊界設(shè)置在0.1 AU(天文單位)處,在六片網(wǎng)格系統(tǒng)下利用TVD Lax-Friedrichs格式求解理想磁流體力學(xué)程組,采用擴(kuò)散法消除磁場(chǎng)的散度,使用一階格式和二階格式組合的方式保持密度和壓強(qiáng)為正,根據(jù)特征分析法確定計(jì)算區(qū)域的出流邊界條件。模型使用Fortran作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,并使用基于共享內(nèi)存的OpenMP和基于分布式內(nèi)存的MPI結(jié)合的方式進(jìn)行并行優(yōu)化。針對(duì)行星際背景太陽(yáng)風(fēng)的數(shù)值模擬,本文提出了一套完備自洽的邊界條件:(1)以GONG(Global Oscillation Network Group)的觀測(cè)磁圖作為模型輸入數(shù)據(jù),利用磁場(chǎng)勢(shì)場(chǎng)源表面模型指定行星際磁場(chǎng)的極性;(2)利用WSA(Wang-Sheeley-Arge)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系給定邊界上太陽(yáng)風(fēng)的速度分布,并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化;(3)根據(jù)太陽(yáng)風(fēng)的能量通量來(lái)限制密度的分布;(4)根據(jù)太陽(yáng)風(fēng)溫度和速度的正相關(guān)關(guān)系計(jì)算溫度的分布。邊界條件中保留了5個(gè)自由參數(shù),其中WSA經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭杏?個(gè)需要手動(dòng)調(diào)節(jié),另外兩個(gè)根據(jù)近地衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得,然后利用卡爾曼濾波對(duì)其進(jìn)行處理。適當(dāng)調(diào)整模型的自由參數(shù)可以使其模擬不同太陽(yáng)活動(dòng)期的太陽(yáng)風(fēng),并盡可能使各個(gè)參數(shù)的變化特征貼近觀測(cè)。我們利用該模型模擬了行星際的背景太陽(yáng)風(fēng),具體結(jié)果如下:(1)模型再現(xiàn)了一些行星際太陽(yáng)風(fēng)的典型的物理現(xiàn)象,包括共轉(zhuǎn)相互作用區(qū),前后激波對(duì)和日球?qū)与娏髌?(2)模型捕捉到了大多數(shù)的高速流事件,能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)行星際磁場(chǎng)的極性,預(yù)測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)的密度、溫度和磁場(chǎng)的強(qiáng)度也沒(méi)有明顯高估或者低估,模擬結(jié)果能較好反映背景太陽(yáng)風(fēng)在行星際空間的三維分布。模型的可調(diào)參數(shù)比較少,變化范圍也比較小,非常易于操作,而且根據(jù)對(duì)過(guò)去11年的模擬發(fā)現(xiàn)這些參數(shù)可保持長(zhǎng)時(shí)間不變,因此在近地太陽(yáng)風(fēng)的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【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】：2018
【分類號(hào)】：P353.8
【圖文】：

格式的空間精度是二階的，為了保正模型的精度，選用三階拉格朗日插值。這里的插值是二維的，如圖2.4所示，需要先在一個(gè)方向上插值，得到所示的紅點(diǎn)，然后在另一個(gè)方向上插值，得到插值結(jié)果。以C5上的一點(diǎn)P (r5, θ5, φ5)為例，首先計(jì)算在其直角坐標(biāo)系的表示P(x5,y5,z5)，然后變換到C1得到P(x1,y1,z1)，進(jìn)而轉(zhuǎn)變換到球坐標(biāo)系P(r1, θ1, φ1)。在完成插值后，矢量還需要變按照(2-81)和(2-83)變換到C5，此即最終的結(jié)果。圖2.4二維插值示意圖Figure 2.4 Sketch map of two-dimensional interpolation37

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 馮學(xué)尚,向長(zhǎng)青,鐘鼎坤,范全林;三維太陽(yáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)的Ulysses觀測(cè)和MHD模擬的比較研究[J];科學(xué)通報(bào);2005年08期

本文編號(hào)：2737917