在耀斑-电流片坐标系中——研究耀斑-激波的传播特性（Ⅰ）

本文提出一种用于研究太阳瞬变扰动在日球空间传播的新坐标系--瞬变源-日球电流片坐标系,并运用该坐标系以瞬变源耀斑为例,分析研究了由地球近空飞船观测到的277个耀斑-激波事件,发现:1.引起行星际激波和地球物理事件的大耀斑（H_α≥2,持续时间>半小时）的频数在耀斑-日球电流片坐标系中呈高斯分布,极值在电流片附近,那种在日面坐标系中随日面纬度呈双峰形的分布看不到了;2.当地球观测者和耀斑位于日球电流片同侧时,耀斑事件频次明显高于它们分处不同侧时的情形;3.激波参数（速度、磁场、密度和温度）呈现了同侧高于异侧,强激波多在同侧观测到;4.激波沿日球电流片方向的传播具有一定优势.上述结果表明,日球电流片的存在对瞬变扰动,如耀斑-激波在日球空间,特别是近太阳的传播可能具有重要影响.     

1991年3月22日耀斑激波的传播特性

采用ＭＨＤ数值方法研究了１９９１年３月２２日２２：４７ＵＴ日面大耀斑引起的行星际激波传播的几何特性，以及初始驱动时间对传播的影响。得出：１．该激波在黄道面投影是非对称的，最快处偏离耀斑法线向东；２．激波面偏离球面，但随着远离太阳这种偏离减小；３．总能相同时，驱动时间短的激波较强，速度较快；能量变化范围相同时，不同初速比不同驱动时间对激波传播速度影响更大。     

耀斑-激波的南-北非对称性传播

本文根据宇宙线Forbush下降幅度随源耀斑纬度分布的新近结果,采用无量纲化的MHD平面斜激波跃变条件,推算得到子午面内一种可能的耀斑-激波模型。发现耀斑-激波在太阳子午面内的传播相对耀斑法线方向是非对称的,激波面后的动力学参数与磁场具有截然相反的非对称性分布;激波传播的最快方向倾向日球电流片方向。该模型可以解释太阳耀斑-地磁、宇宙线效应中的南-北非对称性现象,有助于了解高速等离子体和非均匀背景场之间的相互作用过程。     

在耀斑-日球电流片坐标系中——研究耀斑-激波相应地磁扰动的分布特征(Ⅱ)

本文采用一种新的坐标系——耀斑-日球电流片坐标系,对1966—1982年间由耀斑-激波所引起的277个耀斑-地磁扰动事件进行了分析.初步结果是:1.耀斑-地磁扰动事件在该坐标系中相对日球电流片的随机分布呈高斯分布,极大值在电流片附近;2.当地球和耀斑位于日球电流片同侧时,地磁扰动事件频次远高于异侧;3.地磁扰动强弱在该坐标系中的分布,亦呈现了同侧高于异侧,且极大值多在日球电流片附近;4.耀斑-激波能流密度ρ_2V_2~3及其跃变量ρ_2V_2~3-ρ_1V_1~3在该坐标系中具有十分类似于相应磁扰水平的分布,其离散程度后者略大于前者. 根据本文的结果可以看出,对耀斑-地磁扰动研究来说,近太阳日球电流片的存在是一个重要的特征面,它对耀斑-地磁扰动的产生和强弱水平有重要影响,使太阳耀斑活动与地磁活动效应之间的对应关系变得复杂化了.     

在耀斑-日球电流片坐标系中——研究耀斑-激波相应地磁扰动的分布特征（Ⅱ）

本文采用一种新的坐标系--耀斑-日球电流片坐标系,对1966-1982年间由耀斑-激波所引起的277个耀斑-地磁扰动事件进行了分析.初步结果是:1.耀斑-地磁扰动事件在该坐标系中相对日球电流片的随机分布呈高斯分布,极大值在电流片附近;2.当地球和耀斑位于日球电流片同侧时,地磁扰动事件频次远高于异侧;3.地磁扰动强弱在该坐标系中的分布,亦呈现了同侧高于异侧,且极大值多在日球电流片附近;4.耀斑-激波能流密度ρ₂V₂³及其跃变量ρ₂V₂³-ρ₁V₁³在该坐标系中具有十分类似于相应磁扰水平的分布,其离散程度后者略大于前者. 根据本文的结果可以看出,对耀斑-地磁扰动研究来说,近太阳日球电流片的存在是一个重要的特征面,它对耀斑-地磁扰动的产生和强弱水平有重要影响,使太阳耀斑活动与地磁活动效应之间的对应关系变得复杂化了.     

耀斑-行星际激波结构与相应地磁扰动结构间关系的分析（Ⅰ）

利用297个耀斑-行星际激波-地磁扰动事件,统计研究了耀斑-行星际激波等离子体结构与相应磁扰结构间的关系,新的发现是:当激波面后的磁场南、北分量不大时,激波等离子体结构决定着相应磁扰的基本结构形态,特别是等离子体热状态与相应磁扰的恢复相关系十分密切.由本文定义的激波能量传输指数--FS指数对相应地磁扰动能给出较好的描述.推论:除磁重联这类能量传输机制外,对于行星际磁场南、北分量较小时,还可能存在以等离子体过程为基础的决定磁扰变化结构的太阳风-磁层能量传输机制,应进一步研究.     

垂直无碰撞激波的离子加速机制

利用一维全粒子模拟得到的垂直无碰撞激波的位形,通过试验粒子方法研究了不同初始能量粒子的激波加速机制.将与激波相互作用的离子分成反射和直接穿过两类,发现只有被激波反射的离子可被激波明显加速,其中初始能量较小的反射离子通过激波冲浪机制加速,而初始能量较大的离子通过激波漂移加速机制加速.同时激波厚度还对离子被加速过程有重要影响.     

地球弓激波及其与行星际激波相互作用

给定地球轨道附近的行星际条件和地球弓激波的几何位形,本文分析向阳侧弓激波强度参数沿激波阵面的分布,以及行星际激波与弓激波的相互作用.对于弓激波阵面相对日地连线轴对称的情形,得到如下结论：（1）弓激波强度参数分布相对由行星际磁场和日地连线构成的基准面对称,各激波强度参数的最大值出现在基准面上.磁压比在垂直激波线一侧较大,而气压比在平行激波点一侧较大,导致总压比相对日地连线大致呈轴对称分布.（2）随着行星际磁场与日地连线夹角的增大,弓激波强度参数的最大值有所减小,且位置朝远离日下点方向偏移;但气压比和总压比的分布基本上不受影响.（3）行星际激波透过弓激波之后,切向磁场比更接近于1,但总磁场跳变幅度增大.（4）透过弓激波之后,行星际准垂直激波的总磁场比更接近于1,准平行激波的总磁场比则反之.     

磁流体冲激波在非均匀磁场中的传播

本文应用Chisnell- no方法,求解了在理想介貭中,垂直磁流体冲激波在非均勻磁場中的传播問題。这种方法,把非均勻介貭分解成无限小的弱間断面,根据气体动力学中波与間断面相互作用的原理,算出激波通过弱間断面时的强度变化,然后用积分求得激波通过整个非均勻区时的强度变化。作者引入了激波的特征速度（它是激波在波前后介貭中传播速度的几何平均值）作为輔助参量,得到形式上比較簡单的激波传播方程。然后考虑了磁压力远大于气体压力的强磁介貭中的激波传播問題,并进行了数值积分。采用的介貭密度模型有三种:（1）阿尔芬波速为常数;（2）密度不变;（3）密度与磁場强度成正比。計算結果表明:当激波由弱磁場向强磁場传播时,激波的强度逐漸变弱。其中,在阿尔芬波速为常数的介貭中,激波强度的衰减最为緩慢;在密度不变的介貭中,激波强度的衰減最为迅速;而在密度与磁場成正比的介貭中,激波强度的衰減則介乎上述两种密度分布之間。作者联系磁流体冲激波在地球外层空間的传播問題进行了討論,密度的模型采取大气啃昔的观測結果（卽上述第三种密度分布）,并进行了适当的外推,估計了在十个地球半径处的磁流体冲激波传到地面时的强度,求出了激波在地面引起的磁場变化与激波初始速度之間的关系。根据上述簡化模型,計算結果表明,在十个地球半径处初始速度为10⁸厘米/秒的激波,传到地面引起的磁場变化大約为60伽（亻馬）,这个数值的量級恰好与中低緯度强磁暴的急始变幅相符。     

内日球子午面瞬态激波的传播特性

采用日球子午面内的二维三分量MHD模型,研究瞬态激波的传播特性,着重分析日球 电流片（HCS）、日球等离子体片（HPS）和低速流结构对激波传播的影响．结果表明,HCS 和HPS对激波传播几乎没有影响,而跨越HCS和HPS的低速流则显著改变激波的传播特性. 低 速流对激波的反射,导致激波扰动源一侧的激波速度加快、强度增强,低速流对激波透射的 阻碍作用导致激波扰动源异侧的激波滞后、强度减弱,但激波阵面的纬度跨度有所加宽．在 激波穿越过后,低速流区朝激波传播方向弯曲并受到骚扰,使得激波下游出现复杂的扰动结 构;对于激波扰动源同侧的激波下游,反射波与该处等离子体的相互作用同样会导致较为复 杂的扰动出现.     

In situ local shock speed and transit shock speed

A useful index for estimating the transit speeds was derived by analyzing interplanetary shock observations. This index is the ratio of the in situ local shock speed and the transit speed; it is 0.6–0.9 for most observed shocks. The local shock speed and the transit speed calculated for the results of the magnetohydrodynamic simulation show good agreement with the observations. The relation expressed by the index is well explained by a simplified propagation model assuming a blast wave. For several shocks the ratio is approximately 1.2, implying that these shocks accelerated during propagation in slow-speed solar wind. This ratio is similar to that for the background solar wind acceleration.     

Intermittency of the solar wind density near the interplanetary shock

The properties of turbulent fluctuations of the solar wind plasma near the interplanetary shock observed at September 12, 2014 by the BMSW instrument are considered. The spectra of the density fluctuations in the solar wind and their statistical characteristics up-and downstream of the shock front are analyzed. They are compared with each other and with characteristics corresponding to different turbulence models. It is shown that the spectral and statistical characteristics of the density fluctuations in the solar wind conserve their basic properties after the arrival of an interplanetary shock. Intermittency is observed both before and after the front, but its level increases on average in the second case. In both regions, the scaling of the structure functions of the density fluctuations in the solar wind differ from the scaling of the classical Kolmogorov model and can be described by the log-Poisson turbulence model. Parameterization of the scaling of the structure functions revealed the presence of filamentary structures in the solar wind plasma, which provide the density intermittency in the studied space regions.     

冕洞与太阳风高速流关系的统计研究:到达时间、持续时间和峰值强度

冕洞是太阳风高速流的源区.当冕洞出现在中低纬区域时,太阳风高速流会扫过地球并引发地球空间环境扰动,如地磁暴和高能电子暴等.在太阳活动周下降年和低年,这种类型的扰动占据主导地位.因此,冕洞高速流的到达时间、峰值时间、峰值强度和持续时间等,是空间天气预报的重要内容.本文基于2010年5月到2016年12月的SDO/AIA太阳极紫外图像以及1AU处ACE和WIND卫星的太阳风观测数据,确定了160个冕洞-太阳风高速流事件,定量计算了他们的特征参数,包括冕洞与太阳风高速流的开始时间、峰值时间、峰值强度和结束时间,分析了各个特征参数的分布规律,对冕洞-高速流之间的关系进行了统计研究,并提出了一种新的预报方法,为基于冕洞成像观测的太阳风高速流的精准预报提供了依据.     

行星际背景太阳风的三维MHD数值模拟

近地空间的太阳风参数预报具有重要的科学研究意义和实际应用价值,三维磁流体力学（MHD）数值模拟是太阳风参数预报的重要手段.本文建立了一套基于经验模型的三维MHD数值模型.模型的内边界设置在0.1天文单位（AU）处,在六片网格系统下利用TVD Lax-Friedrich格式求解理想MHD方程组,采用扩散法消除磁场的散度.模型以GONG的观测磁图作为输入数据,利用经验模型并结合卫星观测特征确定内边界条件.边界条件中保留了6个可调参数,以便适当调整参数使其方便适合模拟不同太阳活动期的太阳风.利用该模型分别模拟了2007年和2016年的背景太阳风,得到了太阳风速度、密度、温度和磁场强度,这些参数与ACE/WIND卫星观测符合较好.     

GPU-accelerated computing of three-dimensional solar wind background

High-performance computational models are required to make the real-time or faster than real-time numerical prediction of adverse space weather events and their influence on the geospace environment. The main objective in this article is to explore the application of programmable graphic processing units (GPUs) to the numerical space weather modeling for the study of solar wind background that is a crucial part in the numerical space weather modeling. GPU programming is realized for our Solar-Interplanetary-CESE MHD model (SIP-CESE MHD model) by numerically studying the solar corona/interplanetary solar wind. The global solar wind structures are obtained by the established GPU model with the magnetic field synoptic data as input. Meanwhile, the time-dependent solar surface boundary conditions derived from the method of characteristics and the mass flux limit are incorporated to couple the observation and the three-dimensional (3D) MHD model. The simulated evolution of the global structures for two Carrington rotations 2058 and 2062 is compared with solar observations and solar wind measurements from spacecraft near the Earth. The MHD model is also validated by comparison with the standard potential field source surface (PFSS) model. Comparisons show that the MHD results are in good overall agreement with coronal and interplanetary structures, including the size and distribution of coronal holes, the position and shape of the streamer belts, and the transition of the solar wind speeds and magnetic field polarities.     

时变行星际太阳风模拟及其结果评估

背景太阳风对于地球附近的空间环境有着重要的影响,三维磁流体力学太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具.通过太阳光球磁场数据驱动的边界条件,我们发展了一个时变的行星际三维磁流体力学太阳风模型.使用这个模型,我们模拟了2008年全年的行星际背景太阳风,分析了该年太阳风结构全球特征的演化和行星际局地观测与日冕结构间的联系.实现了一套太阳风连续参数和特征结构模拟质量的定量评估方法.对2008年模拟结果的评估表明,模型较好地重现了背景太阳风的大尺度特征.模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合得较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,行星际磁场极性反转的误报率仅为6.67%,流相互作用区的误报率仅为11.11%,两种结构的到达时间误差在1天左右.同时,通过综合分析评估结果,我们明确了高速流结构、内边界磁场分布等模型在进一步改进中需要重点注意的问题.     

The statistical and numerical study of the global distribution of coronal plasma and magnetic field near 2.5 Rs over a 10-year period

The basic characteristics of the global distribution for the corona plasma and magnetic field near 2.5 Rs are analyzed with the statistical and numerical methods for 136 Carrington Rotations (CRs) covering four different phases of solar activity. By using the observational data and the velocity distribution model in the corona, the statistical average distribution of the magnetic field, density and the coronal mass outputs are analyzed for the four different phases. Then, a numerical study of the global distribution near 2.5 Rs has been made by solving a self-consistent MHD system. Finally, the solar wind speed at 1 AU is given by mapping the speed at 2.5 Rs to that near 1 AU, and the comparison of the numerical results with the observational measurements and the simulation result of the Wang–Sheeley–Arge (WSA) model are made during more than 5 years. The numerical results indicate that the global distributions on the source surface of 2.5 Rs at different phases of solar activity could be used to predict the change of the solar wind in interplanetary space.     

1998年11月4日至5日日冕物质抛射日地传输时间的数值模拟

在一维球坐标系下模拟了1998年11月4日至5日3个连续日冕物质抛射(CME)在行星际空间的传播和相互作用并最终形成“复杂抛射”的日地传输过程.首先在磁流体力学(MHD)数值模拟中应用Harten总变差减小(TVD)格式,通过调节计算模型中的引力无量纲参数α、等离子体参数β和气体多方指数γ,构造出数值计算所需的初态背景,使之在拉格朗日点处L1的太阳风速度vr、质子数密度Np及质子热压力与磁压力的比值βp与ACE卫星的观测数据一致.接着仅采用速度脉冲的扰动形式,其输入的幅度和持续时间由Lasco/C2、GOES、LEAR的观测数据并结合Michalek等提出的CME“锥模型”来确定.数值计算结果得到的两个激波到达时间和ACE卫星观测值的时间误差分别是3h和4h.这表明该模型能估算续发CME在行星际空间演化后驱动激波的到达时间和大致强度,在空间天气的激波到达时间的预报方面有潜在的应用价值.     

Flare forecasting based on sunspot-groups characteristics

Our comprehension of solar flares is still lacking in many aspects and the possibility of observing active regions during the first phases of flare occurrence is limited by our capability of doing accurate flare forecasting. In order to give a contribution to this aspect, we focused our attention on the characteristics that must be fulfilled by sunspot-groups in order to be flare-productive. We addressed this problem using a statistical approach: first, we analyzed sunspot-groups parameters (i.e., Zürich class, magnetic configuration, area, morphology of the penumbra) and evolution; then, we performed a flare forecasting campaign, based on the results obtained in the first phase and on real-time observations. The results obtained by comparing the flare forecasting probability with the number of flares that have actually occurred are quite encouraging; we plan to improve this procedure by including a bigger statistical sampling.     

Longitudinal factor in the spatial distribution of energetic solar flares

Discrete location of large flares near zero Carrington longitude results in artificial breaks within physically related flare clusters. This effect is eliminated by using the data presentation algorithm, which results in the conclusion that drifting zones of intensified sunspot formation (concentrated cores of activity complexes) and energetic flare generation exist in either hemisphere. The indicated L zone is hypothetically related to a non-asymmetric relic solar magnetic field or to the regions where large-scale convective cells, extending to the convective zone bottom, originate.