基于星点的全天空极光图像参数标定及其验证

全天空极光成像仪是地基极光观测研究的重要仪器设备,从其拍摄的全天空图像数据中能获得极光形态、尺度、激发强度等重要物理参数,因而精确标定全天空图像,对准确获取极光相关物理参数极为重要.本文提出了一种基于星点位置信息对全天空图像进行标定的方法,通过该方法可以确定全天空图像参数(天顶在全天空图像中的像素点位置,地理方位以及视野范围内成像半径与天顶角的关系).利用电离层卫星探测到的极光沉降电子能谱中的"倒V"结构与极光弧之间的对应关系,对星点标定方法获取的全天空图像参数进行了验证.结果显示卫星穿越的"倒V"结构宽度(60±6km、102±6km)与同时全天空极光成像仪观测到的卫星穿越的极光弧宽度(64.7±7km、111.6±7km)几乎一致,这表明本文提出的全天空极光图像参数的星点标定方法是有效和准确的.     

一种基于形态特征的极光自动分类方法

极光是磁层与电离层-热层复杂相互作用的直观表现,对极光进行合理分类有助于了解极光发生机制及其与磁层边界层动力学过程之间的相互关系.面对逐年增长的海量极光数据,亟需自动的极光分类方法.本文基于韦伯局部描述符(WLD)提出了一种极光图像描述方法,该方法能表征全天空极光图像的纹理、形状和亮度等形态特征.基于该方法,对2003~2009年北极黄河站越冬观测的4种日侧极光类型进行自动分类.在2003年8001幅典型极光图像上,与人工标记对比分类准确率高达94.8%,高于其他同类方法;对2004~2009年越冬观测数据进行自动识别,获得4种极光类型的发生分布与日侧极光的多波段能量分布一致.实验结果表明本文方法能有效用于极光图像表征,为海量极光图像自动分类提供了一种新方法.     

一种新的基于日侧全天空图像的极光弧宽测定方法

极光弧是最常见的一种极光形态,其空间尺度大至数百千米,小至几十米.极光弧宽的研究对理解极光粒子加速机制及磁层-电离层中的跨尺度耦合具有重要意义.现有文献在计算极光弧图像中的弧宽时,多是只考虑了过天顶某条剖线上极光强度的变化,而忽略了极光弧的形态信息.文章从极光弧图像出发,利用计算机模式识别技术,自动识别出极光弧轮廓,在此基础上计算极光弧的宽度,统计弧宽分布规律.通过对2 0 0 3~2 0 0 5年北极黄河站越冬观测的2 5 2 0幅日侧全天空极光弧图像进行实验,并与Q i u等(2 0 1 3)结论进行对比,验证了文章方法的有效性.结果显示,黄河站全天空成像仪观测到的日侧极光弧空间尺度主要在1~1 0 0 k m量级,磁天顶附近±1 5°内极光弧宽的平均值为1 9.6 5 k m,并且随着天顶角远离磁天顶,极光弧宽增大.     

磁暴期间亚极光区极化流（SAPS）的DMSP观测与RAM模拟的比较研究

亚极光区极化流（Subauroral Polarization Streams, SAPS）为快速流动的西向等离子体流,位于昏侧-子夜前亚极光区,是磁层-电离层-热层耦合的重要过程之一.本文利用密西根大学的RAM （Ring current-Atmosphere Interaction Model）模型对一次典型磁暴期间发生的SAPS事件进行了模拟,并与DMSP卫星观测值进行了比较.结果表明：模拟结果能大致反映观测现象;模拟得到的SAPS峰值速度所在纬度随磁暴时间的变化与观测值有较大差别;SAPS速度观测值在约18∶00 UT和约20∶00 UT左右出现两个峰值,而模拟值只有一个峰值,出现在约18∶00 UT,主要原因是模型对亚暴过程的模拟存在不足.     

日侧极光弧的发光强度与沉降电子能谱的相关关系

本文利用中国北极黄河站多波段全天空极光观测数据,选取稳定的日侧极光弧,统计研究了极光强度比I_557.7/I_630.0与极光发光强度I_557.7的相关关系.发现I_557.7在午前暖点和午后热点区附近出现极大值,分别为2.2 kR和2.9 kR;而I_630.0在磁正午出现极大值,为1.5 kR.当I_557.7从0.1 kR增加到10 kR时,极光强度比I_557.7/I_630.0也由0.2增加到9.结合DMSP卫星探测的沉降粒子能谱数据,找到17个DMSP卫星穿越黄河站上空极光弧的事件,共穿越40条极光弧.得到了沉降电子的平均能量正比于极光强度比I_557.7/I_630.0,沉降电子的总能通量正相关于极光强度I_557.7的关系式.利用该关系式反演所有极光弧的电子能谱,发现在午前和午后扇区,产生极光弧的沉降电子主要来源于等离子体片边界层;在高纬出现强度较弱的弧,对应等离子体幔区域.在磁正午附近,沉降电子的平均能量较低,极光弧处于低纬一侧,粒子源区主要是低纬边界层.

     

亚暴期间高纬黄昏—子夜扇区极光弧增亮与衰减及其与IMF的关系

利用南极中山站极光全天空摄相、地磁、地磁脉动数据和Wind卫星的行星际磁场IMF观测数据,分析了7个亚暴期间高纬黄昏—子夜扇区极光弧的短暂增亮现象.极光弧特征是,短暂增亮随后很快衰减,历时10—20min,基本沿着日-地方向,有明显黄昏方向运动.这些事件大都发生在IMFBz南转之后,亚暴增长相或膨胀相期间,极光浪涌到达之前10—73min消失.相应的IMFBx＞0,IMFBy＜0.这种极光弧和亚暴极光不同,它们与地磁活动及Pi2脉动不相关.这7个极光弧的形态和IMF特征表明,极光弧的增亮很可能由尾瓣重联产生,很快衰减归因于IMFBz南向条件,而黄昏方向运动受IMFBy控制.     

亚暴期间高纬黄昏-子夜扇区极光弧增亮与衰减及其与IMF的关系

利用南极中山站极光全天空摄相、地磁、地磁脉动数据和Wind卫星的行星际磁场IMF观测数据，分析了7个亚暴期间高纬黄昏-子夜扇区极光弧的短暂增亮现象.极光弧特征是，短暂增亮随后很快衰减，历时10-20min，基本沿着日-地方向，有明显黄昏方向运动.这些事件大都发生在IMFB_z南转之后，亚暴增长相或膨胀相期间，极光浪涌到达之前10-73min消失.相应的IMFB_x＞0，IMFB_y＜0.这种极光弧和亚暴极光不同，它们与地磁活动及Pi2脉动不相关.这7个极光弧的形态和IMF特征表明，极光弧的增亮很可能由尾瓣重联产生，很快衰减归因于IMFB_z南向条件，而黄昏方向运动受IMFB_y控制.     

基于图割与快速水平集的腹部CT图像分割

针对腹部CT图像中组织分割的问题,提出了一种基于图割与改进的快速水平集的交互式分割方法。首先对人工给定的一个待分割目标的初始轮廓作膨胀运算,将所得内部边界所有像素点作为源点、外部边界像素点作为汇点构造图,并通过图割方法对CT图像进行初步分割,然后以膨胀所得内部边界作为初始轮廓,通过基于区域竞争主动轮廓模型（RCAC）的...     

用Tsyganenko模型和多个探空器的观测模拟亚暴增长相:CDAW—9

CDAW一9事件C侧重于1986年3月3注开始的一段时问.这段时间里于0111 UT发生了一个磁亚暴.对于下syganenk。代989磁场模型作过修改后.我们建立了一个近地电流系随时问增强的模型.用来描述观测到的磁尾磁场在增长相的发展变化通过与地磁尾中探空器观测结果的比较得到过尾电流强度和电流片的厚度.把vik‘ng图像仪记到的极光渗起位置映射到赤道电流片处.估计了热电子的混乱程度.讨论了磁尾从稳态到离子俏裂模不德定性的过程.我们的结论认为.极光椭圆带的发亮区映射到磁尾的位置是电流片从久稳定到离子撕裂的区域.     

一种基于紫外极光图像的亚暴膨胀期起始时刻的自动检测方法

准确界定亚暴起始时刻是理解亚暴相关问题的关键.已有研究主要集中在两方面:一是从极光图像中人工挑选亚暴事件进行案例分析或统计分析来研究亚暴发生机制及亚暴期间的地磁环境;二是基于一些空间物理参数,如AE指数、SME(SuperMAG electrojet)指数、Pi2、正弯扰等,采用人眼判断或是模式识别的方法从中找出亚暴起始时刻.本文尝试采用模式识别的方法从紫外极光图像中自动地检测出亚暴膨胀期起始时刻.首先,将紫外极光图像通过网格化处理转换到磁地方时-地磁纬度(MLT-MLAT)直角坐标下,然后通过模糊c均值聚类方法提取亮斑,再考察亮斑强度是否增强、面积是否极向膨胀来判断是不是亚暴事件.本文方法在1996年12月—1997年2月这三个月的Polar卫星紫外极光图像上进行了实验验证.我们将检测到的亚暴起始时刻与Liou(J. Geophys. Res., 2010, 115: A12219)的人工标记进行了对比,并详细分析了与标记不一致的多检和漏检事件.本文提出的自动检测方法可以快速地从海量紫外极光图像中完成亚暴事件的初步筛选,方便研究人员进一步深入研究极光亚暴.     

A satellite study of dayside auroral conjugacy

A study of dayside auroral conjugacy has been done using the cleft/boundary layer auroral particle boundaries observed by the DMSP-F7 satellite in the southern hemisphere and the global UV auroral images taken by the Viking spacecraft in the northern hemisphere. The 22 events have been studied on the basis of an internal IGRF 1985 magnetic field; it is shown that there is a displacement of up to 4^° in latitude from the conjugate points with the northern aurora appearing to be located poleward of the conjugate point. No local time dependence of the north-south auroral location difference was seen. The use of a more realistic magnetic field model for tracing field lines which incorporates the dipole tilt angle and Kp index, the Tsyganenko 1987 long model plus the IGRF 1985 internal magnetic field model, appears to organize the data better. Although with this external plus internal model some tracings did not close in the opposite hemisphere, 70% of those that did indicated satisfactory conjugacy. The study shows that the degree of auroral conjugacy is dependent upon the accuracy of the magnetic field model used to trace to the conjugate point, especially in the dayside region where the field lines can either go to the dayside magnetopause near the subsolar point or sweep all the way back to the flanks of the magnetotail. Also the discrepancy in the latitude of northern and southern aurora can be partially explained by the displacement of the neutral sheet (source region of the aurora) by the dipole tilt effect.     

Spatial texture based automatic classification of dayside aurora in all-sky images

A spatial texture based representation method including features of intensity, shape and texture, was utilized to characterize all-sky auroral images. The combination of the local binary pattern (LBP) operator and a delicately designed block partition scheme achieved both global shapes and local textures capabilities. The representation method was used in automatic recognition of four primary categories of discrete dayside aurora using observations between years 2003–2009 at the Yellow River Station, Ny-Ålesund, Svalbard. The supervised classification results on labeled data in 2003 were in accordance with the labeling by scientists considering both spectral and morphological information. The occurrence distributions of the four categories were obtained through automatic classification of data between 2004–2009, which confirm the multiple-wavelength intensity distribution of dayside aurora, and further provide morphological interpretation of auroral types.     

融合空间物理参数的小样本极光涡旋自动分类研究

复杂的空间物理过程导致极光出现各类复杂的形态.极光形态的自动分类有助于分析极光发生机制以及了解空间物理过程.当前的极光分类主要采用传统的机器学习或深度学习的方法, 需要大数据作为支撑.但在实际发生的极光事件中, 一些事件相比其他极光事件出现频率小(如极光涡旋), 这样的事件是小样本事件.本文提出一种基于注意力机制, 结合空间物理参数信息的小样本极光事件分类方法.从北极黄河站2003—2017年全天空极光数据集中, 构建了一个有85个极光涡旋序列的实验数据集.利用该方法, 对极光涡旋这一类特殊小样本极光事件进行分类研究.研究结果显示, 加入空间物理参数有助于极光涡旋的分类, 分类准确率从56.37%提升到66.25%, 同时也表明空间环境参数对极光涡旋的产生有着明显的调制作用.

     

A possible case of Sporadic Aurora in 1843 from Mexico

In recent years, some authors have shown that some auroras can be observed at relatively low latitude when the geomagnetic activity is quiet or moderate. This very special type of aurora is called “sporadic aurora”. We present and analyze in this work a possible case of “sporadic aurora” observed in Mexico on the 19 April 1843. Moreover, we study the solar and auroral activity around this event.     

Investigation of the relationship between optical auroral forms and HF radar E region backscatter

The SuperDARN HF radars have been employed in the past to investigate the spectral characteristics of coherent backscatter from L-shell aligned features in the auroral E region. The present study employs all-sky camera observations of the aurora from Husafell, Iceland, and the two SuperDARN radars located on Iceland, Þykkvibær and Stokkseyri, to determine the optical signature of such backscatter features. It is shown that, especially during quiet geomagnetic conditions, the backscatter region is closely associated with east-west aligned diffuse auroral features, and that the two move in tandem with each other. This association between optical and radar aurora has repercussions for the instability mechanisms responsible for generating the E region irregularities from which radars scatter. This is discussed and compared with previous studies investigating the relationship between optical and VHF radar aurora. In addition, although it is known that E region backscatter is commonly observed by SuperDARN radars, the present study demonstrates for the first time that multiple radars can observe the same feature to extend over at least 3 h of magnetic local time, allowing precipitation features to be mapped over large portions of the auroral zone.     

惯性区低-β等离子体中的动力学Alfvén孤波

运用双流体MHD方程描述电子和离子的行为, 采用非扰动理论, 把孤子看作经典粒子, 通过推导的赝势(也称Sagdeev势)方程, 结合数值计算来研究惯性区低-β等离子体中动力学Alfvén孤波的特性. 结果表明离子热效应对Alfvén孤波特性的影响不可忽略, 且在惯性区稀疏型孤波和压缩型孤波均存在. 此结论与Freja卫星在极区上空所观测结果吻合很好. Alfvén孤波携带有平行电场, 它对带电粒子的加速有重要作用, 这给极光粒子加速提供了一种可能的物理机制.     

X射线极光强度与亚暴指数AE的相关关系

研究了Polar卫星的极区电离层X射线成像仪（PIXIE）得到的极光X射线成像强度AI（Auroral Intensity）与磁层亚暴指数的相关关系.本文发现,在所选取的1997年至2001年的部分数据中,从完整的X射线图像得到的极光X射线总强度和AE指数有很好的线性相关关系,在全部83组数据中有566％的数据的线性相关系数都在060以上（相关系数最大为097）.所以本文认为极光X射线总强度可以作为新的磁层亚暴卫星实时监测指数.     

木星极光区亮斑形成机制

近年来一系列的木星照片显示,除了主极光卵和卫星足迹外,在极光卵内还有极区发射.学者基本认为这是由中磁尾的磁场活动引起的.本文建立一个具有离心力效应的木星稳态磁场模型.并以该模型给出的磁场结果为基础,利用Hill等人1979年总结的木星磁层较差自转的结果进行模拟分析.结果显示在约54Rj (Rj为木星平均半径) 至60Rj的木星磁场由于较差自转形成涡旋结构,其形状约为5Rj的圆形.由于磁力线的扭曲引发大小为数十万安培的电流注入极区电离层,与中性粒子相互作用,从而形成极光卵内的亮斑.