1997年1月事件行星际扰动在三维背景太阳风中传播的数值模拟

利用一个三维的MHD模式,从数值预报的角度出发,以1997年1月事件的有关太阳观测为依据,构造比较符合物理实际的边值条件,通过三维数值模拟得到了稳定的比较接近真实的太阳风背景场.结果显示此次事件太阳风背景场的磁场关于赤道面不对称,有较明显的倾斜和扭曲,同时磁场较弱;等离子体各参量相对于事件的太阳源为东西和南北不对称结构.本文数值模拟了磁场南北分量Bθ的不同取法对背景场的影响,结果表明在源表面磁场有明显倾斜的情况下,内边界处磁场南北分量不宜假设为零.在此基础上,初步数值研究了行星际扰动在三维背景场中的传播过程,并与WIND卫星的观测进行了对比.     

2000年7月14日太阳高能粒子事件引起地球同步轨道区相对论电子通量巨幅增加

2000年7月14日10:24UT一个X5.6级的耀斑暴发生在太阳中心子午线附近(AR 9077), 同时伴随着一个朝向地球的CME事件及太阳高能粒子(Solar Energetic Particle, SEP)事件. 这次耀斑暴发及CME事件引起了地球磁层、电离层及高层大气的强烈扰动. 中国“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)观测到SEP事件期间, 同步轨道区高能质子、相对论电子有非常剧烈的增加. SEP期间, 高能质子对相对论电子通量的探测造成严重的污染. 结合“风云二号(B)”卫星上的高能粒子探测器(EPD)的特性, 建立了一种从相对论电子通量探测中“清除”高能质子“污染”的方法, 并对相对论电子通量的探测数据实施“清洁”处理. “纯净的”相对论电子通量探测结果显示, 当行星际磁场南向时, 上游太阳风中的高能电子使同步轨道区相对论电子通量有大幅度的增加.     

“嫦娥一号”卫星太阳高能粒子探测器的首次观测结果

"嫦娥一号"卫星(CE-1)的太阳高能粒子探测器(HPD)是国际上首次在200公里极月轨道观测高能带电粒子的探测仪器.HPD的科学目标是探测月球轨道空间的高能带电粒子(质子、电子和重离子)成分、能谱、通量和随时间的演化特征.通过比较分析HPD的观测结果、ACE卫星的观测结果与CRèME86模型的模拟计算结果,表明在太阳活动低年空间环境相对宁静时期,当月球处于太阳风中时,月球附近具有和行星际空间相近的宇宙线粒子流量背景.卫星在轨运行中发现了多起0.1～2MeV的高能电子流爆发事件.文中总结了2007年11月26日至2008年2月5日HPD观测的41起高能电子流爆发事件,发现此类现象可以发生在从太阳风到磁尾的所有空间区域.在月球经历的不同空间区域中,高能电子流爆发事件可能存在不同的诱发机制.     

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.     

2001年1月26日高纬磁层顶通量管事件的观测研究

2001年1月26日11:10～11:40UT, ClusterⅡ卫星簇位于午后高纬磁鞘边界层和磁鞘区,此 时行星际磁场Bz为南向. 本文对在此期间观测到的多次磁通量管事件作了详细的研究 ,获得一系列的新发现：（1）高纬磁鞘边界层磁通量管的出现具有准周期性,周期约为78s ,比目前已知的磁层顶向阳面FTE的平均周期（8～11min）小得多. （2）这些通量管都具有 强的核心磁场;其主轴多数在磁场最小变化方向,少数在中间变化方向,有些无法用PAA判 定其方向（需要用电流管PAA确定）,这与卫星穿越通量管的相对路径有关. （3）每个事件 都存在很好的HT参考系,在HT参考系中这些通量管是准定常态结构;所有通量管都沿磁层顶 表面运动,速度方向大体相同,都来自晨侧下方. 通量管的径向尺度为1～2RE, 与通 常的FTE通量管相当. （4）起源于磁层的强能离子大体上沿着管轴方向由磁层向磁鞘运动; 起源于太阳风的热等离子体沿管轴向磁层传输. 通量管为太阳风等离子体向磁层输运和磁层 粒子向行星际空间逃逸提供了通道. （5）每个通量管事件都伴随有晨昏电场的反转,该电 场为对流电场.     

基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测

地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.     

用三维运动学模式研究太阳暗条消失与行星际扰动

本文用19个行星际扰动事件为样本,采用三维运动学模式研究暗条消失事件（简称FD事件）与行星际瞬变扰动间的关系．太阳上的扰动源取行星际扰动前2-5d以内的所有FD事件,用势场模式计算得到的源表面磁场为背景,模拟每个扰动在行星际中的传播及其相互作用过程,观察扰动到达地球的时间和扰动大小．从模拟的结果来看,FD事件与行星际扰动事件有较好的对应关系,说明FD事件是行星际瞬变事件的一类重要的太阳源．19个事件中有2个没有对应的FD事件,5个模拟结果与观测结果相差较大,其余12个模拟结果与实际观测符合很好．这与过去这方面的工作有所不同,我们具体模拟了每个扰动事件的传播过程,同时考虑了扰动间的相互作用,包括扰动与共转流之间的相互作用,为太阳-行星际-地磁链天气过程的预报奠定了基础．     

太阳风暴的日冕行星际过程三维数值研究进展

如何能够提前几个小时到几天的时间预报空间天气不仅是空间天气研究的重要课题,而且也是现代科技发展对空间天气预报的重大需求.基于物理的以强大计算能力为基础的太阳风暴日冕行星际过程三维数值研究已经成为灾害性空间天气预报建模的重要手段,并在近几年取得了很大的发展.本文聚焦于背景太阳风状态和太阳扰动事件在行星际空间传播的三维数值...     

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.     

太阳风压力系数的研究

利用全球磁流体力学(MHD)的模拟结果,研究了太阳风压力系数与上游太阳风参数和日下点磁层顶张角的相关性.在识别出日下点附近磁层顶位置后,通过拟合得到日下点附近的磁层顶张角.在考虑上游太阳风中的磁压和热压以及磁层顶外侧的太阳风动压的情况下,计算了太阳风压力系数.通过分析行星际磁场不同方向时太阳风动压在日地连线上与磁压和热压的转化关系,详细研究了太阳风参数和日下点磁层顶张角对太阳风压力系数的影响,得到以下相关结论:(1) 在北向行星际磁场较大(B_z≥5 nT)时,磁层顶外侧磁压占主导,南向行星际磁场时磁层顶外侧热压占主导;(2) 太阳风压力系数随着行星际磁场的增大而增大,随着行星际磁场时钟角的增大而减小;并且在行星际磁场大小和其他太阳风条件相同时,北向行星际磁场时的太阳风压力系数要大于南向行星际磁场时的;北向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而减小,南向行星际磁场时,太阳风压力系数随着太阳风动压的增大而增大;以上结论是对观测结果的扩展;(3) 最后,我们还发现太阳风压力系数随着日下点磁层顶张角的增大而增大.     

Cross-field gradients: general concept, importance of multi-spacecraft measurements and study at 1 AU of the source intensity gradient for E>30 keV solar event electrons

Three main physical processes (and associated properties) are currently used to describe the flux and anisotropy time profiles of solar energetic particle events, called SEP profiles. They are (1) the particle scattering (due to magnetic waves), (2) the particle focusing (due to the decrease of the amplitude of the interplanetary magnetic field (IMF) with the radial distance to the Sun) and (3) the finite injection profile at the source. If their features change from one field line to another, i.e. if there is a cross IMF gradient (CFG), then the shape of the SEP profiles will depend, at onset time, on the relative position of the spacecraft to the IMF and might vary significantly on small distance scale (e.g. 10⁶ km). One type of CFG is studied here. It is called intensity CFG and considers variations, at the solar surface, only of the intensity of the event. It is shown here that drops of about two orders of magnitude over distances of 10⁴ km at the Sun (1° of angular distance) can influence dramatically the SEP profiles at 1 AU. This CFG can lead to either an under or overestimation of both the parallel mean free path and of the injection parameters by factor up to, at least, 2/3 and 18, respectively. Multi-spacecraft analysis can be used to identify CFG. Three basic requirements are proposed to identify, from the observation, the type of the CFG being measured.     

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.     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

激波在磁盔－电流片位场中的传播：（Ⅰ）激波与磁盔间的相互作用

利用新近获得的子午面磁盔－电流片背景太阳风稳态解，对激波从盔底沿电流片方向往外传播时与磁盔间的相互作用进行了数值模拟研究，重要新结果是：１．磁盔的存在使受扰介质速度跃变中央出现下凹，随着激波传出磁盔区并沿电流片方向传播，速度下凹逐渐减弱以致消失；２．激波将磁盔拉长并把盔顶的环形（垂直赤道面）磁场带到行星际空间，成为行星际磁场南向分量的来源之一；３．５个太阳半径（Ｒ⊙）内的磁盔部分将出现精细结构，沿盔外边界形成两条高速带，以及马蹄形密度（亮）环形结构等．这些结果表明，太阳附近高速等离子体与磁盔间存在重要的动力学相互作用过程，对行星际空间的太阳风三维结构有重要影响．     

行星际扰动和地磁活动对GEO相对论电子影响

利用1988—2010年小时平均的GOES卫星数据,对地球同步轨道(GEO)相对论电子变化进行了统计分析,研究了相对论电子通量(Fe)增强事件的发展过程,探讨了利于相对论电子通量增强的太阳风和地磁活动条件.主要结论如下:(1)GEO相对论电子通量即使是峰值,也具有明显的地方时特性,最大电子通量出现在磁正午时.午/夜电子通量比率随着太阳风速度(Vsw)增加而增大;在Dst-50nT时相对论电子具有规则的地方时变化.在太阳活动下降相,电子通量与各参数的相关性较好,与其相关性最好的Vsw、Kp指数以及三次根号下的太阳风密度(N)分别出现在电子通量前39~57h、57~80h和12~24h.(2)强(日平均电子通量峰值Femax≥104 pfu)相对论电子事件,在距离太阳活动谷年前两年左右和春秋分期间发生率最高,较弱(104Femax≥103 pfu)事件无此特点;大部分强相对论电子事件中,电子通量在磁暴主相开始增加,较弱事件中则在恢复相开始回升.(3)太阳风密度变化对相对论电子事件的发展具有重要指示作用.电子通量在太阳风密度极大值后0~1天达到极小值,太阳风密度极小值后0~2天达到极大值.(4)90%以上相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的,与其伴随的行星际参数和地磁活动指数极值满足以下条件:Vswmax516km/s,Dstmin-31nT,Nmin2.8cm-3,Nmax14.1cm-3,Bzmin-2.9nT,AEmax698nT.(5)磁暴过程中,Dstmin后日平均电子通量大于103 pfu的发生概率为53%左右,强/弱相对论电子事件占总数比例分别为36%/64%左右,磁暴强度对其无影响.磁暴过程中的Vsw、N和AE指数大小对于能否引起相对论电子增强起着指示作用.     

太阳活动上升期源表面太阳风质量流量的速度关系分析

以ＩＰＳ速度、光球磁场、Ｋ─日冕偏振亮度和卫星实地观测数据为基础，综合生成处于太阳活动上升期的１９７６年１０个太阳周（１６４３─１６５２卡林顿周）的源表面高度（Ｒ＝２．５Ｒ_ｓ，Ｒ_ｓ为太阳半径）和日球空间中（ＩＡＵ）太阳同质量流量速度谱。结果表明，速度谱存在与太阳活动上升期一致的＂三段＂结构，且各段分别与不同的磁结构区相对应。     

1998年4-5月地球同步轨道MeV电子通量增强事件

采用GOES9卫星观测的能量大于2MeV和大于4MeV电子通量和行星际飞船ACE太阳风参数的高时间分辨率资料,以及磁暴指数Dst资料,分析了1998年4-5月期间地球同步轨道电子通量增强事件的时间和能量响应特征及其与行星际太阳风参数、磁暴和亚暴等扰动条件的对应关系.结果表明,地球同步轨道相对论性（MeV）电子通量增强事件有明显的周日变化,中午极大和午夜极小.4月22日和5月5日开始的两次大事件中,能量大于2MeV电子通量中午极大值上升到最大值的时间尺度分别约为4天和1天,中午极大值高于背景水平的持续时间分别为13天（4月22日-5月4日）和16天（5月4日-20日）以上.每次MeV电子通量增强事件的能量范围不完全相同.两次大事件的上升段都对应于磁暴的恢复相,与太阳风动压脉冲、高速流脉冲和负Bz分量关系密切.     

Forecast of the solar wind velocity and the interplanetary magnetic field radial component polarity at the phase of decay of solar cycle 23

The solar wind velocity and polarity of the B _x-component of the interplanetary magnetic field have been analyzed for the first eight months of 2005. The interplanetary magnetic field had a four-sector structure, which persisted during nine Carrington rotations. Three stable clusters of a high-speed solar wind stream and one cluster of a low-speed stream were observed during one solar rotation. These clusters were associated with the interplanetary magnetic field sectors. The predicted solar wind velocity was calculated since July 2005 one month ahead as an average over several preceding Carrington rotations. The polarity of the B _x-component of the interplanetary magnetic field was predicted in a similar way based on the concept of the sector structure of the magnetic field and its relation to maxima of the solar wind velocity. The results indicate a satisfactory agreement of the forecast for two rotations ahead in July–August 2005 and pronounced violation of agreement for the next rotation due to a sudden reconfiguration of the solar corona and strong sporadic processes in September 2005.