基于聚类的极光形态分类的探索性研究

极光形态为研究日地物理过程提供了显著、直观和具有可识别性的特征。合理分类对研究各类极光现象与磁层动力学过程之间的关系尤为重要。极光形态分类机制的选择问题是极光有监督分类研究被主要诟病的问题之一。有监督分类实验中人工标记的工作量非常浩大,而且不能保证标记的准确性。更重要的是,高分类正确率只能说明自动分类符合人的认识,有监督分类结果无法验证分类机制的正确性。现有的分类机制是否为极光数据空间的真实划分,是否存在更为合理的分类机制都是我们应该探讨的问题。针对该问题,基于已有的全天空极光图像表征方法,引入聚类算法探究极光特征空间的结构,利用了9种聚类有效性函数选择适合极光数据的聚类个数。实验结果表明,对于从2003—2004年北极黄河站观测的全天空极光数据中随机选取的6 000幅极光图像,两类和四类的划分方式最为合适。两类的划分可以看作是分离度较好的极光类型,并且根据两类分布曲线呈现午前-午后双峰的分布特点,这一类极光可能是弧状极光。对于四类的情况,虽然通过肉眼观察无法用一幅典型的极光图像代表每一类,但是这些由聚类得出的极光类型具有各自的时间分布特点,这一结果从无监督的角度证明了极光类型在形态上是可分的。     

基于局部运动向量时空统计的极光事件检测

极光动态过程的分析与理解对极光发生机制研究具有重要意义。本文提出了一种基于动态过程的极光事件检测方法。首先利用多尺度流体光流的方法提取出极光的局部运动场信息,然后基于局部运动场时空统计特性表征极光视频序列,最后实现对特殊极光事件的检测。实验结果表明,本文方法能够高效、准确地检索到特殊极光事件,并且检测结果不依赖于目标事件的选择。这一成果为开展基于大量连续观测的极光视频对极光动态过程进行统计分析的研究奠定了基础。     

地基观测的夜侧极光对行星际激波的响应

行星际激波与地球磁层相互作用通常会导致日侧极光活动增强,随后沿着极光卵的晨昏两侧向夜侧扩展的激波极光.行星际激波也可能直接导致夜侧扇区极光活动增强,甚至沉降粒子能通量的数量级可以与典型亚暴相比拟.本文首次利用我国南极中山站和北极黄河站连续多年积累的极光观测数据,对行星际激波与地球磁层相互作用期间地面台站在夜侧扇区(18—06MLT)观测的极光响应进行了分析.对18个极光观测事件的分析结果表明:行星际激波与磁层相互作用可以在夜侧触发极光爆发和极光微弱增强或静态无变化事件;太阳风-磁层能量耦合的效率以及磁层空间的稳定性决定着行星际激波能否触发极光爆发.     

日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°～80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的“晨昏不对称性”,主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场B_x>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场B_y的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.     

基于全天空图像的极光活动变化检测方法研究

面对日积月累产生的海量极光数据,快速发现极光现象的发生及活动特征是研究极光的物理机制及相关动力学过程的首要问题,它为研究极光现象提供有效的自动化分析手段,从而能够提供充足而有效的事件用于统计学分析.因为太阳风是等离子体,它有着磁流体力学的特征,本文采用流体力学的连续性方程对极光运动进行建模,提取全天空极光图像序列的运动场,对极光活动进行表征,进而构造极光活动变化曲线,从而有效的检测出极光活动的变化.该方法的优势在于,基于运动场的表征方法能够有效反映极光活动的二维形态和运动特征,生成的极光活动变化曲线可以准确地指示极光发生、变化和消失的时间,为进一步研究极光的活动周期及相关物理变化奠定基础.     

基于行星际/太阳风和地磁条件的紫外极光卵边界建模和预测

极光卵的尺度大小与太阳风-磁层-电离层能量耦合过程紧密相关,准确预测其大小对空间天气研究和预报具有非常重要的意义.本文基于模糊c均值聚类算法,从Polar卫星紫外极光图像中自动提取极光卵边界数据(~1215000个赤道向边界点和~3805000极向边界点),统计分析其与太阳风等离子体、行星际磁场、地磁指数等之间的相关特性,并构建了以行星际、太阳风为模型参数(模型1)和以行星际、太阳风及地磁指数为模型参数(模型2)的2种极光卵边界多元回归模型.以模型预测的极光卵边界与实际极光卵边界之间的平均绝对误差作为模型评价标准,将本文预测模型与Carbary(2005)模型和Milan(2009)模型进行了对比.结果表明,模型2对极光卵极向、赤道向边界预测的平均绝对误差为1.55和1.66地磁纬度,优于Carbary和Milan模型(Carbary模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为2.18和5.47地磁纬度,Milan模型极向、赤道向边界的平均绝对误差为1.71地磁纬度和1.90地磁纬度).     

极盖区等离子体云块触发的极向边界点亮事件的观测研究

极盖区等离子体云块是电子密度比背景高出2倍及以上的高密度不均匀体,极向边界点亮是夜侧极光卵极向边界亮度显著增强的极光结构。探究极盖区等离子体云块与极向边界点亮现象的形成和演化以及二者之间的关系对理解极区电离层-磁层耦合具有重要意义。本文基于北极黄河站全天空极光成像仪、欧洲非相干散射雷达(EISCAT)、SuperDARN雷达和GPSTEC等多手段观测数据,揭示极盖区等离子体云块运动到夜侧极光卵极向边界,进而触发极向边界点亮的完整过程。研究结果表明,(1)高密度等离子体云块从极盖区运动到夜侧极光卵极向边界时,极向边界附近的极光强度明显增加,即出现了极向边界点亮现象。(2)极光亚暴发生后,极光卵极向膨胀,极向边界到达EISCAT Svalbard 42 m雷达观测视野。该雷达观测到了高密度、高电子和离子温度的结构,并伴随着电子密度峰值高度下降和离子上行等现象,这与高密度等离子体云块的输运和当地的极光粒子沉降密切相关。(3)从日侧向夜侧输运的等离子体云块到达夜侧极光卵极向边界附近时可能触发极向边界点亮,并且影响等离子体云块和极光粒子沉降接触区域的等离子体特征,这有助于加深我们对夜侧极区电离层...     

两种静日曲线推算方法生成宇宙噪声吸收Keogram二维演化特征的比较研究

报导了2012年7月12—14日太阳活动期间,中国南极中山站成像式宇宙噪声接收机的观测结果.利用两种不同静日曲线推算方法对此次太阳活动事件中的宇宙噪声吸收进行了分析比较.结果表明,两种不同的静日曲线推算方法生成的Keogram总体呈现相似的变化特征,对强吸收区域上述两类Keogram都能得到一致的反映.但对于弱吸收区域而言,基于He等提出的静日曲线方法得到的Keogram能较好表现吸收区域轮廓并反映其空间变化特征.由于弱吸收区域往往是连接分立强吸收事件之间的通道,它的存在对于判定相邻的两次吸收事件是否相互关联以及吸收区域的运动速度至关重要,因此He等提出的静日曲线推算方法对于直观描述电离层对宇宙噪声吸收事件中的动态变化过程有更好的效果.     

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.