科技部973项目《日地空间天气预报的物理基础与模式研究》.ppt
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1、科技部973项目 日地空间天气预报的物理基础与模式研究 第六课题组:空间天气预报方法和技术的应用与集成研究,王华宁、刘四清、李可军、张效信、黄文耿 杜占乐、贺晗、钟秋珍、丁交阳、何飞、黄鑫、高朋鑫,2011年度汇报,一、 年度计划执行情况 1. 年度计划完成情况 2. 研究工作主要进展 3. 重要阶段性成果 二、存在的问题及其对策 三、下年度研究工作计划和进度安排,内容提要,一、年度计划执行情况 1.计划完成情况,1.1 人员 人员: 22人; 学生: 14人 分别来自中科院国家天文台、云南天文台、空间中心和国家气象局空间天气监测预警中心 1.2 年度计划完成情况 根据第六课题组课题任务书,2
2、011年度计划任务是:分析现有的太阳活动、地磁活动、电离层扰动预报方法和技术的局限性,寻求完善办法;分析现有的空间和地面观测数据和用户需求,优化预报要素,掌握国内外空间天气研究动态,了解国际空间天气预报模式的主要特点。熟悉我国载人航天工程和月球探测计划在空间环境保障方面的需求。 围绕2011年度任务要求,第六课题组主要完成如下工作:空间天气预报模式研究取得重要进展;积极参与国际空间天气预报合作;完成载人航天空间环境保障任务。,表一 主要成果统计表,2. 研究工作的主要进展,2.1 空间天气预报模式研究 2.1.1基于观测磁场的活动区数值分析 (1)太阳活动区日冕三维磁场物理参量的分析计算。 H
3、an He, Huaning Wang, and Yihua Yan (2011), “Nonlinear force-free field extrapolation of the coronal magnetic field using the data obtained by the Hinode satellite”, JGR-Space Physics, 116, A01101. (2)运用数据驱动模型模拟活动区物理量并分析其演变。 L. Fan, H. N. Wang, H. He, and X. S. Zhu (2011), “Study of the Poynting Flux
4、 in Active Region 10930 Using Data-driven Magnetohydrodynamic Simulation”, ApJ, 737, 39,贺晗等通过对太阳活动区日冕三维磁场多个物理参量的分析计算,定量描述日冕磁场三维结构特征和物理特性的分布与演化,理解其与太阳耀斑、暗条和日冕物质抛射等太阳活动现象之间的关系,发展基于日冕磁场三维结构特征和物理特性定量分析的太阳活动预警和预报模型(日冕三维磁场通过非线性无力场外推方法计算获得)。由此定量分析 活动区电流密度、无力因子alpha和磁场能量的分布与演化。其中电流密度的分布与强度反映活动区的非势性和活跃程度,无力因
5、子alpha的分布反映日冕磁场的拓扑连接性。 范玉良等在数据驱动模型底面边界中使用了特征线方法处理,把观测的矢量磁场逐步的加到模拟中,保证数值模拟的稳定性。他们把数据驱动模型应用到活动区的观测磁图中,得到三维结构的磁场和速度场,这样就可以计算底面的能流密度分布,并考察其随时间的演变。,NOAA 10930活动区日冕中电流密度的分布与演化,(electric current density measured in electromagnetic units),(averaging the magnitude of the current density vertically to get a 2
6、-D intensity map),(Modeling box: 160x88x30),日冕中电流密度强度伴随光球磁场的演化随时间逐渐增大,表明活动区的非势性和活跃程度逐渐增强。,NOAA 10930活动区X3.4级耀斑前后日冕磁场定量分析 (无力因子alpha的分布与演化、磁场总能量及能量密度的分布与演化),共6幅矢量磁图(耀斑前3幅,耀斑后3幅) 日冕磁场外推计算分辨率:1arcsec/pixel,格点数:300x160x160 6组磁场数据均经过投影改正,剪切后的磁图数据对应相同视场区域,第11层alpha分布图,耀斑前后磁场能量演化,耀斑前,耀斑后,耀斑爆发前存在沿中性线方向的磁场连接
7、性,耀斑爆发后该拓扑连接完全断开。,能量单位:erg,(1),(2),(3),(4),(5),(6),耀斑后日冕磁场总能量有显著降低(数量级为1032 erg),能量密度减小的区域与耀斑发生位置一致。,第60层能量密度变化分布,E4-E3,数据驱动方法的 Poynting能流研究,在数据驱动模型中,底面边界使用了特征线方法处理。特征线方法处理的好处在于,可以把观测的矢量磁场逐步的加到模拟中,而不会产生模拟的不稳定。 我们数据驱动模型应用到AR 10930的观测磁图中,就可以得到三维结构的磁场和速度场,这样我们就可以计算底面的Poynting能流,并考察其随时间的演变。,Poynting能流分布
8、,2.1.2 太阳整体行为分析 (1)用连续的Morlet小波变换来研究黑子面积和数量历史数据,分析研究太阳自转变化 Li, K. J.; Liang, H. F.; Feng, W.; Zhan, L. S., The rotation signal in daily sunspot areas, 2011, ApSS, 331, 441-445; Li,K.J.,et al., Variations of solar rotation and sunspot activity, 2011,ApJ, 729, 49。 Gao, et al. 2011, New Astron. Gao, et
9、 al. 2011, Solar Physics Gao, et al. 2011, RAA (2)异常太阳活动周研究 Li,K.J.,et al., A brief review on the presentation of cycle 24, the first integrated solar cycle in the new millennium, 2011, Annales Geophysicae, 29,341-348,(3)运用多种统计方法研究太阳长周期活动。 Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic act
10、ivity Part 1: Two-term decomposition of geomagnetic activity, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 13311340; Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity Part 2: Long-term trends, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 13411348; Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity Part
11、 3: An integral response model, Ann. Geophys., 2011, 29(6), 10051018; Du, Z. L., Wang, H. N., Is a higher correlation necessary for a more accurate prediction? Sci. China Ser G-Phys Mech Astron, 2011, 54(1): 172175 Du, Z. L.: The Relationship between Prediction Accuracy and Correlation Coefficient,
12、Solar Phys., 2011, 270(1), 407416. Du, Z. L.: The Shape of Solar Cycle Described by a Modified Gaussian Function, Solar Phys., 2011, 273(1), 231253. Du, Z. L., Wang, H. N., The prediction method of similar cycles. Research in Astron. Astrophys., 2011, 11(12), 14821492,李可军等用连续的Morlet小波变换来研究1874年5月9日至
13、2010年2月28日每日黑子面积内蕴藏的自转信息。1874年至1950年代,自转变快,之后变慢。长期自转活动存在2.61 和5.77年的周期,但似乎和Schwabe周期无关。进一步用连续的Morlet小波变换来研究1849年1月1日至2010年2月28日每日黑子数内蕴藏的自转信息:从11到19太阳活动周,自转变快,之后变慢。统计上看,并不能确定太阳活动极大时期的自转是转得快还是慢,但自转变化可能和太阳活动变化有关。 李可军等描述了自2007 年下半年到现在的非常低的太阳活动状况。对于这种极低太阳活动的现象, 综述了从当前的日震观测给予的解释、也从Gleissberg 周期的长尺度、超长太阳活动
14、周期尺度给予了解释. 依据目前的观测, 确定24 黑子活动周于2008 年11 月开始.综合多种经典太阳活动预报方法给出的对24 周太阳活动水平的预报, 以及美国国家航空航天局和美国国家海洋大气局对24 周的未来发展趋势的预报, 认为24 周太阳活动水平估计比23 周将要弱30%左右. 异常的24太阳活动周为太阳物理和日地关系物理研究带来机遇。 杜占乐等提出了对地磁活动指数(aa)的两种分解方法,可以用一种非线性及衰变模型来解释;分析了太阳活动周峰值与地磁指数及黑子面积的关系,相关系数及预报误差呈现44年的周期性,发电机理论作为预报工具应考虑长周期的调制。 杜占乐等提出了一种Gauss函数来描
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