1、科技部973項目日地空間天氣預報的物理基礎與模式研究 第六課題組：空間天氣預報方法和技術的應用與集成研究 王華寧、劉四清、李可軍、張效信、黃文耿杜占樂、賀晗、鐘秋珍、丁交陽、何飛、黃鑫、高朋鑫2011年度匯報一、 年度計劃執行情況 1. 年度計劃完成情況 2. 研究工作主要進展 3. 重要階段性成果二、存在的問題及其對策 三、下年度研究工作計劃和進度安排 內容提要一、年度計劃執行情況1.計劃完成情況1.1人員人員： 22人； 學生： 14人分別來自中科院國家天文臺、云南天文臺、空間中心和國家氣象局空間天氣監測預警中心 1.2 年度計劃完成情況 根據第六課題組課題任務書，2011年度計劃任務是：

2、分析現有的太陽活動、地磁活動、電離層擾動預報方法和技術的局限性，尋求完善辦法；分析現有的空間和地面觀測數據和用戶需求，優化預報要素，掌握國內外空間天氣研究動態，了解國際空間天氣預報模式的主要特點。熟悉我國載人航天工程和月球探測計劃在空間環境保障方面的需求。圍繞2011年度任務要求，第六課題組主要完成如下工作：空間天氣預報模式研究取得重要進展；積極參與國際空間天氣預報合作；完成載人航天空間環境保障任務。表一 主要成果統計表成果類型數量研究論文（SCI）已發表18待發表 12邀請報告3授權專利1軟件登記1 賀晗等通過對太陽活動區日冕三維磁場多個物理參量的分析計算，定量描述日冕磁場三維結構特征和物理

3、特性的分布與演化，理解其與太陽耀斑、暗條和日冕物質拋射等太陽活動現象之間的關系，發展基于日冕磁場三維結構特征和物理特性定量分析的太陽活動預警和預報模型（日冕三維磁場通過非線性無力場外推方法計算獲得）。由此定量分析 活動區電流密度、無力因子alpha和磁場能量的分布與演化。其中電流密度的分布與強度反映活動區的非勢性和活躍程度，無力因子alpha的分布反映日冕磁場的拓撲連接性。 范玉良等在數據驅動模型底面邊界中使用了特征線方法處理，把觀測的矢量磁場逐步的加到模擬中，保證數值模擬的穩定性。他們把數據驅動模型應用到活動區的觀測磁圖中，得到三維結構的磁場和速度場，這樣就可以計算底面的能流密度分布，并考察

4、其隨時間的演變。23 hoursinterval3 hoursintervalNOAA 10930活動區日冕中電流密度的分布與演化(electric current density measured in electromagnetic units)(averaging the magnitude of the current density vertically to get a 2-D intensity map)(Modeling box: 160 x88x30)日冕中電流密度強度伴隨光球磁場的演化隨時間逐漸增大，表明活動區的非勢性和活躍程度逐漸增強。數據驅動方法的 Poynting能流

5、研究 在數據驅動模型中，底面邊界使用了特征線方法處理。特征線方法處理的好處在于，可以把觀測的矢量磁場逐步的加到模擬中，而不會產生模擬的不穩定。我們數據驅動模型應用到AR 10930的觀測磁圖中，就可以得到三維結構的磁場和速度場，這樣我們就可以計算底面的Poynting能流，并考察其隨時間的演變。Poynting能流分布 2.1.2 太陽整體行為分析（1）用連續的Morlet小波變換來研究黑子面積和數量歷史數據，分析研究太陽自轉變化 Li,K.J.; Liang,H.F.; Feng,W.; Zhan,L.S., The rotation signal in daily sunspot area

6、s, 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 al. 2011, Solar Physics Gao, et al. 2011, RAA（2）異常太陽活動周研究Li,K.J.,et al., A brief review on the presentation of cycle 24, the first integrated solar c

7、ycle in the new millennium, 2011, Annales Geophysicae, 29,341-348 （3）運用多種統計方法研究太陽長周期活動。Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity Part 1: Two-term decomposition of geomagnetic activity, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 13311340；Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnet

8、ic activity Part 2: Long-term trends, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 13411348；Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity Part 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 predicti

9、on? Sci. China Ser G-Phys Mech Astron, 2011, 54(1): 172175Du, Z. L.: The Relationship between Prediction Accuracy and Correlation Coefficient, 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.,

10、 Wang, H. N., The prediction method of similar cycles. Research in Astron. Astrophys., 2011, 11(12), 14821492 李可軍等用連續的Morlet小波變換來研究1874年5月9日至2010年2月28日每日黑子面積內蘊藏的自轉信息。1874年至1950年代，自轉變快，之后變慢。長期自轉活動存在2.61 和5.77年的周期，但似乎和Schwabe周期無關。進一步用連續的Morlet小波變換來研究1849年1月1日至2010年2月28日每日黑子數內蘊藏的自轉信息：從11到19太陽活動周，自轉變快，之

11、后變慢。統計上看，并不能確定太陽活動極大時期的自轉是轉得快還是慢，但自轉變化可能和太陽活動變化有關。李可軍等描述了自2007 年下半年到現在的非常低的太陽活動狀況。對于這種極低太陽活動的現象, 綜述了從當前的日震觀測給予的解釋、也從Gleissberg 周期的長尺度、超長太陽活動周期尺度給予了解釋. 依據目前的觀測, 確定24 黑子活動周于2008 年11 月開始.綜合多種經典太陽活動預報方法給出的對24 周太陽活動水平的預報, 以及美國國家航空航天局和美國國家海洋大氣局對24 周的未來發展趨勢的預報, 認為24 周太陽活動水平估計比23 周將要弱30%左右. 異常的24太陽活動周為太陽物理和

12、日地關系物理研究帶來機遇。 杜占樂等提出了對地磁活動指數（aa）的兩種分解方法，可以用一種非線性及衰變模型來解釋;分析了太陽活動周峰值與地磁指數及黑子面積的關系，相關系數及預報誤差呈現44年的周期性，發電機理論作為預報工具應考慮長周期的調制。杜占樂等提出了一種Gauss函數來描述太陽活動周的形狀，并比較了與Planck函數的差異; 提出了太陽活動周相似度的概念 ，由此發展了相似周預報方法，與第24太陽活動周相似的是14,10,17等。 太陽活動與地磁活動的關系研究1)提出了對地磁活動指數（aa）的兩種分解方法，可以用一種非線性及衰變模型來解釋.2)提出了一種積分響應模型來解釋地磁活動(aa)與

13、太陽活動(Rz)的關系，如地磁指數的增加，aa對Rz的時間延遲及相關性的變化等等。3)分析了太陽活動周峰值與地磁指數及黑子面積的關系，相關系數及預報誤差呈現44年的周期性，發電機理論作為預報工具應考慮長周期的調制。2.1.3 近地空間環境模式研究（1）等離子體片中高能電子通量分析與 預報建模 On energetic electrons (38 keV) in the central plasma sheet: Data analysis and modeling, J. Geophys. Res., 116, A09220, doi:10.1029/2011JA016562（2）低緯地區夜間

14、等離子濃度增強現象的研究 The case studies about the localized plasma density enhancement at the low latitude Chinese Journal Geophysics（Chinese），2011 （3）月基地球等離子體層極紫外圖像反演方法研究 張效信等等離子體片中的高能電子是外輻射帶更高能量電子的源等離子體片中高能電子可引起衛星表面充電目前尚沒有等離子體片中的高能電子分布和預報模型模型的建立，可以為其他磁層模型提供邊界條件經驗模型模式預報值和實測值相關系數：R = 0.86 2.2 新型太陽活動預報發明專利和新型預

15、報平臺 2.2.1 發明專利發明專利名稱 ：一種計算機太陽活動預報系統 申請號/專利號： 200710064432專利授權日：2011年6月29日專利發明人：中國科學院國家天文臺專利設計人：王華寧;李蓉;賀晗;杜占樂;崔延美等; 一種計算機太陽活動預報系統，在包含帶人機界面的服務器和海量數據庫的系統中，設有一個預報模塊，包括基于模型建立的射電流預報模型、基于的質子預報模型和基于多元判別模式的耀斑預報模型，預報模塊中還有網站自動數據下載模塊、郵件自動數據接收模塊、常規發送模塊和非常規發送模塊，利用服務器中的定時器控制，定時啟動預報模塊。本發明計算機太陽活動預報系統，解決了太陽活動預報中數據處理量

16、大、費時費力，能夠快速地準確地進行中長期太陽活動預報，并能夠進行以往難以進行的短期預報，對于及時防止太陽劇烈活動對人類生活、工農業生產的影響以及科學研究具有極大的應用價值。 2.2.2 新型預報平臺軟件登記軟件名稱：太陽活動三維虛擬可視化平臺簡稱：三維虛擬太陽 V1.0版軟件著作權人：中科院國家天文臺軟件設計人：王華寧、賀晗、閆巖軟件介紹： 平臺利用計算機三維虛擬現實技術建立虛擬太陽立體影像，以可視化方式展示太陽活動監測和預報數據，旋轉移動三維影像可以實現從不同視角觀察太陽活動狀況。通過客戶端軟件與數據庫的網絡連接，用戶可以查詢太陽活動觀測圖像，回溯顯示太陽活動歷史狀況，并以可視化方式查看預報

17、模式的輸出結果。該平臺提供了一個可視化的基礎架構，在此基礎平臺上，可以開發出更多的太陽活動監測和預報發布應用子系統。演示結果表明該平臺完全實現了預期功能，與國內外同類平臺相比，展現了獨到的結構和功能創意，具備重要的空間天氣應用價值。 2.3 國際空間天氣預報合作 （1）改進常規預報數據交換 第六課題組成員與國際相關空間天氣預報單位有著長期的預報數據交換關系。為了進一步完善數據交換內容和手段，我們對現有的預報模式體系進行了升級改造。（2） 及時獲取SDO衛星數據我們通過SDO數據管理系統可以獲取45分鐘之內的SDO衛星的快速瀏覽數據。這對于及時掌握太陽實時狀態十分有利。（3）美國NOAA空間天氣

18、預報中心Terry Onsager 今年10月分別訪問了中國科學院空間中心、國家天文臺和國家氣象局空間天氣監測預警中心，深入討論了監測數據、預報業務和預報模型研究方面的人合作的渠道和方式。（4） 賀晗2011年8月2日在臺北舉行的AOGS2011 第八次年會 Collaborative Researches and Operations of Space Weather Forecasting in Asia-Oceania region專題會上作題為“Recent Progress of Research and Operational Activities of Solar Weather

19、 Forecasting at NAOC”邀請報告。（5）王華寧2011年8月31日在北京舉行的 2011年國際與星同在（ILWS)研討會的“極端空間天氣”專題中作題為“Most powerful flares in solar cycle 24”邀請報告。 2.4 完成載人航天空間環境保障任務 順利完成天宮一號、神舟八號、交會對接（2次）空間環境保障任務。在天宮一號發射前7天，日面上出現第24太陽活動周以來面積最大和爆發強度最大的活動區AR1302。太陽活動已呈下降趨勢，在天宮一號發射期間，不會產生大的太陽爆發活動和強地磁擾動，預計發射窗口的空間環境是安全的。通過太陽F10.7和地磁Ap指數

20、未來27天預測，針對交會對接任務進行空間環境預報和安全性評估。22日 24日 25日 26日 27日 28 日發射安全期短期預報在天宮一號發射前7天，日面上出現第24太陽活動周以來面積最大和爆發強度最大的活動區AR1302 26 兩次交會對接空間環境保障太陽F10.7和地磁Ap指數未來27天預測，針對交會對接任務。交會對接空間環境預報和安全性評估3.1太陽活動預報模型集成 太陽活動預報模型都是相互關聯的模型。尤其在分析爆發現象源區時，都要用到數據基本同源，且預報結果可視化難度較小。因而王華寧、賀晗等對太陽活動預報模型集成進行了初步嘗試。 集成研究主要內容：統一的數據獲取方式；規范的數據格式；核

21、心數據庫形成；多模型運行計算體系建立；預報結果可視化展示。已經初步形成一個太陽活動預報模型綜合體系演示樣本。3. 重要階段性成果5/virtual-sun/3.2 短期太陽活動預報方法的提升 王華寧、黃鑫等對短期太陽活動預報方法進行了深入研究。在太陽耀斑、日冕物質拋射和太陽質子事件預報新方法研究中取得階段性進展。 主要內容包括提出新型預報要素、歸納新型太陽活動指標?？紤]活動經度帶的太陽耀斑預報2022/9/1631973總結考慮CME信息的質子事件預報模型Impulsive質子事件與耀斑相關Gradual 質子事件與快速CME形成的激波相關2022/9/16973總結321996 2005考慮CME信息的質子事件預報模型2022/9/16973總結333.3 日冕物質拋射的偏振重構 戴辛華、王華寧等正在深入研究日冕物質拋射的偏振重構方法，這對于預報日冕物質拋射的對地有效性很有幫助。偏振法的缺點：不能判斷CME 是正面的還是背面的。天空平面太陽背面CME正面CME投影CME黃道面偏振法的優點：分辨率高，可以重構出CME的精細結構。偏振法重構CME的優缺點：使用偏振技術重構CME要注意的兩個問題因為湯姆遜散射關于天空平面具有對稱性，當一個CME中的物質相對于天空平面既有正面也有背面的時候，重構的結果可能會出現較大誤差，下