科技部科技部 973973 项目项目《《日地空间天气预报的物理基础与模式研究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

20112011 年度汇报年度汇报

一、 年度计划执行情况一、 年度计划执行情况 1. 1. 年度计划完成情况年度计划完成情况 2. 2. 研究工作主要进展研究工作主要进展 3. 3. 重要阶段性成果重要阶段性成果二、存在的问题及其对策 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 三、下年度研究工作计划和进度安排

内容提要内容提要

一、年度计划执行情况年度计划执行情况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， 2011 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

成果类型 数量研究论文（ SCI） 已发表 18

待发表 12

邀请报告 3

授权专利 1

软件登记 1

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。 Han 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 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。

23 hoursinterval

3 hoursinterval

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-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。

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： 300x160x1606 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

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2006-12-12 15:30:08 UT2006-12-12 15:30:08 UT

2006-12-12 17:40:05 UT2006-12-12 17:40:05 UT

2006-12-12 20:30:05 UT2006-12-12 20:30:05 UT

2006-12-13 04:30:05 UT2006-12-13 04:30:05 UT

2006-12-13 07:50:05 UT2006-12-13 07:50:05 UT

2006-12-13 16:21:04 UT2006-12-13 16:21:04 UT

耀斑爆发前存在沿中性线方向的磁场连接性，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。

d8

2NLFFF

NLFFF B

E

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

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 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 activity – Part 1: Two-term decomposition of geomagnetic activity, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 1331–1340 ；Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity – Part 2: Long-term trends, Ann. Geophys., 2011, 29(8), 1341–1348 ；Du, Z. L.: The correlation between solar and geomagnetic activity – Part 3: An integral response model, Ann. Geophys., 2011, 29(6), 1005–1018 ；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): 172–175Du, Z. L.: The Relationship between Prediction Accuracy and Correlation Coefficient, Solar Phys., 2011, 270(1), 407–416.Du, Z. L.: The Shape of Solar Cycle Described by a Modified Gaussian Function, Solar Phys., 2011, 273(1), 231–253.Du, Z. L., Wang, H. N., The prediction method of similar cycles. Research in Astron. Astrophys., 2011, 11(12), 1482–1492

李可军等用连续的 Morlet小波变换来研究 1874 年 5 月 9 日至 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函数来描述太阳活动周的形状，并比较了与Planck函数的差异 ; 提出了太阳活动周相似度的概念 ，由此发展了相似周预报方法，与第 24 太阳活动周相似的是 14,10,17 等。

太阳活动与地磁活动的关系研究1)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 .

2)提出了一种积分响应模型来解释地磁活动(aa)与太阳活动 (Rz)的关系，如地磁指数的增加， aa 对 Rz的时间延迟及相关性的变化等等。

3)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。

太阳活动周研究

2)提出了太阳活动周相似度的概念 ，由此发展了相似周预报方法，第 24太阳活动周很可能与第 10周相似。

1) 提出了一种 Gauss函数来描述太阳活动周的形状，并比较了与 Planck函数的差异。

3)分析了上升率与太阳活动周峰值的关系，预报误差与两者之间的相关性几乎无关。在活动周开始大约 20个月后，误差会小于 20%。

4)指出 CME加速度 (a)与其质量 (M)正相关 (r = 0.9)，驱动力 (Ma)与黑子活动 (Rz)反相关 (r = −0.80)。

2.1.3 近地空间环境模式研究

（ 1 ）等离子体片中高能电子通量分析与 预报建模

On energetic electrons (>38 keV) in the central plasma sheet: Data analysis and modeling, J. Geophys. Res., 116, A09220, doi:10.1029/2011JA016562

（ 2 ）低纬地区夜间等离子浓度增强现象的研究

The case studies about the localized plasma density enhancement at the low latitude Chinese Journal Geophysics（Chinese）， 2011

（ 3 ）月基地球等离子体层极紫外图像反演方法研究 张效信等

等离子体片中的高能电子是外辐射带更高能量电子的源

等离子体片中高能电子可引起卫星表面充电

目前尚没有等离子体片中的高能电子分布和预报模型

模型的建立，可以为其他磁层模型提供边界条件

等离子体片中高能电子通量的空间分布特征• 远磁尾低，近地点高• 晨昏不对称性，晨侧高，昏侧低• 中心区域即近中性片区域高

等离子体片中高能电子通量随太阳风变化特征• 太阳风速度高，则高能电子通量高• 行星际磁场南向分量高，则高能电子通量高• 太阳风密度贡献较小• 时间延迟： 60-90 分钟

经验模型

7/

430/

2/)2/)/(arctan(

2/))/(arccos(

)1(

]sin))())(sin1((

))())(sin1([()log(

*

*

222

16

14**

108

6**

20

151312119

75431

pp

xx

SENGSM

GSMGSMGSM

GSMGSM

tz

AAp

Ax

AAt

AAp

Ax

AAt

NN

VV

ZZZ

ZYX

XY

BB

ZA

ANVABA

ANVABAf

模式预报值和实测值相关系数：

R = 0.86

2.2 新型太阳活动预报发明专利和新型预报平台 2.2.1 发明专利发明专利名称 ：一种计算机太阳活动预报系统 申请号 /专利号： 200710064432专利授权日： 2011 年 6 月 29 日专利发明人：中国科学院国家天文台专利设计人：王华宁 ;李蓉 ; 贺晗 ;杜占乐 ;崔延美等 ;

一种计算机太阳活动预报系统，在包含带人机界面的服务器和海量数据库的系统中，设有一个预报模块，包括基于ＡＲＩＭＡ模型建立的射电流预报模型、基于ＳＶＭ的质子预报模型和基于多元判别模式的耀斑预报模型，预报模块中还有网站自动数据下载模块、邮件自动数据接收模块、常规发送模块和非常规发送模块，利用服务器中的定时器控制，定时启动预报模块。本发明计算机太阳活动预报系统，解决了太阳活动预报中数据处理量大、费时费力，能够快速地准确地进行中长期太阳活动预报，并能够进行以往难以进行的短期预报，对于及时防止太阳剧烈活动对人类生活、工农业生产的影响以及科学研究具有极大的应用价值。

2.2.2 新型预报平台软件登记

软件名称：太阳活动三维虚拟可视化平台 [简称：三维虚拟太阳 ] V1.0版软件著作权人：中科院国家天文台软件设计人：王华宁、贺晗、闫岩软件介绍： 平台利用计算机三维虚拟现实技术建立虚拟太阳立体影像，以可视化方式展示太阳活

动监测和预报数据，旋转移动三维影像可以实现从不同视角观察太阳活动状况。通过客户端软件与数据库的网络连接，用户可以查询太阳活动观测图像，回溯显示太阳活动历史状况，并以可视化方式查看预报模式的输出结果。该平台提供了一个可视化的基础架构，在此基础平台上，可以开发出更多的太阳活动监测和预报发布应用子系统。演示结果表明该平台完全实现了预期功能，与国内外同类平台相比，展现了独到的结构和功能创意，具备重要的空间天气应用价值。

2.3 国际空间天气预报合作 （ 1 ）改进常规预报数据交换 第六课题组成员与国际相关空间天气预报单位有着长期的预报数据交换关系。为了进一步完善数据交换内容和手段，我们对现有的预报模式体系进行了升级改造。

（ 2 ） 及时获取 SDO卫星数据我们通过 SDO 数据管理系统可以获取 45 分钟之内的 SDO卫星的快速浏览数

据。这对于及时掌握太阳实时状态十分有利。（ 3 ）美国 NOAA 空间天气预报中心 Terry Onsager 今年 10 月分别访问了

中国科学院空间中心、国家天文台和国家气象局空间天气监测预警中心，深入讨论了监测数据、预报业务和预报模型研究方面的人合作的渠道和方式。

（ 4 ） 贺晗 2011 年 8 月 2 日在台北举行的 AOGS2011 第八次年会 Collaborative Researches and Operations of Space Weather Forecasting in Asia-Oceania region专题会上作题为“ Recent Progress of Research and Operational Activities of Solar Weather Forecasting at NAOC” 邀请报告。

（ 5 ）王华宁 2011 年 8 月 31 日在北京举行的 2011 年国际与星同在（ ILWS) 研讨会的“极端空间天气”专题中作题为“Most powerful flares in solar cycle 24” 邀请报告。

2.4 完成载人航天空间环境保障任务 顺利完成天宫一号、神舟八号、交会对接（ 2次）空间

环境保障任务。在天宫一号发射前 7 天，日面上出现第 24 太阳活动周以来面积最大和爆发强度最大的活动区 AR1302 。太阳活动已呈下降趋势，在天宫一号发射期间，不会产生大的太阳爆发活动和强地磁扰动，预计发射窗口的空间环境是安全的。通过太阳 F10.7和地磁 Ap指数未来 27 天预测，针对交会对接任务进行空间环境预报和安全性评估。

22 日 24 日 25 日 26 日 27 日 28 日

发射安全期短期预报

在天宫一号发射前 7 天，日面上出现第 24 太阳活动周以来面积最大和爆发强度最大的活动区 AR1302

25

29 日

29 日

29 日

太阳活动已呈下降趋势，在天宫一号发射期间，不会产生大的太阳爆发活动和强地磁扰动，预计发射窗口的空间环境是安全的。

26

两次交会对接空间环境保障

太阳 F10.7 和地磁Ap指数未来 27 天预测，针对交会对接任务。

交会对接空间环境预报和安全性评估

3.1　太阳活动预报模型集成

太阳活动预报模型都是相互关联的模型。尤其在分析爆发现象源区时，都要用到数据基本同源，且预报结果可视化难度较小。因而王华宁、贺晗等对太阳活动预报模型集成进行了初步尝试。

集成研究主要内容：统一的数据获取方式；规范的数据格式；核心数据库形成；多模型运行计算体系建立；预报结果可视化展示。已经初步形成一个太阳活动预报模型综合体系演示样本。

3. 重要阶段性成果

数 据 提取 和 格式化

数据库 预报模块 预报产品形成与分发

输出数据输入数据

数据平台 预报平台

四个子系统四个子系统 太阳监测数据获取、数据库、预报模型和预报产品发布。太阳监测数据获取、数据库、预报模型和预报产品发布。

系统结构示意图系统结构示意图

系统结构

http://159.226.170.65/virtual-sun/

3.2 短期太阳活动预报方法的提升　

王华宁、黄鑫等对短期太阳活动预报方法进行了深入研究。在太阳耀斑、日冕物质抛射和太阳质子事件预报新方法研究中取得阶段性进展。

主要内容包括提出新型预报要素、归纳新型太阳活动指标。

考虑活动经度带的太阳耀斑预报

23/4/20 31973 总结0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

0.7

0.71

0.72

0.73

0.74

0.75

0.76

0.77

0.78

0.79

0.8

Per

form

ance

Hit rate not considering active longitude

Correct rejection rate not considering active longitudeHit rate considering active longitude

Correct rejection rate considering active longitude

考虑 CME 信息的质子事件预报模型• Impulsive 质子

事件与耀斑相关

• Gradual 质子事件与快速CME 形成的激波相关

23/4/20 973 总结 32

1996 —2005

考虑 CME 信息的质子事件预报模型

23/4/20 973 总结 33

3.3 日冕物质抛射的偏振重构　

戴辛华、王华宁等正在深入研究日冕物质抛射的偏振重构方法，这对于预报日冕物质抛射的对地有效性很有帮助。

偏振法的缺点：不能判断 CME 是正面的还是背面的。

天空平面

太阳背面 CME

正面 CME

投影 CME

黄道面

BA

BA

I

IonPolarizati P

)1cos

12( 2

理论公式：

偏振法的优点：分辨率高，可以重构出 CME 的精细结构。

偏振法重构 CME 的优缺点：

使用偏振技术重构 CME 要注意的两个问题

• 因为汤姆逊散射关于天空平面具有对称性，当一个 CME 中的物质相对于天空平面既有正面也有背面的时候，重构的结果可能会出现较大误差，下面是一个例子：

这是发生在 2007/08/31 的一个 CME ，数据来源于 STEREO/A/SECCHI/COR1:

A 星得到的总亮度分布图 利用偏振技术反演的相对于天空平面的高度分布图

一、正背面问题

对 CME 中每个像素点的独立重构

将 CME 分割后的质心平面重构

以下是发生在 2011/06/07 07:00:25 的一个 CME 的三维重构结果，使用的数据 是 STEREO/B/SECCHI/COR1 的中心波长为 656 纳米、宽为 22.5 纳米的白光图像，经过不同处理得到的图像：

二维白光总亮度分布图

二维高度分布图

CME 三维结构图

二、暗条物质的非汤姆逊散射问题

二、存在的问题及其对策二、存在的问题及其对策

(1) (1) 存在问题存在问题 组内外沟通较为欠缺。

(2) (2) 对策对策 太阳活动峰年临近为加强组内外沟通提供了有利时机：太阳活动峰年临近为加强组内外沟通提供了有利时机：

建立组内成员就空间天气状态进行会商机制，结合预报建立组内成员就空间天气状态进行会商机制，结合预报实践解决研究工作中的实际问题；实践解决研究工作中的实际问题；

建立面向整个项目成员的空间天气预报服务体系，为项建立面向整个项目成员的空间天气预报服务体系，为项目成员联测提供空间天气信息。目成员联测提供空间天气信息。

三、下年度研究工作计划和进度安排三、下年度研究工作计划和进度安排 (1) (1) 总体计划：总体计划： 通过峰年典型事件统计分析，选择太阳磁场、冕洞、行星际磁场、

地磁场、电离层等方面的关键参量，探索这些关键参量之间的物理联系 , 寻求部分空间天气过程可预报性的物理基础。结合载人航天工程和月球探测计划需求，发展新的空间天气预报方法和技术。

(2)(2)具体内容和进度安排具体内容和进度安排 ::

随着新太阳活动周上升期的到来以及我国重大航天工程需求，运用已经建随着新太阳活动周上升期的到来以及我国重大航天工程需求，运用已经建立的预报模型进行实战检验。（全年度）立的预报模型进行实战检验。（全年度）

提出建立日冕物质抛射产生和对地效应预报模型的关键科学问题和提出建立日冕物质抛射产生和对地效应预报模型的关键科学问题和基本路线。争取形成一个切实可行的方案。（上半年度）基本路线。争取形成一个切实可行的方案。（上半年度）

全面总结我们已经取得的进步，提出空间天气预报模式集成中的重全面总结我们已经取得的进步，提出空间天气预报模式集成中的重点方向，为今后的研究项目提供参考。（下半年度）点方向，为今后的研究项目提供参考。（下半年度）

谢谢谢谢 !!