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基于神经网络的未来3天Kp指数预报建模与可解释AI应用

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空间科学学报 2024年第3期44卷 437-445页

作者：王听雨罗冰显陈艳红石育榕王晶晶刘四清中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室中国科学院大学

当前业务中对未来3天Kp指数预报需求强烈.但地磁暴中多参数耦合导致难以量化各预报因子对Kp值的贡献,制约了预报精度提升.本文构建了神经网络3天Kp指数预报模型,并使用人工智能(AI)可解释性算法定量化各因子贡献.结果显示,行星际磁场南... 详细信息

当前业务中对未来3天Kp指数预报需求强烈.但地磁暴中多参数耦合导致难以量化各预报因子对Kp值的贡献,制约了预报精度提升.本文构建了神经网络3天Kp指数预报模型,并使用人工智能(AI)可解释性算法定量化各因子贡献.结果显示,行星际磁场南向分量在提前3 h对Kp指数的贡献为37.15%,为主要因子,说明模型能捕捉符合物理特征的主要预报因子. Kp指数历史特征贡献随提前量逐渐增加,提前3天总体贡献占68.06%,验证了对冕洞高速流引起的地磁暴事件的预报能力.对2015和2017年特大地磁暴进行贡献分析,模型准确捕捉了地磁暴多参数耦合的复杂特性.研究表明,可解释AI算法在一定程度上能定量化各预报因子对Kp指数的预报贡献,有助于改进未来3天Kp指数AI预报模型.

关键词：地磁暴未来3天Kp指数预报神经网络可解释性AI算法

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月球空间天气探测与研究进展

深空探测学报（中英文） 2024年第2期11卷 159-168页

作者：罗冰显张贤国孙天然白先勇韦飞林瑞淋李磊张珅毅孔令高王馨悦谢良海彭松武唐斌斌张颖洁徐秋予冷双冯鹏远苏杨甘为群封莉田晖陈林杰颜毅华宋永亮刘四清邓元勇空间天气学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 天基空间环境探测北京市重点实验室北京100190 中国科学院国家天文台北京100101 中国科学院紫金山天文台南京210023 北京大学地空学院北京100871

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间... 详细信息

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间天气监测站的构想,明确了监测站具体科学目标,并介绍了监测站三大系统构成及相互关系,包括监测系统、科学研究系统以及建模与预报系统。建立月球空间天气监测站对研究太阳爆发活动、日地月耦合关系以及月球局地环境的变化具有重要的科学意义,也有利于促进月球空间天气建模和预报技术的发展,提升未来月球科研探索任务空间环境保障能力。

关键词：月球空间天气月球空间天气探测和研究月球空间天气监测站月球空间天气预报

冕洞特征参数提取及其与重现型地磁暴关系的统计研究

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冕洞特征参数提取及其与重现型地磁暴关系的统计研究

作者：罗冰显中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）

学位级别：硕士

冕洞高速流是引发地磁扰动的一类重要原因,特别是在太阳活动下降年和太阳活动低年,由冕洞引起的地磁扰动在地磁活动中占主导地位。由于冕洞寿命长、发展相对其他太阳活动缓慢、相对比较稳定,因此它引起的地磁扰动具有明显的重现特征,这... 详细信息

冕洞高速流是引发地磁扰动的一类重要原因,特别是在太阳活动下降年和太阳活动低年,由冕洞引起的地磁扰动在地磁活动中占主导地位。由于冕洞寿命长、发展相对其他太阳活动缓慢、相对比较稳定,因此它引起的地磁扰动具有明显的重现特征,这也为该类地磁扰动的分析和预测提供了有利依据。过去对冕洞、高速流和地磁扰动之间的关系方面已经有不少的定性分析研究,也取得了不少的成果,但由于缺乏定量研究,对于冕洞的发展和与冕洞相关重现性地磁扰动的预报问题仍没有得到很好的解决。近来,随着空间探测技术的发展,卫星空间探测和卫星太阳成像技术,为冕洞以及冕洞相关的地磁活动的定量研究提供了新的机会。本文在提取冕洞特征参数的基础上,利用1996年到2005年8月近十年来的356个对地磁活动有影响的冕洞事例,对冕洞特征参数(包括冕洞的面积、经纬度跨度等)与冕洞高速流特征、重现性地磁扰动特征(包括扰动大小和持续时间等)之间的相关性进行了初步的定量研究,为冕洞特征分析和冕洞引起的重现性地磁扰动预报研究做了一些前期准备工作。全文共分为四章: 第一章,简要地介绍了冕洞的观测特性和基本物理特征、太阳风高速流及相互作用区的形成特性以及重现性地磁扰动的基本知识,概述了冕洞、高速流以及重现性地磁扰动相关关系的最新研究成果。第二章,详细介绍了一种利用SOHO/EIT数据提取冕洞特征参数的方法。作者利用这种方法提取了八种冕洞特征参数,为冕洞及其与高速流、地磁扰动的定量分析奠定了基础。第三章对冕洞及其与高速流和重现性地磁扰动的相关性进行了分析研究,发现:(1)从引起地磁扰动的冕洞在整个太阳活动周的分布来看,在地磁扰动峰年中冕洞影响同样具有重要的贡献;(2)冕洞高速流太阳风速度与地磁扰动强

关键词：冕洞重现性地磁扰动

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全球空间天气路线图及对中国的启示

空间科学学报 2019年第3期39卷 275-282页

作者：刘四清罗冰显中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

随着科技的发展,空间天气对电力系统、通信导航系统和航天资产等遍布全球的技术基础设施的影响越来越深.需要加强对空间天气事件过程的理解,提升空间天气的预报能力,优化基础设施设计,从而减缓空间天气对社会造成的影响.基于这些需求,... 详细信息

随着科技的发展,空间天气对电力系统、通信导航系统和航天资产等遍布全球的技术基础设施的影响越来越深.需要加强对空间天气事件过程的理解,提升空间天气的预报能力,优化基础设施设计,从而减缓空间天气对社会造成的影响.基于这些需求,国际空间研究委员会(COSPAR)联合国际与日共存计划(ILWS)共同成立专家组,研究制定了全球2015-2025空间天气发展路线图.本文对该路线图进行介绍和解读,讨论该路线图对中国空间天气发展的启示.

关键词：空间天气空间环境路线图

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对自相似扩展(SSE)模型的改进和研究

地球物理学报 2013年第9期56卷 2871-2884页

作者：王晶晶罗冰显刘四清龚建村中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院空间天气学国家重点实验室北京100190

自相似扩展拟合法(Self-Similar Expansion,SSE)假设日冕物质抛射(CME)具有恒定角宽度、沿径向向外传播的、自相似扩展的球形前沿,由日心出发的、与这个球形前沿相切的圆锥的圆锥角就是通常所说的CME角宽度,半角宽度取值范围是[0°,90... 详细信息

自相似扩展拟合法(Self-Similar Expansion,SSE)假设日冕物质抛射(CME)具有恒定角宽度、沿径向向外传播的、自相似扩展的球形前沿,由日心出发的、与这个球形前沿相切的圆锥的圆锥角就是通常所说的CME角宽度,半角宽度取值范围是[0°,90°],固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM)分别对应SSE模型的半角宽度为0°和90°的特殊情况.本文中修改后的自相似扩展拟合法(MSSE)假设CME具有自相似扩展的半球形前沿,能够提取的CME参数包括由日心出发的、圆锥截面过球心的圆锥的半圆锥角和CME的主传播方向、传播速度,其中半圆锥角取值范围是[0°,90°],FΦ和HM分别对应MSSE模型的半圆锥角为0°和45°的特殊情况,半圆锥角为90°时,CME前沿是以日心为圆心的半圆.MSSE拟合法扩大了SSE模型对CME前沿形态的描述范围,将半圆锥角作为判断CME是否能够到达、何时到达某颗卫星的重要参数.基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像,结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,本文深入分析了2010年23个CME事件,结果发现:在用于预报CME事件是否能到达某颗卫星、何时到达时,MSSE拟合法相比FΦ、HM和SSE拟合法,不但可以更准确地拟合CME主传播方向和传播速度,也可以缩小预计到达时间和到达速度的误差.

关键词： CME STEREO HI 角宽度

结合实地观测和STEREO/HI图像观测分析2010年CME事件

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地球物理学报 2013年第3期56卷 746-757页

作者：王晶晶罗冰显刘四清龚建村中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院空间天气学国家重点实验室北京100190

本文使用了基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像的固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM),结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,深入分析了2010年15个日冕物质抛射(CME)事件,... 详细信息

本文使用了基于单颗STEREO卫星日球层成像仪(Heliospheric Imager,HI)图像的固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ)和调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM),结合STEREO和ACE卫星的太阳风实地观测数据,深入分析了2010年15个日冕物质抛射(CME)事件,对比讨论了这两种方法在提取CME参数如太阳赤道平面的主传播方向、传播速度的效果,其中FΦ拟合法假设CME是固定方向传播的小质点,HM拟合法假设CME为具有球形前沿的通量绳结构,结果发现:(1)使用HM拟合法分析得到的CME主传播方向与太阳-实地观测点的夹角平均值是9.5°,小于FΦ拟合法的19.7°;(2)HM拟合法分析的预计到达时间与实测ICME起始时间的平均误差和最大误差分别为0.282天和0.805天,明显小于FΦ拟合法.本文也使用结合STEREO两颗卫星HI图像的直接三角法(Direct-triangulation,DT)和球面切线法(Tangent-to-a-sphere,TS),深入分析了5个朝向地球的CME事件,其中,DT和FΦ拟合法的假设相同,TS和HM拟合法的假设相同,结果发现:(1)这两种方法分析的CME主传播方向与日地连线的夹角最大值分别是13.2°和21.1°,明显小于单颗卫星观测的20.7°和27.5°;(2)其中4个CME事件使用方法得到的线性拟合加速度不超过0.4m.s-2,这说明CME在主传播方向上的速度变化在1AU内不超过100km.s-1;(3)使用TS方法得到的预计到达时间与实测ICME起始时间的绝对误差最小,平均值和最大值分别是2.3h和5.8h.可见,利用HI图像提取CME传播参数时,加入CME前沿结构假设和结合多角度观测都能够有效地减小拟合误差.

关键词： CME STEREO HI

冕洞与太阳风高速流关系的统计研究:到达时间、持续时间和峰值强度

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地球物理学报 2019年第2期62卷 462-472页

作者：卜萱罗冰显刘四清龚建村曹勇王宏中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100049 哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

冕洞是太阳风高速流的源区.当冕洞出现在中低纬区域时,太阳风高速流会扫过地球并引发地球空间环境扰动,如地磁暴和高能电子暴等.在太阳活动周下降年和低年,这种类型的扰动占据主导地位.因此,冕洞高速流的到达时间、峰值时间、峰值强度... 详细信息

冕洞是太阳风高速流的源区.当冕洞出现在中低纬区域时,太阳风高速流会扫过地球并引发地球空间环境扰动,如地磁暴和高能电子暴等.在太阳活动周下降年和低年,这种类型的扰动占据主导地位.因此,冕洞高速流的到达时间、峰值时间、峰值强度和持续时间等,是空间天气预报的重要内容.本文基于2010年5月到2016年12月的SDO/AIA太阳极紫外图像以及1AU处ACE和WIND卫星的太阳风观测数据,确定了160个冕洞-太阳风高速流事件,定量计算了他们的特征参数,包括冕洞与太阳风高速流的开始时间、峰值时间、峰值强度和结束时间,分析了各个特征参数的分布规律,对冕洞-高速流之间的关系进行了统计研究,并提出了一种新的预报方法,为基于冕洞成像观测的太阳风高速流的精准预报提供了依据.

关键词：冕洞太阳风高速流预报

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利用多卫星观测CIR事件演变的统计分析

空间科学学报 2012年第4期32卷 477-487页

作者：王晶晶罗冰显刘四清龚建村中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190 中国科学院研究生院北京100049

根据2007—2009年STEREO-BEHIND(STB)和ACE卫星的行星际磁场和太阳风数据,基于冕洞高速流从太阳向外匀速径向传输假设,讨论了随着STB和ACE卫星与太阳之间的夹角从0°增大至70°时,冕洞发出的高速太阳风形成的相互作用区(CIR)依次扫过STB... 详细信息

根据2007—2009年STEREO-BEHIND(STB)和ACE卫星的行星际磁场和太阳风数据,基于冕洞高速流从太阳向外匀速径向传输假设,讨论了随着STB和ACE卫星与太阳之间的夹角从0°增大至70°时,冕洞发出的高速太阳风形成的相互作用区(CIR)依次扫过STB和ACE卫星的时间差特性,并统计分析了两颗卫星观测到的CIR参数的变化特征.结果显示,可以利用STB对CIR事件的观测来预测这个CIR事件到达ACE的理论时间,时间误差均值和最大值分别为0.217 d和0.952 d,时间误差的产生与STB和ACE卫星观测到的CIR速度大小的不同有关,用速度差异矫正后,时间误差的平均值和最大值可分别减小为0.194 d和0.489 d;STB和ACE卫星观测的CIR事件太阳风速度最大值的线性相关系数达到了0.84,STB和ACE卫星观测到的CIR事件对特征物理量中速度、质子温度的变化最小,而质子密度及总压力的变化最大.分析结果表明,STB和ACE卫星观测到的CIR事件有很强的相似性,STB卫星的CIR,观测可以作为ACE卫星观测CIR事件特征的参考,从而为地球空间环境扰动预报提供依据.

关键词：冕洞共转相互作用区(CIR) 太阳风高速流重现性CIR

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冕洞与重现性地磁暴

冕洞与重现性地磁暴