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基于广义回归神经网络的行星际/太阳风参数和地磁指数的紫外极光强度建模

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地球物理学报 2020年第5期63卷 1738-1750页

作者：胡泽骏韩冰连慧芳中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室上海200136 西安电子科技大学电子工程学院西安710071

极光卵极光强度的空间分布是太阳风-磁层-电离层能量耦合过程的重要表现,并且随着空间环境参数和地磁指数的变化而变化,是空间天气的重要指示器.建立合适的极光强度模型对亚暴的预测以及磁层动力学的研究具有重要意义.本文基于Polar卫... 详细信息

极光卵极光强度的空间分布是太阳风-磁层-电离层能量耦合过程的重要表现,并且随着空间环境参数和地磁指数的变化而变化,是空间天气的重要指示器.建立合适的极光强度模型对亚暴的预测以及磁层动力学的研究具有重要意义.本文基于Polar卫星的紫外极光成像仪(Ultraviolet Imager,UVI)数据,采用两种不同的极光强度表征方法,即曲线拟合方法(从UVI图像数据中提取极光强度沿磁余纬方向上的曲线特征,Curve Feature along the Magnetic Co-latitude Direction of the Auroral Intensity,CFMCD_AI)和网格化方法(从UVI图像数据中提取极光强度的网格化特征,Gridding Feature of the Auroral Intensity,GF_AI),来构造极区极光强度特征数据库.然后,利用该数据库,采用广义回归神经网络(Generalized Regression Neural Network,GRNN)构建了以行星际/太阳风参数(行星际磁场三分量、太阳风速度和密度)和地磁指数(AE指数)为输入参数的两种极光强度预测模型(GRNN_CFMCD_AI模型和GRNN_GF_AI模型).利用图像质量评价指数结构相似度(structure similarity,SSIM)作为极光强度模型预测结果和对应的UVI图像的相似性评价标准(完全相似为1,不相似为0,一般认为SSIM大于0.5是具有较好的相似性),对两种极光强度模型进行了性能评价.结果显示,GRNN_GF_AI模型预测结果对应的SSIM值范围为0.36~0.77,均值为0.54,性能优于GRNN_CFMCD_AI模型的.

关键词：极光卵模型空间天气神经网络紫外极光

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基于全天空图像的极光活动变化检测方法研究

地球物理学报 2015年第9期58卷 3038-3047页

作者：王倩胡红桥胡泽骏丘琪中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136 西安邮电大学通信与信息工程学院西安710121

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,... 详细信息

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.

关键词：极光活动变化检测全天空图像

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日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

地球物理学报 2023年第5期66卷 1829-1846页

作者：余尧胡泽骏蔡红涛武汉大学电子信息学院武汉430072 中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室上海200136 浙江大学海洋研究院浙江舟山316021

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... 详细信息

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Bx>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By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.

关键词：电子加速离子上行地磁活动行星际磁场

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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

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地球物理学报 2015年第1期58卷 1-11页

作者：何昉胡红桥杨惠根胡泽骏中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136 中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室北京100029

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... 详细信息

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.

关键词：宇宙噪声吸收静日曲线

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极光亮斑的可见光观测特征

极光亮斑的可见光观测特征

作者：胡泽骏武汉大学

学位级别：硕士

极光卵是极光粒子沉降以磁极为中心在地球南北极地区形成的椭圆带状区域。沿着地球极光卵存在着以下几个主要的极光粒子沉降区域：2200MLT附近的极光亚暴活动区、1500MLT附近的极光热点(Hot Spot)、0900MLT以及正午附近极隙区极光。极... 详细信息

极光卵是极光粒子沉降以磁极为中心在地球南北极地区形成的椭圆带状区域。沿着地球极光卵存在着以下几个主要的极光粒子沉降区域：2200MLT附近的极光亚暴活动区、1500MLT附近的极光热点(Hot Spot)、0900MLT以及正午附近极隙区极光。极光亮斑是80年代末发射的Viking卫星在午后极光卵中发现的一种紫外波段的极光形态，表现为在午后极光卵规则排列的一系列空间尺度为50～200公里的亮斑，Lui等将其归因于低纬边界层内发生的Kelvin-Helmholtz不稳定性，而后粒子探测分析显示，粒子多数来源于等离子体片边界层。由于日侧极光卵上的太阳光反射，至今还没有关于极光亮斑的卫星可见光观测报道。由于大气臭氧层对紫外光的吸收，地面无法开展极光的紫外光波段观测，至今没有极光亮斑的直接观测报道。本文利用极光粒子沉降的南北极共轭特性和日照在南北半球的季节性差异，发现并分析了两个极光亮斑的地面可见光与卫星紫外光共轭观测事件，首次揭示了紫外波段极光亮斑的可见光特征：北半球紫外波段极光亮斑，在南半球可见光波段表现为极光弧上的局部增亮的涡旋状结构。极光弧涡旋的极光强度高于其他部分强;涡旋会沿着极光弧向西或向东移动，存在的时间短暂，不超过一分钟。

关键词：极光亮斑,日侧极光,南极,中山站,全天空成像仪,Polar卫星,共轭

融合空间物理参数的小样本极光涡旋自动分类研究

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地球物理学报 2023年第11期66卷 4478-4489页

作者：韩冰吴墨豪胡泽骏王平张义生西安电子科技大学电子工程学院西安710071 中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室上海200136 浙江大学海洋研究院浙江舟山316021 北京应用气象研究所北京100029

复杂的空间物理过程导致极光出现各类复杂的形态.极光形态的自动分类有助于分析极光发生机制以及了解空间物理过程.当前的极光分类主要采用传统的机器学习或深度学习的方法,需要大数据作为支撑.但在实际发生的极光事件中,一些事件相比... 详细信息

复杂的空间物理过程导致极光出现各类复杂的形态.极光形态的自动分类有助于分析极光发生机制以及了解空间物理过程.当前的极光分类主要采用传统的机器学习或深度学习的方法,需要大数据作为支撑.但在实际发生的极光事件中,一些事件相比其他极光事件出现频率小(如极光涡旋),这样的事件是小样本事件.本文提出一种基于注意力机制,结合空间物理参数信息的小样本极光事件分类方法.从北极黄河站2003—2017年全天空极光数据集中,构建了一个有85个极光涡旋序列的实验数据集.利用该方法,对极光涡旋这一类特殊小样本极光事件进行分类研究.研究结果显示,加入空间物理参数有助于极光涡旋的分类,分类准确率从56.37%提升到66.25%,同时也表明空间环境参数对极光涡旋的产生有着明显的调制作用.

关键词：极光涡旋空间参数深度学习小样本学习多模态信息

基于恒星辐射稳定性的全天空极光成像仪辐射定标方法

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光学学报 2021年第5期41卷 55-65页

作者：韩冰李国君胡泽骏张义生西安电子科技大学电子工程学院陕西西安710071 中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室上海200136 北京应用气象研究所北京100029

全天空极光成像仪是一种重要的地基极光观测设备,对全天空成像仪进行辐射参数定标能够获得全天空图像中极光结构在不同观测谱线上的真实激发强度,这对于空间物理过程的定量研究有着重要的意义。受到极区观测台站的条件限制,许多全天空... 详细信息

全天空极光成像仪是一种重要的地基极光观测设备,对全天空成像仪进行辐射参数定标能够获得全天空图像中极光结构在不同观测谱线上的真实激发强度,这对于空间物理过程的定量研究有着重要的意义。受到极区观测台站的条件限制,许多全天空极光成像仪无法在观测现场进行辐射参数定标。为此,提出一种基于恒星辐射稳定性对全天空成像仪进行辐射参数定标的方法,把恒星作为"虚拟标准光源",利用全天空成像仪获取的星空图进行辐射定标,最终确定辐射强度-图像数值之间的辐射参数。利用更多的恒星亮度作为参考标准,以及电离层卫星探测到的极光沉降电子数据,结合GLOW模型计算的极光激发强度作为参考标准,对定标结果进行了两种不同方法的验证。结果显示,在恒星亮度验证中,恒星亮度偏差最大值为12.22%,平均偏差为4.624%;在卫星沉降粒子验证中,利用模型计算出的极光弧峰值强度与全天空观测获得极光弧峰值强度偏差最大值为11.30%,平均偏差为5.603%。两种验证结果相近,这表明本文所提定标方法是有效和可信的。

关键词：测量辐射定标全天空成像仪恒星辐射 GLOW模型

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一种基于形态特征的极光自动分类方法

中国科学：地球科学 2017年第2期47卷 252-260页

作者：杨秋菊胡泽骏陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119 中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136

极光是磁层与电离层-热层复杂相互作用的直观表现,对极光进行合理分类有助于了解极光发生机制及其与磁层边界层动力学过程之间的相互关系.面对逐年增长的海量极光数据,亟需自动的极光分类方法.本文基于韦伯局部描述符(WLD)提出了一种极... 详细信息

极光是磁层与电离层-热层复杂相互作用的直观表现,对极光进行合理分类有助于了解极光发生机制及其与磁层边界层动力学过程之间的相互关系.面对逐年增长的海量极光数据,亟需自动的极光分类方法.本文基于韦伯局部描述符(WLD)提出了一种极光图像描述方法,该方法能表征全天空极光图像的纹理、形状和亮度等形态特征.基于该方法,对2003~2009年北极黄河站越冬观测的4种日侧极光类型进行自动分类.在2003年8001幅典型极光图像上,与人工标记对比分类准确率高达94.8%,高于其他同类方法;对2004~2009年越冬观测数据进行自动识别,获得4种极光类型的发生分布与日侧极光的多波段能量分布一致.实验结果表明本文方法能有效用于极光图像表征,为海量极光图像自动分类提供了一种新方法.

关键词：全天空极光形态特征自动分类

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

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地球物理学报 2016年第2期59卷 426-439页

作者：杨秋菊胡泽骏韩德胜胡红桥马骁陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710119 中国极地研究中心国家海洋局极地科学重点实验室上海200136

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-380500... 详细信息

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）.

关键词：紫外极光极光卵边界行星际地磁环境回归分析