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电场驱动的日冕数值模拟中时变边界条件研究

地球物理学报 2023年第10期66卷 4009-4025页

作者：吕佳锟柳晓静向长青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北京100190 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

时变边界条件的处理对于数据驱动的日冕太阳风建模研究十分重要.本文基于特征边界条件,将松弛型无反射边界处理应用到三维磁流体力学(Magnetohydrodynamics,MHD)方程中,发展出一种自洽的、以切向电场作为数据驱动的时变边界条件,并将其... 详细信息

时变边界条件的处理对于数据驱动的日冕太阳风建模研究十分重要.本文基于特征边界条件,将松弛型无反射边界处理应用到三维磁流体力学(Magnetohydrodynamics,MHD)方程中,发展出一种自洽的、以切向电场作为数据驱动的时变边界条件,并将其应用于时变日冕太阳风的模拟中.为验证该时变边界条件的有效性,本文连续模拟研究了2187—2189三个卡林顿周的日冕太阳风结构.通过将模拟结果与SOHO、STEREO等卫星的观测结果进行对比研究,发现基于该时变边界条件的日冕太阳风的模拟可以较好地反映出日冕太阳风的大尺度结构及其演化过程,且模拟得到的太阳风参数与卫星观测结果较为吻合.说明本文所发展的时变边界条件可以有效地模拟数据驱动的时变日冕太阳风.

关键词：日冕磁流体力学边界条件电场驱动

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2011年8月4日螺旋状日冕物质抛射爆发事件

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空间科学学报 2019年第5期39卷 591-602页

作者：叶煜东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

利用多卫星多波段的综合观测数据,通过追踪光球表面等离子体速度分析计算了耀斑爆发前后磁螺度的变化,发现耀斑爆发前活动区中光球表面存在强的水平剪切运动,活动区磁螺度的注入主要由这种剪切运动所产生;使用CESE-MHD-NLFFF重建了耀斑... 详细信息

利用多卫星多波段的综合观测数据,通过追踪光球表面等离子体速度分析计算了耀斑爆发前后磁螺度的变化,发现耀斑爆发前活动区中光球表面存在强的水平剪切运动,活动区磁螺度的注入主要由这种剪切运动所产生;使用CESE-MHD-NLFFF重建了耀斑爆发前后活动区的磁场位形,推测出耀斑过程中存在磁绳结构的抛射.基于这些分析,给出了这一螺旋状抛射结构的形成机制:爆发前暗条西侧足点的持续剪切运动驱动磁通量绳增加扭转,高度扭缠的通量绳与东侧足点附近的开放磁力线重联并与东侧足点断开,进而向外抛出并伴随解螺旋运动.另外,利用1AU处WIND卫星的观测数据在对应的行星际日冕物质抛射中找到典型磁云的观测特征.这表明除了传统上双足点均在太阳表面的磁云模型,这种单足点固定于太阳表面的磁通量绳爆发图景同样可能在行星系际空间形成磁云结构.研究结果对进一步认识磁云结构具有重要意义.

关键词：耀斑日冕物质抛射磁螺度爆发模型

数据驱动的三维磁流体力学背景太阳风模拟研究进展

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地球物理学进展 2019年第4期34卷 1303-1313页

作者：李会超张莹中国科学院国家空间科学中心北京100190 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 中国科学院大学北京100049 中国科学院地球科学研究院北京100029

三维磁流体力学背景太阳风模型是日地耦合过程研究和空间天气数值预报的重要工具.该类模型的当前发展趋势是数据驱动的太阳风三维磁流体力学模拟,其输入参数为随时间变化的太阳连续观测,其模型输出为更接近真实的背景太阳风的三维空间... 详细信息

三维磁流体力学背景太阳风模型是日地耦合过程研究和空间天气数值预报的重要工具.该类模型的当前发展趋势是数据驱动的太阳风三维磁流体力学模拟,其输入参数为随时间变化的太阳连续观测,其模型输出为更接近真实的背景太阳风的三维空间分布及其随时间的演化.本文总结了背景太阳风的空间天气效应及其三维磁流体力学模型的作用和构成,综述了数据驱动的背景太阳风三维磁流体力学模拟的近年研究进展,展望了数据驱动模拟的未来发展方向.

关键词：磁流体力学太阳风数值模拟数据驱动

外日球层太阳风“磁流体-能量粒子”强耦合系统的数值模拟

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天文学进展 2016年第4期34卷 425-449页

作者：熊明李波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SIGMA课题组北京100190 中国科学院大学北京100049 山东大学空间科学研究院山东省光学天文与日地空间环境重点实验室威海264209

日球层是指以超音速径向外流的太阳风在周围星际介质中所占有的空间范围。磁化太阳风和星际介质的相互作用形成终止激波、日鞘区、日球层顶。在外日球层,太阳风中存在宇宙线能量粒子辐射背景以及螺旋形行星际磁场、行星磁层等准稳态结... 详细信息

日球层是指以超音速径向外流的太阳风在周围星际介质中所占有的空间范围。磁化太阳风和星际介质的相互作用形成终止激波、日鞘区、日球层顶。在外日球层,太阳风中存在宇宙线能量粒子辐射背景以及螺旋形行星际磁场、行星磁层等准稳态结构。太阳风离子与星际中性氢原子通过电荷交换生成太阳风拾起(pickup)离子和能量中性原子(Energetic Neutral Atom,ENA),导致外日球层太阳风的加热和减速。外日球层太阳风宏观磁流体动力学与ENA辐射场是强烈耦合的,ENA携带其原属离子群的成分及能量信息并且在日球层内直线运动。ENA辐射是遥测广袤日球层的远程探针,该辐射在全天球范围内的成像能描绘外日球层在粒子多能段的全景肖像。辐射磁流体理论被应用于描述日球层大尺度动力学和能量粒子加速及传输的多尺度耦合。认证外日球层太阳风物理的重大科学问题,阐述该科学问题对辐射磁流体的物理建模及其数值求解的内禀需求,分析外日球层辐射磁流体数值模拟在国内外的发展脉络和当前现状,提出我国在外日球层领域辐射磁流体数值模拟的发展建议。

关键词：辐射磁流体力学能量中性原子外日球层太阳风

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背景太阳风数值模拟的熵守恒格式

空间科学学报 2019年第4期39卷 417-431页

作者：王腾龙冯学尚李彩霞柳晓静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

背景太阳风研究是根据行星际扰动传播情况预测空间天气状况的基础,磁流体(MHD)模拟是背景太阳风研究的重要手段.采用一种新的数值计算方式,利用Ideal GLM-MHD将计算过程中产生的磁场散度以ch的速度向计算区域外传播,从而消去磁场散度;... 详细信息

背景太阳风研究是根据行星际扰动传播情况预测空间天气状况的基础,磁流体(MHD)模拟是背景太阳风研究的重要手段.采用一种新的数值计算方式,利用Ideal GLM-MHD将计算过程中产生的磁场散度以ch的速度向计算区域外传播,从而消去磁场散度;重构部分使用受约束的最小二乘法,将磁场散度作为约束条件添加到重构中,进一步对重构后的磁场梯度进行修正;通量计算采用满足热力学第二定律的熵守恒格式,该格式能够确保在计算过程中熵不增,保证数值稳定.研究结果表明,该方法应用于太阳风数值模拟的求解得到了更加稳定的结果.

关键词：有限体积法熵守恒磁场散度太阳风

行星际日冕物质抛射地磁效应研究的支持向量机方法初步研究

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空间科学学报 2019年第3期39卷 295-302页

作者：叶煜东冯学尚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北京100190 中国科学院大学北京100049

行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection, ICME)与地球磁层相互作用并带来地磁暴等地磁扰动.从Richardson和Cane提供的近地球ICME列表中筛选出ICME事件集,基于ICME扰动期间的行星际等离子体与磁场数据提取出特征.通... 详细信息

行星际日冕物质抛射(Interplanetary Coronal Mass Ejection, ICME)与地球磁层相互作用并带来地磁暴等地磁扰动.从Richardson和Cane提供的近地球ICME列表中筛选出ICME事件集,基于ICME扰动期间的行星际等离子体与磁场数据提取出特征.通过计算各特征的费舍尔分值(Fisher Score),对这些特征进行选择,发现行星际磁场南北向分量持续时间小于-10nT且激波等扰动所带来的ICME扰动开始时,太阳风速度的增量等特征与ICME事件的地磁效应密切相关.这与现有的传统统计研究结果一致.以这些特征为基础,训练得到的径向基函数支持向量机能够以0.78±0.08的准确率判断ICME事件是否会产生中等及以上强度的地磁暴(Dst≤-50nT).

关键词：支持向量机行星际日冕物质抛射地磁效应

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磁云边界层中的重联慢激波观测分析

空间科学学报 2020年第4期40卷 471-478页

作者：周梓露左平兵宋小健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)空间科学与应用技术研究院深圳518000

在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测... 详细信息

在Petschek模型中,排空区边界处的一对慢激波是能量耗散的重要机制.已有大量行星际空间的Petschek型磁场重联排空区观测事件被报道,但是只有少量的排空区边界处观测到了慢激波.针对一例位于磁云边界层中的Petschek型磁场重联排空区观测事件,在排空区靠近磁云一侧边界处证认了一例慢激波.激波跃变层两侧的磁场和等离子体参数满足Rankine-Hugoniot关系,且激波上下游的中间马赫数均小于1,上游的慢马赫数为2.94(>1),下游的慢马赫数为0.65(<1),符合慢激波的观测特征.磁云内部的等离子体β值很低,局地阿尔芬速度高,同时磁云边界层中可能发生丰富的磁场重联活动,这可能是磁云前边界处慢激波形成的原因.

关键词：磁云磁场重联慢激波

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磁云边界层中的复合重联喷流观测分析

空间科学学报 2020年第3期40卷 323-330页

作者：周梓露宋小健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

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成,这两个喷流分别经过Walen关系的证认,符合行星际磁场重... 详细信息

太阳风中的磁场重联通常与行星际日冕物质抛射有关.本文分析了1995年10月18日WIND飞船观测到的一例磁云前边界层中的复合重联喷流事件.该复合排空区由相邻两个不同方向的喷流构成,这两个喷流分别经过Walen关系的证认,符合行星际磁场重联排空区等离子体喷流的特征.结果表明,在磁云前端可能存在众多重联点,从而将磁云本体的磁场剥离,形成比单一重联喷流区更复杂的三维边界层结构.磁云边界层中可能发生多点多次重联,从而不表现出单点重联的排空区特征,这可能是行星际磁场重联排空区较少在ICME前端被观测到的原因之一.

关键词：磁云磁云边界层磁场重联