太阳风动压脉冲结构及其与地磁急始关系研究

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行星际空间是太阳和地球之间的桥梁和纽带,它可以把蕴含在太阳大气、行星际空间中的丰富信息带到地球,从而引起地球空间环境的变化。太阳风动压脉冲结构(DPP,dynamic pressure pulse)是行星际太阳风中常见的小尺度结构之一,其动压通常在几分钟内发生明显突变。太阳风动压脉冲结构到达地球空间,会在磁层—电离层空间引发明显的扰动。地磁急始(SC,sudden commencement)就是太阳风动压脉冲结构的地球物理效应之一。基于行星际太阳风观测数据实现太阳风动压脉冲结构的自动识别,全面了解太阳风动压脉冲结构的特征,对于丰富对太阳风物理特征的认知及开展行星际空间天气监测预警具有重要的意义。此外,研究探讨太阳风动压脉冲结构与地磁急始现象之间的联系,对于了解太阳风与磁层相互作用物理过程,进一步理解地磁急始的产生原因和特征表现,开展地磁急始预报也具有重要的现实意义。本文首先通过学习借鉴Zuo等(2015)提出的太阳风动压脉冲结构自动识别算法,实现了基于WIND卫星的太阳风动压脉冲结构自动识别技术,并积累了1994-2016年期间共万余例太阳风动压脉冲结构事件;接着,对1994-2016年的全体太阳风动压脉冲结构进行统计分析,全面了解其物理特征;随后,鉴于太阳风动压脉冲结构是引发地磁急始的主要原因之一,开展了太阳风动压脉冲结构与地磁急始相关关系研究;最后,在前述研究基础上,建立了基于太阳风动压脉冲结构特征参数预测地磁急始的经验预报模型,并开展了预报效果检验。主要结果列举如下:1、1994-2016年11909例DPP事件中,绝大部分(70.4%)的DPP事件其绝对动压变化集中在1.0~2.0nPa,DPP事件的相对动压变化幅度处于0.2~2之间,且一半以上(约54.1%)的DPP事件其相对动压变化集中在0.2~0.4;随着绝对动压和相对动压变化的增大,DPP事件的数目呈明显递减趋势;28.3%的DPP事件其持续时间集中在150~210s。尤为显著的,77.1%的DPP事件与行星际日冕物质抛射、共转相互作用区、行星际日冕物质抛射和/或共转相互作用区组成的复杂抛射物等大尺度太阳风扰动结构相关;而且38.8%的DPP事件位于大尺度扰动结构区域的前三分之一范围内,只有15.1%的DPP事件位于大尺度扰动结构区域的的后三分之一范围内。此外,DPP事件的日发生频次与太阳活动周期正相关。2、通过分析1994-2011年期间的330例DPP与SC相关联事件发现:(1)91%的SC事件与DPP事件相关联,53%的SC与行星际激波相关联,与行星际激波相比,DPP是引起SC的更普遍的原因。(2)与普通DPP事件相比,引起SC的DPP事件其绝对动压和相对动压变化均较强且多位于大尺度太阳风扰动结构的前端,这为今后判断什么样的DPP能引发SC提供了研究基础。(3)DPP—SC关联事件中,DPP动压变化幅度、上下游动压平方根差与SC变化幅度之间存在明显的相关关系,而且在行星际南向磁场时这种相关关系更明显;DPP传播速度对SC变化幅度有一定的影响,而DPP持续时间对SC变化幅度影响不大。此外,DPP的持续时间、传播速度及其动压变化幅度均对SC持续时间有一定的影响,但DPP的这些特征参数与SC持续时间之间的相关程度均不高。3、利用DPP—SC关联事件的统计分析结果,初步建立了基于DPP特征参数(动压变化幅度、持续时间、传播速度、发生时间等)预测SC起始时间、变化幅度和持续时间的经验预报模型,并利用2011年2月到2015年的90例新DPP—SC事件进行了预报效果检验。结果表明,SC变化幅度的预测效果最好,SC发生时间的估算效果也比较好,但SC持续时间的预测效果还不理想,需要将DPP事件的方向这一重要参数应用到目前的预报模型中。
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