数据驱动的日冕行星际背景太阳风模拟及其结果评估

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三维磁流体力学(Magnetohydrodynamics,简称MHD)太阳风模型是背景太阳风研究和预报的重要工具。它可以获得背景太阳风的物理参数在整个日冕-行星际空间的分布,从而弥补了卫星数据观测在空间、时间上的缺失,也为空间天气预报由经验预报向数值预报发展提供了不可或缺的工具。本论文建立了灵活的日冕-行星际背景太阳风耦合模式,使之既能使用经验日冕模型进行行星际太阳风的MHD数据驱动模拟,又能利用日冕MHD模式和行星际MHD模式,进行从太阳表面到1AU的MHD数据驱动模拟。使用模型的这两种工作模式,模拟了2008年全年的背景太阳风演化,对大尺度结构的演化进行了分析,并利用定量评估方法对模拟结果做了评估。  在CESE-HLL数值模式的基础上,本论文对模式的数值方法和计算实现做了若干改进,包括:(1)调整近日区和远日区的位置,利用耦合层网格实现日冕-行星际模型的耦合,使日冕MHD模型和行星际MHD模型既可以独立运行,又可以耦合运行;(2)在日冕模型的内边界上实现了时变的投影特征边界条件,使日冕的数据驱动模拟成为可能;(3)建立了利用经验日冕模型驱动行星际模型模拟时变背景太阳风的方法;(4)改进了日冕MHD模型的并行实现方式,使得日冕模型在网格的θ和φ方向上同样可以实现不同进程间的网格剖分,使更大规模的并行计算和更高的网格分辨率成为可能;(5)使用数值粘性较小的HLLD格式替换了行星际MHD模型中的HLL格式,提高了数值格式性能。  太阳风模型模拟结果的定量评估是模型发展过程中的一个关键问题。通过与真实观测数据进行对比,给出定量的统计学评估参量,就能对模型重现太阳风结构的能力做出客观的评估。模型的研究者可以通过这些参量了解模型的优势与不足,明确模型进一步改进的方向。本论文建立了一套对模型模拟质量进行评估的自动化方法,该方法具备以下功能:(1)根据预先设定的卫星轨道参数和时间分辨率,在模型运行的同时自动生成卫星所在位置的模拟结果时序数据,无需耗费额外资源进行后处理。(2)根据模拟结果和观测数据,计算相关性系数、均方误差等统计学误差参量。(3)生成观测数据和模拟结果的分布情况对比。(4)自动识别行星际磁场极性的大尺度变化,对行星际磁场的模拟质量做出评估。(5)自动识别流相互作用区结构,对流相互作用区的模拟质量做出评估。  利用经验日冕-MHD行星际模型的耦合,进行了2008年行星际背景太阳风的MHD数据驱动模拟。这种耦合模拟虽然在物理过程的自洽性上不及MHD日冕-MHD行星际耦合模拟,但其所需计算资源更小、计算速度更快、计算稳定性更强,有希望更早投入到空间天气业务预报中。以GONG6小时光球磁场概图为观测输入,用PFSS-WSA模型和其他经验关系建立的经验日冕模式驱动行星际MHD模型。对L1点模拟结果的分析表明,模拟与观测速度间的相关性系数达到了0.6以上,行星际磁场强度与观测吻合的较好,捕获了全部的行星际磁场极性反转和82.76%的流相互作用区,两种结构的到达时间误差在1天左右。  利用MHD日冕-MHD行星际模型的耦合,以GONG6小时光球磁场概图为观测输入,进行了2008年日冕和行星际太阳风的数据驱动模拟,对大尺度结构演化进行了分析。模拟结果与EUV和pB亮度等观测的对比及模拟结果本身的分析表明:模型较好的重现了冕洞、冕流带和伪冕流带等日冕背景态中的大尺度结构在2008年的演化。伪冕流X点的高度和足点距离呈反比,进而在接近真实的模拟结果中证实了前人通过理想模型得出的结论。2008年冕流带整体上存在南移的趋势,而伪冕流带则倾向于在赤道以北出现。随着时间的演化,冕流带和伪冕流带都逐渐变得平直并向赤道方向靠近。2008年L1点背景太阳风的主要结构为两个复现的高速流,通过对比日冕和行星际模拟结果的全球结果,认为这两个高速流源于低纬冕洞产生的低纬高速流。评估结果表明模拟结果较好的重现了L1点速度和密度的局地观测,速度的相关性系数达到了0.7。模型捕获了96.30%的磁场极性反转和74.19%的SIR结构,两种结构的达到时间误差在1天左右。
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