行星际激波能否到达地球的因果链预报方法研究

Interplanetary (IP) shock driven by coronal mass ejections is an important space weather phenomenon. Predicting whether an interplanetary shock will encounter the Earth is the prerequisite and foundation to predict its arrival time at the Earth and its geo-effectiveness. At present, there is still no method of predicting whether an IP shock will encounter the Earth by using the physical properties in the solar active regions and the physical characteristics of interplanetary disturbances, and the false alarm rates of popular models are higher than 40%. So there is great room to develop new prediction models. With the use of solar and interplanetary observations obtained from SDO、STEREO、ACE and SOHO, our effort for effectively predicting whether an IP shock will encounter the Earth involves the following steps: (1) study statistical properties of solar sources of earth-directed and earth-away IP shock events and analyze their differences; (2) identify key solar parameters that significantly influence whether an IP shock will encounter the Earth; (3) develop a diagnostic model based on key solar parameters by using fuzzy mathematics approach; (4) combine the fuzzy diagnostic model with two constraint conditions, which are obtained from the three-dimensional azimuthal anisotropy of energy flux density distribution of IP shocks and the properties of associated solar energetic particles, to build cause-and-effect chain model. In this way, it is expected to predict the probability of occurrence of Earth-directed IP shock with better precision.

预报日冕物质抛射驱动的行星际激波能否到达地球是预报激波何时到达地球及其空间天气效应的前提和基础。目前预报激波能否到达地球的虚报率高达40%以上，流行的模型少有联合利用太阳活动源区及行星际表现的物理特征进行预报的，发展新的预报模型还有很大空间。本项目利用SDO、STEREO、SOHO、ACE 卫星等丰富的太阳和行星际观测资料，结合行星际激波传播的动力学过程分析，对能够和不能够到达地球的行星际激波事件进行深入的物理分类统计研究；认证太阳源头上影响激波对地有效性的关键物理参数并揭示隐含其中的物理原因；基于源头关键物理参数，利用模糊数学方法建立预判激波能否到达地球的诊断模型；并将该模型与基于激波能量流密度三维各向异性分布和高能粒子事件特征建立的二级约束修正条件有效联合起来，建立以"因"为基础的模糊诊断模型和以"果"作为约束修正条件的因果链预报模型，预期会提高行星际激波对地有效性的预报准确率。

预报行星际激波能否到达地球是预报激波何时到达地球及其空间天气效应的前提和基础。基于对能够到达和不能够到达地球的行星际激波事件的详实物理统计分析研究，本项目挑选出了太阳源头上影响行星际激波能否到达地球的关键物理参数，并确定了行星际空间中能有效预示激波到达地球的关键约束条件；在此基础上，建立了联合利用太阳源头和行星际空间关键物理过程/参数预测行星际激波能否到达地球的因果链新预报模型（EdEaSPM）。若所需观测数据可实时获取，该模型的预报提前量可高达约1－3天。新预报模型中选用爆发源日面经度位置、耀斑强度、爆发活动初始速度与持续时间的耦合参数以及近地空间高能电子通量参数作为预报因子；基于四个预报因子对激波对地有效性的联合贡献率确定了诊断激波能否到达地球的参数，并本着同时兼顾能够到达和不能够到达地球事件的命中率的原则，确定了总贡献率的阈值。预报结果显示，EdEaSPM的预报结果与国际一流模型相比具有可比性，尤其在提高预报成功率与降低虚报率方面具有明显优势。.项目组还深入探讨了日冕激波的加速/减速效应、爆发源位置，以及CME的初始速度及角宽度等对激波对地有效性的影响，并将这些物理认知定量化地应用于激波传播模型（SPM）中。不仅丰富了SPM模型的功能——具备可以预测激波能否到达地球的良好功能，而且进一步提高了该模型在预报激波渡越时间方面的预报效果。SPM3对激波能否到达地球的预报成功率高达70%–71%，对对地激波渡越时间预报结果的平均绝对误差小于9小时。与国际流行预报模型相比，SPM3具有最高的预报成功率和最好的预报效果。.为了自主、及时有效地对开展预报结果检验，项目组还首次实现了太阳风动压脉冲结构（含行星际激波）的自动识别技术；进而利用自动识别技术得到了近20年的万余例动压脉冲(DPP)事件，通过统计分析，获得了对DPPs的全新认识。如我们首次提出，绝大部分的DPPs与大尺度太阳风扰动（行星际日冕物质抛射、共转相互作用区、复杂抛射物等）密切相关；DPPs的日均发生频率与太阳活动位相具有明显的正相关性等。项目组还深入研究了行星际激波、DPPs与地磁急始之间的相关关系，对三者之间关系有了定性和定量化地认知。.这些研究成果不仅有利于深入理解行星际激波等小尺度太阳风结构的传播演化特征，而且为开展行星际激波及太阳风动压脉冲结构对地效应的预警预报工作提供了有效手段。