三维背景太阳风快捷模式研究

Fast modeling of three-dimensional (3D) solar wind background is of both great scientific importance and realistic significance for us to rapidly and accurately understand the dynamic process of solar storms' propagation in interplanetary space. In order to meet the urgent demands for the real- or faster than real-time numerical predictions of space weather, the project will construct the novel self-descriptive data model for 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulation, which will consume little computational resources and support parallel input and output. The project will also use CPU/GPU heterogeneous computing technology to develop the 3D stable, high-efficient and parallel-adaptive numerical model for predicting time-dependent solar wind background. The newly-developed speedup model will include the recent scientific results of solar wind heating and acceleration and be driven by continuous observations of photospheric magnetic field and other solar and interplanetary measurements from multi-spacecraft so that the model can reproduce the near-real solar wind background during the period of several months or years. We will use the novel model to investigate the spatial and temporal variations of the structured solar wind background and the features of the co-rotating interaction regions (CIRs) at different solar activity phases, and obtain the time-dependent picture of the solar wind near Earth in a way faster than real- time. This study will lay a solid foundation for establishing the world-class numerical models of solar storm in space weather prediction.

快捷的三维太阳风背景数值模式对于迅速准确地了解太阳风暴在行星际传播的动力学过程具有十分重要的科学意义和现实意义。本项目面向数值预报的实时/快于实时准实时这一重大需求，发展新型的资源占用少并且支持并行输入输出的适用于三维MHD模拟的自描述数据模型，利用CPU/GPU异构计算技术，建立描述太阳风时变背景的高效稳定、高时空分辨率的、并行自适应的数值预报快捷模式。利用快捷模式和太阳行星际的多卫星观测，以太阳光球磁场等连续观测作为时变模式的连续驱动，把对太阳风加速加热的新成果融入三维太阳风背景模式研究中，使之可以呈现数月至数年变化且接近物理实际的太阳风背景，研究不同太阳活动位相期的有结构背景太阳风的时空变化和共转相互作用区特征，获取实时/快于实时预测地球轨道附近背景太阳风的时变图像，为建立国际一流的太阳风暴的空间天气数值预报模式奠定坚实的基础。

快捷的三维太阳风背景数值模式对于迅速准确地了解太阳风暴在行星际传播的动力学过程具有十分重要的科学意义和现实意义。本项目面向数值预报的实时/快于实时准实时空间天气这一重大需求，借助于坐标变换下的三维SIP-AMR-CESE MHD模式，首次利用CPU/GPU 异构计算技术，建立了描述太阳风时变背景的高效稳定的、高时空分辨率的、并行自适应的CPU/GPU快捷数值模式，用上述快捷的GPU太阳风模式对太阳风背景进行了验证性研究，其结果与太阳日冕观测、近地太阳风观测基本一致，能够再现主要的大尺度观测特征，与配置相当的并行CPU模式相比，可获得至少5倍的加速比；基于三维球坐标系的六片网格系统的有限体积法，利用双时间步隐式格式，发展了模拟日地过程的磁流体力学（STEP-MHD）数值模式，通过模拟2064和2048卡林顿自转周的日冕及太阳风背景研究了该模式的模拟能力，收敛速度，磁场散度误差等基本特性，结果表明模型不仅能够再现主要的日冕大尺度观测特征，而且可以模拟强磁场，大大提高了收敛速度，保持较小的磁场散度误差；同时基于三维STEP-MHD数值模式，比较研究了CT法、扩散法、投影法和GLM法共四种磁场散度处理方法在太阳日冕数值模拟中的处理性能。..项目执行期间，发表论文32篇，SCI收录论文23篇。博士后出站1人, 3人获得博士学位，2人获得硕士学位。..项目组参与主办全国性或国际性学术会议3次，参加国内国际学术会议16人次，做邀请报告6次。