日冕-行星际耦合过程的全等离子体Beta模型研究

Oriented toward the scientific frontier in numerical prediction for solar coronal and interplanetary processes associated with solar eruptive events, the project will invent new all-plasma-beta-adaptive MHD algorithms capable of characterizing the coronal and interplanetary coupling processes, and develop numerical self-consistent all-plasma-beta-adaptive MHD models driven by multiple data from solar and interplanetary observations. With the new models and multiple observations, the project will unveil the three-dimensional (3D) structures of both magnetic and flow fields surrounding solar active regions, scrutinize solar eruptive events, the corresponding interplanetary (IP) disturbances, and their interactions with the 3D structured solar wind ambient, and investigate the structure and evolution of the southward component of interplanetary magnetic field (IMF) when CMEs cross various kinds of IP discontinuities. Meanwhile, the project will probe the fundamental physical connection between the structures of CME/IP shock and their associated geomagnetic disturbances, and promote the operational capability of predicting solar eruptive events and their propagation in solar-terrestrial space with data-driven MHD models. Successful completion of the project will lay the foundation for ultimate establishment of physics-based numerical space weather modeling for the Sun to Earth coupling system.

面向太阳爆发活动的日冕—行星际过程数值预报这一科学前沿，设计描述日地空间全等离子体beta的日冕-行星际耦合过程的新算法，发展以太阳/行星际多种观测数据驱动的日冕物质抛射（CME）的日冕-行星际过程的全等离子体beta自洽MHD新模型。借助多种观测，利用新模型揭示太阳活动区三维磁场、流场结构及其演化过程，研究太阳爆发活动及其引起的行星际扰动与三维有结构太阳风的相互作用过程，多位置多角度地再现观测到的太阳风参数的时变变化，考察CME跨越行星际空间各类间断面时，行星际磁场南向分量的结构及其演化，探索行星际激波/CME结构与相应地磁扰动之间的基本物理关联，提升数据驱动模型对太阳磁场爆发活动及其日地空间传播过程的预报能力，为最终建立基于物理的空间天气日地耦合数值预报模式奠定基础。

以太阳活动源区、行星际太阳风背景和扰动传播的空间天气耦合过程为研究主线，以发展处理背景太阳风准稳态流动和强磁场驱动的太阳活动区演化为重点，本项目主要开展了以下工作：.基于数据驱动的三维模式，以SDO/HMI时序矢量磁图为输入，自洽模拟了太阳活动区连续的磁通量浮现触发耀斑爆发的全过程，太阳爆发前和爆发过程中磁场结构的演化，比较研究了太阳活动区在不同的数据驱动边界条件的演化特征；.基于路径守恒思想建立了数据驱动的三维POS-MHD太阳风模式，首次引入旋转混合格式，妥善解决了激波与剪切波等物理特性差异与磁场散度消去难题；根据计算区域物理量的局地特征实时调节HLLEM黎曼解中反耗散项，发展了可稳健处理低等离子体β高马赫数区域又在平滑区保持高精度的全等离子体β太阳风模型；.利用数据驱动的太阳风模型模拟研究了2008年全年的太阳风的演化，结合不同日心经纬度局地观测数据，实现对模拟结果进行多点综合验证评估；以观测为基础，结合经验模型，利用数据驱动的三维MHD太阳风模型，探索提高行星际背景磁场南北向分量预报精度的模拟方法；.利用三维MHD数值模型，模拟研究背景太阳风结构、不同CME扰动参数对其传播特性的影响以及CIR对CME在其传播过程中产生的偏转效应，探索磁云和日球电流片（HCS）之间的磁重联过程。.在本项目和其他项目的联合资助下，冯学尚的专著《Magnetohydrodynamic modeling of the solar corona and heliosphere》于2020年由Springer出版, 这是该领域的首部专著。项目组发表论科学论文71篇，其中SCI论文61篇。