地磁亚暴指数变化机制研究及预报建模

Substorm is a brief disturbance in the Earth's magnetosphere that causes energy to be released from the tail of the magnetosphere and injected into the high latitude ionosphere. The mechanism study and forecasting of geomagnetic substorm indices is a very important part of the space weather. This project is proposed to develop an operational forecasting model of geomagnetic substorm indices, using a combination of about 20 years data including upstream solar wind parameters at the L1 point, solar radiation index F10.7, geomagnetic substorm indices AU/AL/AE, and geomagnetic field observations by more than 160 geomagnetic stations worldwide, on the basis of the preliminary forecasting model of AU/AL/AE developed earlier. The main studies include: (1) the characteristics and differences of the suppressions of the AU, AL, and AE indices during major geomagnetic disturbances; （2）the effect of solar radiation on geomagnetic substorms; (3) the effect of solar wind dynamic pressure on substorms; (4) the short timescale modulation of substorms by interplanetary magnetic field; (5) the time delay of the substorms to the upstream solar wind parameters; (6) the development of the operational geomagnetic substorm indices forecasting model based on the above research results.

地磁亚暴是磁层中一种最基本的能量传输和释放过程，地磁亚暴指数变化机制研究及预报是空间天气学中的重要组成部分。本课题将在前期建立的地磁亚暴指数初级预报模式基础上，根据近20年的地球上游L1点太阳风观测数据、太阳辐射指数F10.7、地磁亚暴指数（AU、AL、AE）和全球160多个地磁台的地磁场观测数据，深入分析地磁亚暴的时空发展过程及其受太阳辐射、太阳风、行星际磁场、地球自转/公转等因素的影响，建立业务化的地磁亚暴指数预报模式。本课题将在以下几个方面进行研究：（1）强地磁扰动期间，地磁亚暴指数发生抑制的特征分析和物理机制研究；（2）太阳辐射强度对地磁亚暴指数变化的影响；（3）太阳风动压对地磁亚暴指数变化的影响；（4）行星际磁场对地磁亚暴的短时间尺度调制；（5）亚暴对太阳风参数的响应延迟分析；（6）根据上述研究结果，建立业务化的地磁亚暴指数预报模式，提高地磁亚暴指数的预报精度和准确性。

受太阳日冕物质抛射、冕洞等影响，地球磁场会产生剧烈扰动，发生地磁亚暴、地磁暴，进而引起地球空间磁层高能粒子、电离层以及中高层大气的剧烈扰动，对我们赖以生存的电力、通讯、卫星等系统可带来显著的影响，造成严重的经济损失和社会影响。因此，地磁扰动的预报是空间天气预报和服务的重要问题，也是基础问题。在以前的研究中，人们对地磁扰动的基本特性有了基本的认识，但地磁指数的定量化现报、预报水平不足，缺乏业务化的地磁指数预报模式。本项目受资助以来，首先建立了太阳——行星际——地磁扰动数据库，在此基础上分析了太阳辐射、太阳爆发、冕洞、行星际太阳风、地球自转/共转等因素对地磁影响特性的基础上，建立了多种业务化的、具有不同时间提前量的地磁指数预报模式，并在我国载人航天、探月工程、空间科学卫星等航天任务的空间环境保障中得到了应用。取得的主要成果包括：（1）建立了可用于地磁扰动预报建模的太阳——行星际——地磁扰动数据库，以及强磁暴期间日地环境事件列表，研究了太阳风——地磁扰动响应延迟时间和最佳指示器、地磁扰动期间地磁指数的变化特征；（2）在分析磁暴期间AU/AL/AE指数发生抑制的基本特征、太阳辐射强度对地磁指数变化的影响、太阳风动压对地磁指数变化的影响、行星际磁场对地磁扰动的短时间尺度调制、地磁扰动太阳风响应延迟的基础上，构建了以日地L1点太阳风参数为输入的地磁AU/AL/AE和SMU/SML/SME指数预报模式，并进行了业务转化和应用；（3）基于地磁扰动在全球不同位置的响应特征，建立了基于我国自主地磁场监测数据的地磁指数现报模式，并进行了业务转化和应用；（4）基于地磁扰动对太阳风的响应特征，建立了基于行星际太阳风参数的地磁Kp指数预报模式，并进行了业务转化和应用；（5）通过分析太阳日冕物质抛射、冕洞等的特征参数、传播规律和地磁效应，建立了基于太阳观测的地磁扰动预报模式，将地磁扰动的模式预报时间提前量提升到3天以上，并进行了模式的业务转化和应用。项目执行期间，共发表论文6篇，其中SCI论文5篇，项目负责人受邀在国际会议上做邀请报告两次。项目执行过程中，培养毕业硕士研究生3名，在读博士生1名，在读硕士生1名。