质子辐射带长周期变化统计建模研究

The proton radiation belt, capturing a large number of energetic protons at energies from 0.1MeV up to several hundred MeV, is an important region in the Earth’s Magnetosphere. It is a hazardous environment that poses a risk to spacecraft and astronauts. In this project, the data from NOAA satellites from 1978 to present will be used to analyze the long-term characteristics of energetic protons’ distribution and variations. Combined with the database of AP8 model, and the proton radiation belt’s physical mechanism of source and dissipation, the model function will be created to describe the spectral energy and whole spatial distributions for energetic protons, and the proton radiation belt empirical model will be developed by the Levenberg-Marquardt method for nonlinear multi-parameter fitting to describe the long-term variation through the model function and the database of fitting coefficients’ values. In addition, the model will be evaluated for predicting the distribution of proton radiation belt in the next 1-2 years.

质子辐射带是地球磁层中一个重要区域，捕获着大量的0.1MeV到几百MeV高能质子，严重威胁着运行于其中的航天器和航天员的安全。本项目将利用1978年至今NOAA系列卫星高能质子观测数据，研究辐射带高能质子长周期分布及变化特性，结合AP8模式数据库、质子辐射带源和耗散的物理机制，发展可描述能谱的辐射带高能质子全空间分布的模式方程，并利用Levenberg-Marquardt非线性多参数最佳拟合方法，建立起模式方程系数库+模式方程形式的质子辐射带长周期变化统计模式，并评估模式对未来1-2年内辐射带高能质子分布的预报能力。

基于1978年-2014年NOAA POES和EUMETSAT MetOp系列卫星高能质子全向积分通量观测数据，开展了低高度质子辐射带观测数据质量分析、质子辐射带分布特性、质子辐射带变化特性以及质子辐射带统计建模等研究，得到：（a）高能质子观测数据存在标定不一致、数据分叉、数据波动、坏数据等问题，给出了产生这些问题的可能原因；（b）提出了函数拟合标较方法，实现了不同卫星>16MeV质子观测数据统一标较到NOAA15卫星观测标准，建立了质子辐射带数据库；（c）在1978年-2014年期间，>16MeV质子全向积分通量最大值主要出现在1987年，最小值主要出现在2002年，其年均值比值大小与Lm、B/B0有关，最大比值可超过20；（d）1987年（2002年）>16MeV质子全向积分通量实测数据与AP8 MIN（AP8 MAX）模式预测结果之比主要分布在0.5-3（0.1-2），比值大小与Lm、B/B0有关；（e）低高度质子辐射带太阳活动周变化滞后时间大约在2.5年以内，在磁赤道面上，滞后时间随着Lm增加而增大，在一根磁力线上，滞后时间睡着B/B0增大而减小，高能质子能量越大，滞后时间越长；（f）>16MeV质子全向积分通量对数值与太阳黑子数、F10.7流量呈较好的指数关系，与宇宙线通量大致呈线性关系；（h）基于辐射带高能质子分布特征，发展了单能道全空间质子辐射带模式方程；（i）构建了>16MeV、>35MeV、>70MeV、>140MeV质子全向积分通量月均平滑值网格化数据库；（j）基于>16MeV质子网格化数据库及AP8模式数据库，构建了模式方程系数库+模式方程形式的质子辐射带长周期变化统计模式；（j）利用1978年-2014年质子辐射带不同时间尺度的变化率分布，实现对未来质子辐射带预测,并进行了误差评估；（k）利用F10.7参数及新模式函数，评估了F10.7参数化建模拟合效果及其预报效果，该新模式函数可用于提升NOAAPRO模式。