缓变型SEP事件与连续爆发的双CME的关系研究

The motivation of this proposal is to reveal the relationship between the observable erruption characteristics of Coronal Mass Ejection (CME) and gradual Solar Energetic Particle events (SEPs) in the framework of the "twin-CME" scenario by conducting a series of comprehensive observational analyses of SEP related phenomena using multi-spacecraft multi-waveband solar source observations, coronagraph images, and in-situ energetic particle data from various spacecraft. In the proposed study, we focus on four groups of events, being "twin-CME" with large SEP, "twin-CME" without large SEP, single-CME with large SEP, single-CME without large SEP. We will examine some key physical parameters in "twin-CME" SEPs and single-CME SEPs, such as magnetic field configurations of source active region, composition, and charge states of the seed population preceding SEPs, 3D structures of CMEs, etc. We will make use of Nonlinear Force Free Field (NLFFF) model analysis, Graduated Cylindrical Shell (GCS) modeling reconstruction technology. We will also use in-situ observations including energetic spectra, aboundence of solar energetic particles. Combining the multi-waveband solar active region obverstions and type II radio bursts, we will attempt to identify the differences between preceding CMEs and preceding flares in process of gradual SEP events generated by main CMEs, and we can establish the relationship between space physical parameters of "twin-CME" and gradual SEPs.We will also use the methods of Velocity Dispersion Analysis (VDA), magnetic field trace technoloy, and particle transport simulation, to obtain the distribution of solar particle release height at the sun and longitudinal span distribution of SEPs. Using above analyses, we can further understand the conditions on source region and interplanetary space for CME generating earthward gradual SEPs. These analyses will also help us to understand why some "twin-CME" fail to generate SEP events. On the basis of completing this proposal, a new thinking of quantitative prediction of disastrous gradual SEP events can be applied to space weather.

本课题拟综合运用太阳活动源区、日冕物质抛射(CME)和太阳高能粒子(SEP)的多种观测数据，研究同一源区连续爆发的"双CME"(twin-CME)与缓变型SEP事件的因果关联机制。通过爆发源区磁场结构分析，CME三维结构分析，及SEP的成份、电荷态、能谱等分析，结合太阳源区多波段观测和射电爆发特征，研究"twin-CME"类SEP事件和"single-CME"类SEP事件的源区磁场结构、种子粒子源及CME三维结构的特点，分析先行CME和先行耀斑对主CME触发缓变型SEP事件的作用特点和差异，建立"双CME"特征参数与缓变型SEP事件之间的关联。利用离散速度分析法(VDA)和磁力线跟踪方法，结合粒子扩散模拟，研究SEP日冕逃逸高度和经向分布规律，分析CME产生对地有效性SEP事件的条件；并分析部分"双CME"不产生SEP事件的可能原因。本课题的完成可为缓变型SEP事件的预报提供一种新思路。

本项目主要基于“twin-CME”模型对连续爆发的多个日冕物质抛射（CME）与缓变型太阳高能粒子（SEP）事件的关系进行了深入的观测研究。前期研究已从统计角度分析表明多CME产生大SEP事件的几率比单个CME更高。本项目主要从种子粒子、粒子释放过程、先行CME和耀斑的作用、粒子的传输过程影响及三维分布、局地通量廓线的特征等方面对缓变型SEP事件与多CME爆发过程等方面展开研究。重要结论如下：1、统计分析大SEP事件的峰值强度与事件积分Fe/O比值的相关性，发现极端SEP事件（>1000pfu）的归一化Fe/O比值全部小于2.0，且全部伴随twin-CME爆发，表明这些事件的种子粒子主要来自日冕。2、确定了识别twin-CME爆发的时间间隔阈值为13±1小时，并进一步确定twin-CME产生SEP事件的几率约为60%，而单CME产生SEP事件的几率只有约20%，这些量化参数可为基于twin-CME模型的SEP事件的空间天气预报建模提供参考。3、对于典型twin-CME爆发产生的SEP事件的局地多卫星联合观测和源区综合分析表明，高能电子和质子在太阳附近的释放时间与两个CME相互作用及射电开始增强的时间基本一致；产生多CME爆发的活动区磁中性线多呈弯曲状。4、通过SEP事件局地粒子通量廓线、粒子起始释放过程、粒子丰度等综合分析表明：在缓变型SEP事件中，耀斑既可以提供激波加速的种子粒子，让SEP呈现类耀斑物质丰度（如高Fe/O比值），而先行CME可以产生增强的扰动让种子粒子长时间保持在低日冕直到主CME激波加速；此外，耀斑也可以直接加速产生高能粒子，并且这一加速过程主要在缓变型SEP事件通量上升阶段起作用，部分事件能观测到明显的二次增强现象。5、缓变型SEP事件中高能质子的起始释放过程主要发生在15个太阳半径以下，且GLE事件中粒子具有更低的起始释放高度。当行星际存在较大磁场结构时（如磁云、激波），质子和电子的传播路径可能存在较大差异，且严重偏移Parker螺旋线。以上研究内容和主要结论对于理解twin-CME爆发过程与缓变型SEP事件之间的因果关联及物理机制有着重要的科学意义，对缓变型SEP事件的观测特征有更深入的了解，有助于我们进一步研究缓变型SEP事件的加速及传输机制，同时对于缓变型SEP事件的空间天气建模有着重要的实际意义。