太阳F_(10.7)指数准27天振荡的小波分析

利用1956—2003年的F10．7日均值数据,采用Morlet小波变换方法,分析了准27天振荡的特征及与太阳活动11年周期(Schwabe周期)的关系．结果表明, F10．7的准27天振荡的幅度和周期存在明显的短期变化现象,不同年里变化的程度差别很大,有些年里起伏非常剧烈,在几天到几十天的很短时间里,幅度变化达十几倍,周期可变化数天,甚至发生十几天的突变;有些年里,幅度变化很大但起伏很小,周期也比较稳定．准27天振荡的年平均幅度存在明显的逐年变化,与太阳活动显著相关．一般说来,F10．7越高,准27天振荡的幅度就越大,然而在太阳活动19周峰年, F10．7比其他活动周的值都高,但准27天振荡的幅度却比其他活动周低．准27天振荡的周期也有明显的逐年变化,除了个别年(如1987年),年平均周期在24至31天之间变化,与太阳活动周期没有明显的关系．48年的平均周期为27．3天．从总体看,周期有逐渐缩短的趋势,48年里周期大约减少了1．5天．造成准27天振荡起伏的因素非常复杂,有待深入研究．

基于活动区面积统计的F10.7指数预报方法

太阳10.7cm射电流量(F10.7)是反映太阳整体活动的重要指标,其主要源头是日面活动区.F10.7指数与日面活动区具有显著的相关性,且不同面积的活动区与F10.7并不遵循相同的线性关系.为进一步提高F10.7预报的准确性,利用日面活动区面积与F10.7的相关性,依据面积大小分类,提出F10.7的预报公式并进行验证.采用2008-2018年SWPC(Space Weather Prediction Center)公布的活动区面积数据和CSWFC(Canadan Space Weather Forecast Center)公布的F10.7实测数据计算预报公式系数,利用高年(2003年)和低年(1997年)的F10.7预报验证其结果.研究结果表明,预报结果与实测值的相关系数分别为0.9318和0.9295,二者皆优于SWPC同时期的预报结果(相关系数分别为0.9186和0.8771).本研究首次基于活动区的变化预测了F10.7,提高了F10.7预测的准确性.

LSTM神经网络在太阳F10.7射电流量中期预报中的应用

F10.7指数作为大气密度经验模型的重要输入参量,其预报精度直接影响航天器轨道预报精度.研究发现,太阳活动表现出长时间尺度上平均11年和中短时间尺度平均27天的周期性变化特征.依据这一观测事实,基于长短期记忆单元(Long Short-term Memory,LSTM)递归神经网络方法进行F10.7指数未来27天的中期预报.利用一个连续长时段F10.7数据作为训练数据,构建LSTM神经网络训练和预测模型,分别预测太阳活动高低年未来27天的F10.7指数.结果表明,太阳活动高年的第27天F10.7指数预报平均相对误差最优可达10%以内,低年最优可达2%以内.

电离层f_0F_2参数提前24小时预测

利用中国9个垂测站(海口、广州、重庆、拉萨、兰州、北京、乌鲁木齐、长春、满洲里)一个太阳周(1976—1986年)的数据资料,采用三层前向反馈神经网络(BP网络)实现了电离层F_2层临界频率(f_0F_2)参数提前24h预测。通过对f_0F_2参数的时间序列及其与日地活动之间进行相关分析,确定f(t) (当前时刻f_0F_2)、经过变换的F_(10.7)指数等5个参数作为神经网络的输入参数,并通过同时段训练法获得不同时刻的预测值,本文与自相关分析法进行了预测性能比较。结果表明,上述方法构建的神经网络可以达到较高的预测精度。针对暴时数据,对神经网络算法进行了改进,提高了神经网络法对暴时数据的适用性。

电离层N_mF_2的准27天变化

利用1969—1980年期间东亚和澳大利亚扇区不同地磁纬度11个台站的电离层垂直探测数据,采用带通滤波的方法,分析了白天N_mF_2的准27天变化特征及其与太阳活动指数F_(10.7)的相关关系。结果表明,在大多数年里,太阳活动指数F_(10.7)和N_mF_2的短周期(2～70天)频谱中,27天周期附近都出现明显的极大值;在27天波段,F_(10.7)和N_mF_2的标准偏差有逐年变化特征,F_(10.7)的平均标准偏差为10.9%,N_mF_2的标准偏差随地磁纬度变化,赤道地区最小,纬度越高标准偏差越大,11个站的平均标准偏差为8.2%;在27天波段,N_mF_2与F_(10.7)存在显著的相关,在0.05的显著水平下,显著相关的概率在90%以上;N_mF_2相对于F_(10.7)的准27天变化平均滞后2天左右;从总体上看,太阳EUV辐射的准27天变化是造成N_mF_2准27天变化的主要原因。

基于深度学习的太阳10.7 cm射电流量日值的中期预报

针对太阳10.7cm射电流量中期日值预报问题,采用深度学习方法,建立了一个典型的基于多层感知器模型的神经网络。该网络采用1个包含90个神经元的隐含层,实现了一种非参数的时间序列自回归模型。预报中不仅考虑历史日值,还考虑了历史预报误差。模型根据前27d的历史数据实现了未来27d的日值预报。通过对50多年数据的训练和试验分析,该方法在短期和中期预报上较传统方法的相对误差明显降低。特别是模型经一次训练后,参数可以完全固定,不同于以往研究参数需要每天滚动更新,大大简化了日常预报,同时极为有利于模型在其他相关应用中的推广。

海口中层大气温度变化特性的Rayleigh激光雷达观测研究

中层大气温度变化的探测与研究是当前气候变化研究课题的一个组成部分,本文基于海南激光雷达2010—2020年间的长期观测,通过对中层大气Rayleigh散射信号的反演,探讨了海口(19.9°N,110.3°E)上空中层大气(32~64 km)温度变化特性.研究结果显示,中层大气温度呈周期性变化趋势,年、半年、季节变化幅度最大值分别为6.0、3.8、1.7 K,平流层顶位于42~51 km高度,日平均温度最高为~262 K.平流层温度主要表现为年变化趋势,半年和季节变化不明显;平流层顶和低中间层温度变化趋势具有年和半年变化特征,季节变化不明显.在太阳活动性发生明显变化的周期里,平流层顶温度的年际变化趋势对辐射通量F10.7指数变化有较明显的响应;而在太阳活动平静的年份里,温度变化趋势与太阳辐射通量变化的相关性不明显.

三频段太阳射电望远镜与空间天气

基于地基望远镜对太阳射电辐射流量进行长期监测是空间天气预报的一种重要手段,用来预报太阳活动引发的地球上的各种扰动。明安图和塔什库尔干两台新的三频段(10.7 cm,6.6 cm和3.3 cm)太阳射电望远镜将服务于我国的空间天气监测和预报,介绍了系统的结构和设计特性、双噪声源定标方法。系统稳定性优于1%(10 h),灵敏度优于1 sfu。展示了明安图太阳射电望远镜2017年试观测的初步结果。

基于小波分析的太阳活动周期性研究

为了研究太阳活动的周期性变化规律,采用戈达宇宙航空中心提供的太阳黑子数、F10.7射电流量与太阳风速度数据分析了1700—2015年间太阳活动的变化。发现太阳活动存在4个显著性变化周期:27d、4年、11年和111年,另外还有0.5年、1年、55年的局部显著周期。对太阳黑子数与F10.7射电流量和太阳风速度进行交叉小波分析,结果显示这3个参数在0.062 5—0.125年的尺度上有显著共振性。

太阳活动对电离层TEC变化影响分析

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000-2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_(10.7)指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000-2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.

极区中层冬季回波在224MHz的统计特性分析

基于224 MHz欧洲非相干散射甚高频雷达(European incoherent scatter very high frequency radar,EISCAT VHF radar)在2003—2014年间所观测的极区中层冬季回波(polar mesosphere winter echoes,PMWE)数据,分别从出现率、持续时间、高度分布、日变化、季节变化方面分析讨论了PMWE的平均时空特征,并对国际上PMWE与太阳和地磁活动的相关关系理论中存在的一些问题进行了讨论.结果表明:PMWE出现的几率非常低且持续时间普遍较短,其平均出现率为3.26%,每次出现的平均持续时间为67 min;高度分布范围主要在62~70 km,且在66~67 km高度范围内出现率最高;PMWE大多出现在白天,极少出现在夜晚,且11月份的出现率较高,12月份的出现率非常低.本文的研究为解释PMWE形成的物理机制提供了有价值的参考.