我國行星際擾動傳播研究取得系列進展

數值模型網格系統和太陽風暴事件擾動傳播示意圖

　　太陽風暴從爆發到最終影響地球，需要三四天時間。按照過去的模擬計算模型和計算機運算速度，在人們計算出太陽風暴對地球影響的結果前，太陽風可能早已到達地球了。

　　如何提前幾小時或幾天，快捷有效地預報空間天氣，不僅是空間天氣研究的重要課題，也是現代科技發展對空間天氣預報的重大需求。

　　新模型為預報提速

　　“建立模型的目的，是希望將來能像地球天氣預報一樣，對空間天氣進行精準預報。”中科院空間中心研究員馮學尚對本報記者說，“國際空間天氣預報有幾種模型，但在涉及南北極時面臨無法表示、不能解決奇性與收斂性問題的窘境。”

　　馮學尚解釋說，日地空間是個巨大的系統。人們常用球坐標系來描述太陽風暴在其中傳播過程，但是在球坐標系中，極區會遇到分母為0的情況，這時就無法進行數值表達與計算。 “這只是空間的幾何表達問題，實際物理空間中并沒有這樣的問題。”馮學尚說：“這是建立太陽風等諸多數值模型都無法回避的問題。”

　　馮學尚等人建立了觀測數據驅動的太陽風三維數值新模型。該新模型在適合太陽風暴傳播的日地空間球殼計算區域上建立了并行自適應模式，將計算區域分為六片對等的區域，首次實現了經度緯度方向并行和多面體網格下的自適應,很好地克服網格在兩極的奇性與收斂性問題。

　　在此基礎上，我國科學家提出兩種太陽風暴到達地球軌道時間的預報模型：激波傳播模型和數據庫模型。預報試驗表明，這些模型對太陽風暴的預報精度相當或優于目前流行的其他模型(如美國空間天氣預報中心目前所用的幾個模型)。

　　“我們將計算區域分成多片后，計算速度大大提高，計算時間比原來縮短了一半。”馮學尚說，“太陽風暴從暴發到抵達地球，一般要3天到3天半時間，如果某一模型的計算時間用4天，那就失去了意義。我們現在計算太陽風暴從太陽傳播到地球空間，只需20多個小時。我們正在發展一種在10小時內就能完成的更快捷、有效的數值方法。”

　　“國際同行認為，馮等人發展的模型是當前國際上最先進的三類數值模型之一。他們的工作已引起國際同行的密切關注，多次應邀在國際會議上作邀請報告，并開展多國間的合作研究。”中科院院士魏奉思對本報記者說。

　　搞清基本物理問題

　　“三維數值預報是對整個日地空間的預報，它需要搞清很多空間物理基本科學問題。”馮學尚說。

　　近年來，我國在以磁云為代表的行星際擾動傳播研究方面，無論是數值模擬、動力學相互作用過程還是磁重聯、多重磁云研究都站在國際前沿，取得了有一定影響的重要進展。

　　磁重聯是行星際空間普遍存在的一種重要的動力學過程，我國學者在此基礎上提出磁云邊界層新概念、新定義和新機理。數值模擬結果發現，磁云的前后邊界層可通過磁重聯機制形成。我國學者首次發現磁云邊界層是行星際空間除激波間斷面之外的另一種新的非壓力平衡結構。當磁云邊界層掃過地球，有時也會產生重要的地磁、電離層空間天氣響應變化。

　　在分析近百個行星際磁云邊界層的衛星資料后，研究者首次在磁云邊界層附近嚴格認證了一例典型的慢激波事件以及一例行星際雙間斷事件。這是自1957年衛星上天至今的50多年里，非常罕有的慢激波觀測報導。

　　國際同行在評價該研究時認為，這是“對空間物理的一個很重要貢獻”。中國學者“試圖探討行星際物理中一個困難的、長期的問題……”

　　“多重磁云是產生強地磁暴的一種重要的行星際起因。”中國科學技術大學教授汪毓明對本報記者說，“多重磁云是多個CME相互追趕在行星際空間中形成的一種較特殊的復合拋射結構。多重磁云由于相互作用，增強了磁云內部磁場強度、密度等關鍵的物理量，使得其地球效應更加顯著。”

　　研究者利用數值模擬了多重磁云在行星際空間的形成和演化過程，研究了具有不同拋射速度的磁云在行星際空間中的傳播過程。相關研究也得到國際同行高度評價，并獲2008年中國地球物理學會傅承義青年科技獎。

　　在行星際擾動傳播研究領域，我國學者在自然現象、特性和規律方面找到具有重要原創意義的5個發現點;在研究方法方面提出和發展了8項新方法。該領域的研究被數十個國家的研究者進行了廣泛引用和評論。部分成果已獲得國家自然科學獎、何梁何利獎和趙九章獎等。

　　從數值模擬到數值預報

　　“衛星觀測只能看到某一點或某幾點上的情況，而多重磁云、激波—磁云相互作用體等行星際復合拋射結構是大尺度結構，因此我們需要數值模擬方法來還原它們的形成、傳播、演化過程，及其對地效應。”汪毓明說，“另一方面，在太陽較活躍的年份，行星際空間充斥著這類復合拋射結構。對其進行數值模擬研究，對于提高空間天氣預報水平有重要意義。”

　　“飛船不可能到空間中所有地方，但數值模擬可以做到。利用天基和地基的觀測輸入和對物理的過程認識，太陽風暴的日冕行星際過程的三維數值研究已經成為災害性空間天氣數值預報的重要手段，我們在近幾年已取得了很大的發展。”馮學尚說。

　　隨著日地空間探測發展和人們對日地空間天氣基本物理過程了解的不斷深入，將更多觀測和對新物理過程的認識融入數值預報模型，建立由觀測約束驅動的、快捷高效穩定的、高時空分辨率的日地空間天氣全球耦合數值預報模型，是發展未來空間天氣數值預報模型研究的努力方向。

　　“數值預報空間天氣已經起步，不久的將來就會像地球天氣預報一樣，走到數值預報的階段，滿足人類對空間天氣預報的需求。”馮學尚說，“目前我們還欠缺關鍵區域的觀測數據和對物理過程的全面了解。我們期盼在不久的將來，發展先進的數值模擬方法，向人們展示日地空間乃至太陽系空間天氣變化的精美畫面。”