应用机器学习方法的太阳质子事件短期预报模型

本文选取三个描述太阳活动区磁场复杂性和非势性的特征物理量纵向磁场最大水平梯度｜△↓-hBz｜m,强梯度中性线长度L,孤立奇点数目η.对这三个参量统计计算后结果作为预报因子,应用支持向量机作为预报方法建立一个基于磁场特征物理量的太阳质子事件短期预报模型,该模型可以预报活动区未来24小时是否爆发太阳质子事件.2002和2003年连续两年的样本检测并和基于传统预报因子的模型进行了比对,结果显示预报模型具有较高的准确率和较低的虚报率,从而验证了太阳光球磁场参量作为太阳质子事件预报因子的有效性.     

人工神经网络方法在短期天气预报中的应用

将人工神经网络方法试用于南京夏季短期降水分级预报，根据南京夏季梅雨期的天气特点，用统计和动力学方法从HLAFS（高分辨率有限区域预报系统）预报产品中寻找预报因子，然后用2种方法选取输入因子分别对人工神经网络进行训练，并利用抽取的5天雨量实况作降水分级预报检验．通过对人工神经网络方法预报降水的结果与HLAFS降水预报以及逐步回归预报的结果对比发现：与HLAFS数值模式的降水预报相比，人工神经网络降水预报方法的准确率提高了20％以上，而且漏报、错报明显减少；特别是与逐步回归预报相比，大到暴雨的预报准确率得到了明显提高，这一研究表明人工神经网络方法在短期天气预报中也会有较大的应用价值．     

风云二号卫星空间环境监测器

风云二号卫星空间环境监测器由空间高能粒子探测器和太阳X射线探测器两台单机组成, 运行在地球同步轨道高度, 能够提供实时的太阳耀斑监测和质子事件监测. 风云二号空间环境监测器是国内第一套天基太阳质子事件监测警报系统, 在23周太阳活动峰年期间基本监测到所有的质子事件, 并通过分析实时监测的耀斑X射线辐射特征, 多次成功地开展了太阳质子事件警报服务. 风云二号空间环境监测器也是国内第一次进行地球同步高度的空间环境探测, 发现地球同步高度粒子变化的一些基本特征, 包括粒子通量的昼夜周期变化; 在太阳和地磁宁静时, 能量大于1.4 MeV电子通量在10~2×10²/cm²×s×sr之间变化, 能量大于1 MeV的质子通量在6×10²~8×10³/cm²×s×sr之间变化.     

基于支持向量机和k近邻的太阳质子事件预报模型

应用支持向量机和k近邻相结合的方法,建立了太阳质子事件预报模型。预报因子包括黑子面积、磁分型、McIntosh分型、太阳射电流量、活动区位置和软X射线流量。太阳质子事件模型包括两个子模型：质子有无模型和质子峰值流量模型。质子有无模型能对未来24小时是否发生质子事件给出预报,质子峰值流量模型对已发生的质子事件预报峰值流量等级。用2002年和2004年的数据进行了模拟预报,结果显示模型具有较高的报准率,同时显示出活动区位置和软x射线通量是比较敏感的预报因子。     

基于统计学习技术的太阳质子事件预报模型

结合太阳耀斑与日冕物质抛射参量作为预报因子建立太阳质子事件预报模型。描述太阳耀斑的三个特征参量包括耀斑峰值流量、持续时间和耀斑维度;太阳质子事件的三个特征参量分别为CME宽度、CME速度和测量位置角度。首先使用信息增益率评价各参量对质子事件发生的重要度,结果表明相比于耀斑峰值流量和持续时间,CME宽度和速度对质子事件发生具有更高的重要性。基于上述参量,应用线性Logistic回归方法建立质子事件预报模型。对模型进行检测并与只选用耀斑参量的预报模型的预报结果进行比较,结果显示采用耀斑结合CME参量的预报模型具有较高的预报准确率和较低的虚报率,尤其对于质子事件发生的报准率提高较多(67.5%上升到90%)。实验结果验证CME参量作为预报因子的有效性。     

基于BP神经网络的太阳质子事件预报模型

为了提高太阳质子事件的预报精度,采用反向传播神经网络(BackPropagation,BP)建立太阳质子事件预报模型。预报模型是三层网络结构,输入层有6个神经元组成,分别对应预报因子的特征值;隐层设置3个神经元;输出层的一个单元对应于活动区是否爆发质子事件。模型选择描述活动区特征的参量作为预报因子。数据实验采用2002年的数据进行模拟预报,结果显示预报模型具有较高的报准率。     

2003年10月与11月两次主要日冕物质抛射事件的空间天气效应比较

研究了分别发生在2003年10月28日和2003年11月18日的两次相似的强烈日冕物质抛射(CME)事件.通过比较这两次CME事件以及它们的行星际响应,分析了其伴随的两种主要空间天气效应:太阳高能粒子事件和地磁暴.这两次CME事件均伴随有一个强耀斑和一次暗条爆发,并且之前都有一个较弱的CME从同一源区产生.第一个CME事件引起了一次极大的太阳高能粒子事件,而第二个则没有引起明显的太阳高能粒子事件.这两次CME事件均引起了大的地磁暴,且第二个CME所引起的地磁暴比第一个CME所引起的地磁暴更强.通过比较分析这两次CME事件,以及与之相关的活动现象和对应的行星际磁云(MC),讨论了这两次CME引起不同空间天气效应的原因:形成不同强度的太阳高能粒子事件在于CME爆发过程中的能量释放率在这两次事件中显著不同,而地磁暴强度的差异则是由行星际MC轴的方向以及MC经过地球时的相对位置不同造成的.     

人工神经网络方法在短期天气预报中的应用

将人工神经网络方法试用于南京夏季短期降水分级预报,根据南京夏季梅雨期的天气特点,用统计和动力学方法从HLAFS(高分辨率有限区域预报系统)预报产品中寻找预报因子,然后用2种方法选取输入因子分别对人工神经网络进行训练,并利用抽取的5天雨量实况作降水分级预报检验.通过对人工神经网络方法预报降水的结果与HLAFS降水预报以及逐步回归预报的结果对比发现:与HLAFS数值模式的降水预报相比,人工神经网络降水预报方法的准确率提高了20%以上,而且漏报、错报明显减少;特别是与逐步回归预报相比,大到暴雨的预报准确率得到了明显提高,这一研究表明人工神经网络方法在短期天气预报中也会有较大的应用价值.     

质子辐照过程的统计分布研究

为了研究一定能量的质子在材料内穿行深度的变化,进而探讨对材料性能的影响,基于质子穿行过程中碰撞的随机性,建立了质子穿行过程的非平衡统计理 论模型。分别计算出了高能和低能质子穿行长大速率函数和穿行深度概率密度函数。并以Kapton薄膜为例,发现高能质子的最概然穿行深度与之对应的最大概率密度的乘积为一个定值;随着低能质子能量的增加,其乘积呈阶梯状递减到一定值;高能和低能的分界线大约在105 eV数量级处。      

区域降水预报的实际可预报性的发展背景及浅显建议

多年来，我国气象工作者一直在试图改进降水预报的预报效果，但多侧重于研究影响降水的直接天气系统的活动规律。很少有人上升到实际可预报性的角度，作为气象工作者应该从各角度研究降水预报的规律，而用区域地区降水实际可预报性可以开展更多的科研项目。     

异常分析在长江中下游暴雨分析和预报中的应用

极端天气事件极易造成严重的气象灾害,对人类的生命财产和国民经济建设及国防建设等造成严重损害。使用欧洲中心(ECMWF)的ERA5再分析资料,选择对极端天气有分析和预报有效的原始异常度(RA)和标准化异常度(NA)对南通地区2016年7月11日极端强降水过程进行分析和预报。研究表明,相比于常用的原值场,RA和NA等异常场对分析和预报该次强降水过程更有优势。日常业务中常用的原值场,很难明显给出对极端降水有较好指示意义的预报指标,相比之下,RA和NA这种异常场,可以给出更为有效的极端降水预报指标。这表明,极端降水事件与气象要素的异常部分直接相关。极端降水的落区与位势高度RA和NA的负异常中心接近,湿度的RA和NA正异常出现的时段和位置也与降水出现的时段和位置有较好的相关性,降水强度与湿度和位势高度的RA和NA的异常强度也有一定关系。综合分析不同高度和位置位势高度和湿度的RA和NA,对分析和预报潜在极端天气的落区、强度和出现时段有重要帮助。使用ECMWF的模式预报资料,通过分析不同时效对该次过程的降水和850 hPa位势高度的预报结果,相比于对降水本身的预报,模式对850 hPa位势高度NA场的预报更为稳健,更有利于预报员该次极端降水事件的把握。     

美韩研发新系统预警太阳风暴潜在危险

一个国际科研团队日前研发出一种新型太阳风暴预警系统，该系统能分析太阳风暴中飞向地球的高能、高速带电粒子流强度，并根据其中的质子能量提前166分钟发出预警。     

太阳、地球和天气

正太阳直接为地球提供光、热资源,因此,全球尺度的天气主要受太阳的影响。太阳是一个巨大炽热的气球体,主要成分是氢和氦,表面温度约为6000K,并源源不断地以电磁波的形式向四周辐射能量。地球是太阳系中的一颗行星,地球的起源、演化以及所有的自然现象——天气变幻、洋流运动、水文循环和生物活动等,主要都受太阳的热动力驱动。天气是短时间大气中发生的自然     

天体对偶矩阵周期序列制作长期强天气过程的预报方法

依据现代电子力学的对偶性理论,应用天体半年运行周期对应的原理,把天体运行（指在太阳系范畴）设想为一种对偶性矩阵周期序列,导出了一个地球在太阳,月亮,行星对偶性引力控制下的3个天体对偶矩阵周期组合表达式,运用这一表达式计算出来的级数序列模式指标制作春,夏,秋,冬强天气过程的预报方法。从1959－1987年的历史统计强天气过程预报准确率为18／20;中等强度天气过程为43／43。从1987－1998年利用该方法预报比利用其他预报制作同类天气过程,预报准确率提高了15％－20％。     

超短超强激光与等离子体相互作用中质子发射一些研究进展

超短超强激光与等离子体相互作用中得到的高能质子在质子成像、粒子加速、诊断超短超强激光与等离子体相互作用的物理过程、“快点火”和治疗癌症等方面有一定的应用。使得对超短超强激光与等离子体相互作用得到的高能质子的研究成为目前的研究热点。文章综述了产生质子的两种主要加速机制以及在不同实验条件下超短超强激光与等离子体相互作用过程中得到质子的能量、角分布、产额以及相关的原理。     

WRF模式微物理方案对强降水预报的影响

本文利用新一代中尺度非静力模式WRF(V2.1.2版本),采用单向两重嵌套方案,粗细网格距分别为12km、4km,对我国江淮流域2003年7月4日～5日一次典型强降水天气过程进行微物理方案的敏感性试验。从降水落区、降水中心位置和强度方面对总降水预报性能进行了对比,同时结合卫星资料、地面自动站雨量等非常规观测资料,对比分析了模拟的滁州地区降水随时间的变化及1小时降水率的空间分布,研究不同分辨率下模式微物理方案对强降水预报的影响。所得的结论对于我国夏季强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有一定的参考价值。     

观测资料同化与有限区模式初期降水预报

选取1991年7月3日至4日出现在我国江淮流域的梅雨暴雨天气过程,针对有限区模式降水预报中“旋转加强”问题,试验2种初值化方法即牛顿连续松弛逼近技术和降水-湿度场调整方案来改进模式的初期降水预报。试验结果表明：(1) 用湿度场调整方案同化观测降水资料,使同化时段降水区的中低层低压系统明显加强,所形成的初值具有较好的中尺度信息;但该方案会出现观测值与模式不协调引起的虚假小扰动。(2) 用牛顿连续松弛逼近技术同化业务观测系统的速度场和温度场资料,所形成的初值场形成了大尺度特征,同时对应江淮雨带的中低层低压系统加强,所形成的初值能够具有一定的中尺度信息。(3) 因此两者结合得到了最好的预报效果。对于梅雨天气过程,牛顿连续松弛逼近技术更有效。     

一次大规模降水天气过程中T639模式和常规业务模式的预报效果对比检验

利用T639模式对2009.6.29一次大规模降水天气过程的预报结果,与常规业务模式EC和日本模式进行对比检验,给出了对500hpa东北冷涡、高原槽、海平面气压、850hpa温度以及降水预报方面的对比结果,这对进一步促进T639在实际业务中的应用具有一定的现实意义。     

ECMWF极端降水指数对2016年夏季华东地区极端降水预报的检验

选取2016年6-8月华东地区降水资料,在分析检验欧洲中期天气预报中心(ECMWF)极端天气指数(EFI)与ECMWF降水预报效果的基础上,提出采用EFI的极端降水指数来改进ECMWF高分辨率模式降水预报的方法.结果表明,华东地区6-8月极端降水主要发生在华东沿海和华东中西部地区,在6月份开始增大, 6月底达到最大,后又减小,但最大值略有不同,在7月底至8月初达到一个更高的峰值,随后缓慢下降. EFI极端降水指数对2016年6-8月华东地区的历史极端降水95%和99%分位值有一定的预报能力,但对历史极端降水最大值的预报能力相对较差.随着预报时效的增长,预报效果也随之降低. EFI极端降水指数对极端降水预报的ETS评分整体高于ECMWF高分辨率模式降水,并对极端降水最大值也有一定的预报能力.用EFI极端降水指数改进的ECMWF高分辨率模式降水,对华东地区95%和99%分位值极端降水的预报准确率均有不同程度的提高.     

极轨卫星在780km高度上测得的高能粒子辐射事件

对搭载于我国第一颗地球资源卫星上的“星内高能粒子探测器”首批资料进行初步分析表明，在卫星780km轨道高度上所纪录到的所有高能粒子通量事件都只出现在3个地理区域，即两半球的高纬极光带和南大西洋地磁异常区。低能档电子在这3个区域都有出现，而高能档电子和质子在太阳宁静条件下，一般只出现在南大西洋异常区。从统计结果还可看出，南极光带附近的粒子通量大于北半球极光带。而在北极光带，与南大西洋异常区大体相同的经度附近，高能粒子的通量事件有一个明显的空隙区域。另一个观测事实是，0．5—2．0MeV能档的电子通量在极光区远大于2．0MeV以上能档的电子通量，而在南大西洋地磁异常区，两个通道的电子通量差别不大。与现有理论模型和国外大致相同轨道上的空间高能辐射环境直接观测资料对比还表明，卫星舱内的辐射与舱外的空间辐射环境是完全相关的。积累的有关资料不但是航天设计和环境应用研究所需的重要参量之一。也是空间物理基础研究特别是辐射带研究的重要数据。