CN111639301A - 一种地磁Ap指数中期预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地磁Ap指数中期预报方法，包括以下步骤：相关过程形成的Ap指数预报；重叠过程的综合预报；预报结果生成紫外指数生成。本发明通过分析不同太阳活动水平下的地磁Ap指数演化趋势，结合地磁扰动的发生原因，建立Ap指数综合预报方法，并以计算公式的形式确定下来，通过输入近期的太阳活动和Ap指数时间序列，能够实现对未来27天的Ap指数的逐日预报，由于未来1‑3天的Ap指数的预报属于短期预报的业务范畴，可以预报未来第4～27日的Ap指数。

Description

一种地磁Ap指数中期预报方法

技术领域

本发明涉及地磁Ap指数中期预报技术领域，尤其涉及一种地磁Ap指数中期预报方法。

背景技术

地磁Ap是全球的全日地磁扰动强度的指数，称为行星性等效日幅度。它描述一个自然日(世界时)地磁场的扰动幅度，是通过一些典型的高位地磁台站所测量的当地的地磁扰动幅度，经过平均得到的一天(UT)平均值，单位是：纳特(nT)。

地磁场的扰动能够对技术系统和人类生活产生一系列的直接和间接的影响，如长距离输电系统会受到地磁场剧烈变化产生的感生电流的干扰，地磁扰动造成的高层大气的加热可增加卫星阻力，电离层干扰增强等。为了有效应对上述影响，如，国内外有多种模型可对电离层和大气的变化进行计算和评估，如电离层分布模型IRI，高层大气MSISE00等都有着广泛的应用，这些模型在考虑地磁扰动的影响时，都使用了地磁Ap指数进行表征，成为这些模型的关键输入参数，特别是地磁Ap指数预报在卫星轨道预报方面起着至关重要的作用。

地磁场的短期扰动主要决定于空间天气的系统变化。其中，Ap指数背景会随着太阳活动水平的长期变化存在着11年的缓慢演化，本发明中，采用太阳F10.7指数背景作为指标来确定Ap指数背景。冕洞引起的Ap指数的波动具有明显的27日周期性特征，但不同周期Ap指数分布有一定差别，但存在一定的趋势特征。CME引起的Ap指数变化有时非常剧烈，而且由于CME这样的太阳爆发事件的发生具有较强的随机性，因此其预报需要参考太阳活动的预报。

为了有效应对上述影响，国内外有多种模型可对电离层和大气的变化进行计算和评估，如电离层分布模型IRI，高层大气MESIS00等都有着广泛的应用，这些模型在考虑地磁扰动的影响时，都使用了地磁Ap指数进行表征，成为这些模型的关键输入参数，特别是地磁Ap指数预报在卫星轨道预报方面起着至关重要的作用。

地磁Ap指数的中期预报指的是提前27天的逐日预报，需要根据地磁扰动的起因进行预报。

地磁扰动的控制因素复杂，如长周期背景演化、27天冕洞高速流周期性影响、随机性较强的CME引发的磁暴过程等，还有两种因素叠加作用等，对Ap指数的中期预报形成了很大挑战。

首先，地磁Ap指数背景在太阳活动高年指没有冕洞高速流，并且无太阳爆发事件的时段的Ap指数特征，统计显示，太阳活动高年，由于太阳风速度较高，因此，Ap指数的背景也高于太阳活动低年。本工作中，通过对长期的太阳活动与Ap指数背景的相关性分析，建立了统计关系，能够在地磁活动较为平静的时期预报Ap指数预报。

其次，冕洞高速流引发的地磁扰动，引起地磁Ap指数的周期性增加，周期约为27日。一般地，随着冕洞的发育过程，其引起的地磁扰动也存在一个“增长-见顶-下降”的过程，通过前面太阳自转周的相同时段的Ap指数上升幅度的演化趋势，可以预测其下一个太阳自转周的地磁扰动水平。

另外一个能够引起Ap指数波动的源，通常情况下，这种情况发生的地磁扰动不具备周期性，而是与太阳爆发有关，因此这种地磁扰动的预报需要结合太阳中期预报的结果。通过对第23、24太阳活动周高年期间CME引起的地磁扰动的分布，可以发现：

1)在27天太阳自转周中，大多数CME发生在太阳活动指标F10.7连续平均值最高的半周，这是因为，CME倾向于发生在日面上有大活动区的时段；

2)CME发生后，对地球产生影响的，通常会发生在F10.7最大的半太阳自转周的中间，这是因为，能够明显影响地球的CME通常会发生在日面中间部分。因此，可以结F10.7指数的预报对CME引起的地磁Ap指数的增加进行预报。

在地磁Ap指数预报过程中，还需要处理冕洞和CME为源头的Ap指数的增长预报在相同时段发生时的预报的情况，需要通过多个事件的Ap指数变化过程和特征进行统计分析得到，因此急需研发出一种地磁Ap指数中期预报方法，来解决上述技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种地磁Ap指数中期预报方法，通过分析不同太阳活动水平下的地磁Ap指数演化趋势，结合地磁扰动的发生原因，建立Ap指数综合预报方法，并以计算公式的形式确定下来，通过输入近期的太阳活动和Ap指数时间序列，能够实现对未来27天的Ap指数的逐日预报，由于未来1-3天的Ap指数的预报属于短期预报的业务范畴，可以预报未来第4～27日的Ap指数，可以有效解决背景技术中的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种地磁Ap指数中期预报方法，包括以下步骤：

S1：相关过程形成的Ap指数预报；

S2：重叠过程的综合预报；

S3：预报结果生成紫外指数生成。

作为一种优选方案，步骤S1，所述的相关过程形成的Ap指数预报包括背景、冕洞和CME相关的Ap指数预报。

作为一种优选方案，背景Ap指数预报包括：

预报第i日的Ap指数，即Ap_i时，如果Ap_i-27≤8,且Ap_i-54≤8,则有:

如果Ap_i-54≤8，且Ap_i-27确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-54 (2)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (3)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为冕洞影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (4)。

作为一种优选方案，冕洞引发的Ap指数增加包括：

令

如果，Ap_i-27≥9，且Aps_i≥35，则有：

Ap_i＝Ap_i+3＝0.2Aps_i (5)

Ap_i+1＝Ap_i+2＝0.3Aps_i (6)

如果第i-27日～i-24日期间的Ap指数受到CME的影响，则在此期间的4组Ap值应采用该日期的预报值。

作为一种优选方案，CME引发Ap指数增加预报包括：

根据太阳F10.7指数，27天预报结果，结合最近27天的F10.7指数的观测值，令当日的F10.7指数为F10.70，预报值F10.7_i，i＝1,2，...26，观测值F10.7_-i，i＝-1,-2，...-27，为观测时间距当日的天数；

令：

分别计算FAi，i＝0～26，构成新的时间序列；

令D₀日为CME对Ap指数的影响最大，对FA_i序列进行分析，如果只能够得到最小值，读取其序列号i，则D₀＝i-7；如果只能得到最大值，则认为D₀＝i-20；如果0～26日之间，FA_i序列即有极大值，也有极小值，则D₀为两个日期的中间值为CME影响时段；

由于CME的规模和影响目前的预报能力无法达到，因此，通过对第23、24太阳活动周的统计结果，初步给出预报方法如下：

D₀-1日：Ap＝16

D₀日：Ap＝32

D₀+1日：Ap＝19。

作为一种优选方案，冕洞和CME共同引发Ap指数增加预报包括：

如果某日，预报结果既有冕洞引起的地磁扰动值Ap_H和CME引起的Ap值扰动Ap_C，则该日的Ap值预报可写为：

Ap＝Ap_C+Ap_H/2 (9)。

作为一种优选方案，Ap指数中期预报的季节因素包括：

在相同的外部条件下，每年的3、4、9、10月份的Ap指数实测值较其它月份偏高。因此，通过对第23、24太阳活动周Ap指数的分析，3、9月份由于CME和冕洞引起的Ap指数的扰动应乘以固定的系数1.16，而4、10月份，由于预报的依据主要是3、9月份，因此不需要对预报结果进行改变，而5、11月份的Ap指数有一定的延续效应，也不需要调整。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1、通过分析不同太阳活动水平下的地磁Ap指数演化趋势，结合地磁扰动的发生原因，建立Ap指数综合预报方法，并以计算公式的形式确定下来，通过输入近期的太阳活动和Ap指数时间序列，能够实现对未来27天的Ap指数的逐日预报，由于未来1-3天的Ap指数的预报属于短期预报的业务范畴，可以预报未来第4～27日的Ap指数。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明实施例中一种地磁Ap指数中期预报方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例：

请参阅图1，本实施例提供一种地磁Ap指数中期预报方法，包括以下步骤：

1)相关过程形成的Ap指数预报，包括背景、冕洞和CME相关的Ap指数预报；

2)重叠过程的综合预报；

3)预报结果生成紫外指数生成。

令,预报当日为第0日，Ap指数记为Ap0；之前的第i日记为-i日，Ap指数记为Ap-i；第0日起的Ap值为预报值。读取相关日期的的Ap指数，第22列的数值为Ap指数。

背景Ap指数预报包括：

预报第i日的Ap指数，即Ap_i时，如果Ap_i-27≤8,且Ap_i-54≤8,则有:

如果Ap_i-54≤8，且Ap_i-27确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-54 (2)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (3)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为冕洞影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (4)。

作为一种优选方案，冕洞引发的Ap指数增加包括：

令

如果，Ap_i-27≥9，且Aps_i≥35，则有：

Ap_i＝Ap_i+3＝0.2Aps_i (5)

Ap_i+1＝Ap_i+2＝0.3Aps_i (6)

如果第i-27日～i-24日期间的Ap指数受到CME的影响，则在此期间的4组Ap值应采用该日期的预报值。

作为一种优选方案，CME引发Ap指数增加预报包括：

根据太阳F10.7指数，27天预报结果，结合最近27天的F10.7指数的观测值，令当日的F10.7指数为F10.70，预报值F10.7_i，i＝1,2，...26，观测值F10.7_-i，i＝-1,-2，...-27，为观测时间距当日的天数；

令：

分别计算FAi，i＝0～26，构成新的时间序列；

令D₀日为CME对Ap指数的影响最大，对FA_i序列进行分析，如果只能够得到最小值，读取其序列号i，则D₀＝i-7；如果只能得到最大值，则认为D₀＝i-20；如果0～26日之间，FA_i序列即有极大值，也有极小值，则D₀为两个日期的中间值为CME影响时段；

由于CME的规模和影响目前的预报能力无法达到，因此，通过对第23、24太阳活动周的统计结果，初步给出预报方法如下：

D₀-1日：Ap＝16

D₀日：Ap＝32

D₀+1日：Ap＝19。

作为一种优选方案，冕洞和CME共同引发Ap指数增加预报包括：

如果某日，预报结果既有冕洞引起的地磁扰动值Ap_H和CME引起的Ap值扰动Ap_C，则该日的Ap值预报可写为：

Ap＝Ap_C+Ap_H/2 (9)。

作为一种优选方案，Ap指数中期预报的季节因素包括：

在相同的外部条件下，每年的3、4、9、10月份的Ap指数实测值较其它月份偏高。因此，通过对第23、24太阳活动周Ap指数的分析，3、9月份由于CME和冕洞引起的Ap指数的扰动应乘以固定的系数1.16，而4、10月份，由于预报的依据主要是3、9月份，因此不需要对预报结果进行改变，而5、11月份的Ap指数有一定的延续效应，也不需要调整。

背景和冕洞相关的Ap指数预报如下：

以2012年3月1-27日的Ap指数中期预报为例，演示背景指数预报和冕洞引起Ap指数的过程。但在预报结果检验时，发生了一次中等规模和一次小规模的CME。

表1 2012年3月1-27日背景和冕洞相关Ap指数预报

CME相关的Ap指数预报如下：

表2第4列给出了对2012年3月1-27日的F10.7的预报值，按照4.3节给出的计算方法，得到FAi的时间序列。

表1 2012年3月1-27日CME相关Ap指数预报

通过对FAi的时间序列的观察，可以发现3月15日FAi达到极小值-23.4835，根据预报规则，3月8日，将出现CME的主要影响，3月7-9日，由CME引发的Ap变化分别为16、32、19。

Ap指数预报与分析如下：

根据4.4给出的综合预报规则，可得到3月7、8、9日的Ap预报值分别为：21、35、21。

表3 2012年3月1-27Ap指数综合预报

通过实测值和预报值的对比，可以发现，3月1-3日，有一个新的冕洞生成，将会影响下一个太阳自转周；3月7-9日预期的CME影响发生，但影响预报仍有偏差；3月15、16日，一次较小的CME过程没有被预报，因为爆发与太阳F10.7的变化相关性不强。

在本预报实例中，27天的相对预报偏差为47％，绝对值偏差为8.22。一次显著的CME的影响被准确预测，在实际业务中具有一定价值。

为了继续验证Ap中期预报的可行性和有效性，我们对2月24日到3月22日的每日Ap指数进行了预报，并与该时段的实测值做了比价，结果人表4所示。

表4 2018年2月24日-3月22日Ap指数预报

在本预报实例中，27天的相对预报偏差为28％，绝对值偏差为2.7。可以看出，在接近太阳活动低年的时段，由于CME逐渐稀少，冕洞影响的周期性较为显著，因此预报的相对误差和且对误差都有相应的减小。

本项工作根据Ap指数的变化来源和规律，结合近期的地磁Ap指数和太阳F10.7指数的观测和预报值，给出了地磁Ap指数的预报方法，经测试，可以在业务预报中得到应用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：相关过程形成的Ap指数预报；

S2：重叠过程的综合预报；

S3：预报结果生成紫外指数生成。

2.根据权利要求1所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：步骤S1，所述的相关过程形成的Ap指数预报包括背景、冕洞和CME相关的Ap指数预报。

3.根据权利要求2所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：背景Ap指数预报包括：

预报第i日的Ap指数，即Ap_i时，如果Ap_i-27≤8,且Ap_i-54≤8,则有:

如果Ap_i-54≤8，且Ap_i-27确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-54 (2)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为CME影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (3)

如果Ap_i-27≤8，且Ap_i-54确定为冕洞影响,则

Ap_i＝Ap_i-27 (4)。

4.根据权利要求2所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：冕洞引发的Ap指数增加包括：

令

如果，Ap_i-27≥9，且Aps_i≥35，则有：

Ap_i＝Ap_i+3＝0.2Aps_i (5)

Ap_i+1＝Ap_i+2＝0.3Aps_i (6)

如果第i-27日～i-24日期间的Ap指数受到CME的影响，则在此期间的4组Ap值应采用该日期的预报值。

5.根据权利要求2所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：CME引发Ap指数增加预报包括：

根据太阳F10.7指数，27天预报结果，结合最近27天的F10.7指数的观测值，令当日的F10.7指数为F10.70，预报值F10.7_i，i＝1,2，...26，观测值F10.7_-i，i＝-1,-2，...-27，为观测时间距当日的天数；

令：

分别计算FAi，i＝0～26，构成新的时间序列；

令D₀日为CME对Ap指数的影响最大，对FA_i序列进行分析，如果只能够得到最小值，读取其序列号i，则D₀＝i-7；如果只能得到最大值，则认为D₀＝i-20；如果0～26日之间，FA_i序列即有极大值，也有极小值，则D₀为两个日期的中间值为CME影响时段；

由于CME的规模和影响目前的预报能力无法达到，因此，通过对第23、24太阳活动周的统计结果，初步给出预报方法如下：

D₀-1日：Ap＝16

D₀日：Ap＝32

D₀+1日：Ap＝19。

6.根据权利要求2所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：冕洞和CME共同引发Ap指数增加预报包括：

如果某日，预报结果既有冕洞引起的地磁扰动值Ap_H和CME引起的Ap值扰动Ap_C，则该日的Ap值预报可写为：

Ap＝Ap_C+Ap_H/2 (9)。

7.根据权利要求2所述的地磁Ap指数中期预报方法，其特征在于：Ap指数中期预报的季节因素包括：

在相同的外部条件下，每年的3、4、9、10月份的Ap指数实测值较其它月份偏高。因此，通过对第23、24太阳活动周Ap指数的分析，3、9月份由于CME和冕洞引起的Ap指数的扰动应乘以固定的系数1.16，而4、10月份，由于预报的依据主要是3、9月份，因此不需要对预报结果进行改变，而5、11月份的Ap指数有一定的延续效应，也不需要调整。

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