點(diǎn)擊“國(guó)家空間科學(xué)中心”關(guān)注我們吧

準(zhǔn)確確定太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)對(duì)日地空間環(huán)境研究具有重要的意義。傳統(tǒng)獲取太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的方法依賴于日冕與行星際磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）模型的耦合，而后者需要前者在0.1 AU處的運(yùn)算結(jié)果作為內(nèi)邊界條件后再進(jìn)行傳播計(jì)算，該過(guò)程計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，難以滿足實(shí)時(shí)的空間天氣預(yù)報(bào)需求。為此，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡(jiǎn)稱“天氣室”）沈芳研究員團(tuán)隊(duì)與比利時(shí)荷語(yǔ)魯汶大學(xué)Stefaan Poedts教授團(tuán)隊(duì)合作，引入了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)在0.1AU處的快速重建與預(yù)測(cè)，為高效、實(shí)時(shí)的空間天氣預(yù)報(bào)提供新思路。

研究提出了一種基于U型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（U-Net）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)快速生成方法。模型以全球日震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)—美國(guó)光球磁通量同化傳輸模型（GONG–ADAPT）光球磁圖為輸入，以基于通用面向?qū)ο罅黧w動(dòng)力學(xué)框架的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格日冕磁流體力學(xué)模型（COCONUT MHD）模型的輸出結(jié)果為學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過(guò)訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)0.1 AU處太陽(yáng)風(fēng)徑向速度、數(shù)密度和徑向磁場(chǎng)的直接預(yù)測(cè)。訓(xùn)練完成后，模型能夠在單次運(yùn)行中輸出完整球面的太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)分布，并有效捕捉其在卡林頓自轉(zhuǎn)周期內(nèi)的時(shí)序演化特征。

圖1 所用U-Net模型架構(gòu)

模型在測(cè)試集上取得了高精度的重建結(jié)果：徑向速度、數(shù)密度和徑向磁場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.992、0.987和0.991；推導(dǎo)的阿爾文（Alfvén）速度與動(dòng)壓的相關(guān)性分別達(dá)到0.996和0.769。模型不僅準(zhǔn)確再現(xiàn)了關(guān)鍵太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的空間分布，還成功捕捉了其隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律。

圖2 模型重建的太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)與MHD模型結(jié)果的比較

在計(jì)算效率方面，單次預(yù)測(cè)在僅使用CPU時(shí)耗時(shí)約7.8秒，在GPU（1 GPU + 10 CPU核）環(huán)境下僅需0.065秒，較傳統(tǒng)COCONUT MHD模擬分別提升約15倍和1800倍。該成果顯著提高了太陽(yáng)風(fēng)模型的運(yùn)算效率，為實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)太陽(yáng)風(fēng)預(yù)報(bào)與大規(guī)模日球建模提供了可行的技術(shù)路徑。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、空間中心攀登計(jì)劃等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。相關(guān)論文已發(fā)表于國(guó)際SCI期刊The Astrophysical Journal Supplemental Series上，第一作者是天氣室博士研究生李雨淙，通訊作者為天氣室沈芳研究員與比利時(shí)荷語(yǔ)魯汶大學(xué)Stefaan Poedts教授。

文章鏈接：

https://doi.org/10.3847/1538-4365/ae13a2

歡迎關(guān)注我們，轉(zhuǎn)載授權(quán)、投稿事宜請(qǐng)
在文后留言，小編會(huì)盡快處理