行星际背景太阳风的三维磁流体力学数值模拟

发布时间：2020-07-02 07:34

【摘要】：太阳风是从太阳表面出发、高速向外膨胀并充满行星际空间的等离子体流。太阳风是日地关系的纽带,关于它的研究具有重要的科学意义和实际的应用价值。近年来航天和通信等高技术领域进入了蓬勃发展时期,各种卫星和飞行器等在轨运行。这些高技术系统对空间天气变化表现得极为敏感,因此探索空间天气的发生机制并最终能够提前给出预报显得尤为迫切。三维磁流体力学数值模拟是太阳风参数预报的重要手段。本文对COIN-TVD MHD模型做了多方面的改进工作,建立了一套用于行星际背景太阳风模拟的数值模式。模型将内边界设置在0.1 AU(天文单位)处,在六片网格系统下利用TVD Lax-Friedrichs格式求解理想磁流体力学程组,采用扩散法消除磁场的散度,使用一阶格式和二阶格式组合的方式保持密度和压强为正,根据特征分析法确定计算区域的出流边界条件。模型使用Fortran作为程序设计语言,并使用基于共享内存的OpenMP和基于分布式内存的MPI结合的方式进行并行优化。针对行星际背景太阳风的数值模拟,本文提出了一套完备自洽的边界条件:(1)以GONG(Global Oscillation Network Group)的观测磁图作为模型输入数据,利用磁场势场源表面模型指定行星际磁场的极性;(2)利用WSA(Wang-Sheeley-Arge)经验关系给定边界上太阳风的速度分布,并对其参数进行了简化;(3)根据太阳风的能量通量来限制密度的分布;(4)根据太阳风温度和速度的正相关关系计算温度的分布。边界条件中保留了5个自由参数,其中WSA经验模型中有3个需要手动调节,另外两个根据近地卫星观测数据获得,然后利用卡尔曼滤波对其进行处理。适当调整模型的自由参数可以使其模拟不同太阳活动期的太阳风,并尽可能使各个参数的变化特征贴近观测。我们利用该模型模拟了行星际的背景太阳风,具体结果如下:(1)模型再现了一些行星际太阳风的典型的物理现象,包括共转相互作用区,前后激波对和日球层电流片等;(2)模型捕捉到了大多数的高速流事件,能准确地预报行星际磁场的极性,预测的太阳风的密度、温度和磁场的强度也没有明显高估或者低估,模拟结果能较好反映背景太阳风在行星际空间的三维分布。模型的可调参数比较少,变化范围也比较小,非常易于操作,而且根据对过去11年的模拟发现这些参数可保持长时间不变,因此在近地太阳风的实时预报中具有潜在的应用价值。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P353.8
【图文】：

示意图,二维插值,示意图,插值

格式的空间精度是二阶的，为了保正模型的精度，选用三阶拉格朗日插值。这里的插值是二维的，如图2.4所示，需要先在一个方向上插值，得到所示的红点，然后在另一个方向上插值，得到插值结果。以C5上的一点P (r5, θ5, φ5)为例，首先计算在其直角坐标系的表示P(x5,y5,z5)，然后变换到C1得到P(x1,y1,z1)，进而转变换到球坐标系P(r1, θ1, φ1)。在完成插值后，矢量还需要变按照(2-81)和(2-83)变换到C5，此即最终的结果。图2.4二维插值示意图Figure 2.4 Sketch map of two-dimensional interpolation37

【参考文献】