太陽耀斑是太陽大氣一種強磁場能量的爆發(fā)性釋放，其特點是幾乎全波段的電磁輻射增強，以及發(fā)射能量從103eV直到1011eV的各種粒子流。耀斑爆發(fā)會導致地球紫外輻射增強，使得大氣層溫度密度升高，導致空間飛行器的軌道改變；同時，耀斑的X射線和EUV輻射會導致電離層突然騷擾發(fā)生會無線電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；大耀斑發(fā)生通常也會伴隨著日冕物質(zhì)拋射的爆發(fā)。
日冕物質(zhì)拋射是太陽活動中重要的噴發(fā)現(xiàn)象之一，其本質(zhì)是將大量攜帶磁場的等離子體拋向日地空間，可能對日冕層、行星際空間環(huán)境產(chǎn)生劇烈擾動。當日冕物質(zhì)拋射到達地球空間時，可能會引發(fā)較強的地磁擾動和與之相關的空間環(huán)境效應。
因此預測太陽耀斑的爆發(fā)、日冕物質(zhì)拋射的對地有效性，對當前的空間環(huán)境業(yè)務預報工作具有十分重要的意義。近年來，隨著機器學習方法廣泛應用于各行各業(yè)并取得良好的成果，研究人員也開始嘗試利用機器學習方法開展空間環(huán)境預報建模的研究。
傳統(tǒng)的太陽耀斑預報建模過程中，太陽爆發(fā)和太陽活動區(qū)磁特性的相關先驗知識發(fā)揮了極大的作用。近日，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室預報中心團隊崔延美副研究員和博士生李銘搭建了一個有先驗知識依據(jù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型（如圖1所示），用以預測為來48小時太陽耀斑是否爆發(fā)。該模型將耀斑產(chǎn)生的先驗知識與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）結構進行了有效的融合。
研究結果表明，先驗知識在構建深度學習耀斑預報模型中可以發(fā)揮重要的作用，采用知識啟發(fā)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡可以進一步提高耀斑預報模型的性能。這也啟發(fā)了我們未來在其他空間天氣事件預報建模過程中，可以將空間物理的先驗知識和深度學習模型進行有效的融合，從而提升預報效果的可能性。
相關成果發(fā)表在國際知名期刊Space Weather上。該研究得到了國家自然科學基金，中國科學院重點部署項目，空間中心攀登計劃等項目的支持。
Citation：Li, M., Cui, Y., Luo, B., Ao, X., Liu, S., Wang, J., et al. (2022). Knowledge-Informed Deep Neural Networks for Solar Flare Forecasting. Space Weather, 20, e2021SW002985. https://doi.org/10.1029/2021SW002985
圖1 太陽耀斑預報建模示意圖
日冕物質(zhì)拋射對地有效性預報中非常重要的一項內(nèi)容就是日冕物質(zhì)拋射是否會到達地球的預報。中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室預報中心團隊石育榕等人將邏輯回歸與推薦算法相結合來預測日冕物質(zhì)拋射是否會到達地球、并推薦相似的歷史事件為預報員提供參考。研究人員根據(jù)SOHO衛(wèi)星于1996—2020年間觀測到的30321起日冕物質(zhì)拋射事件為數(shù)據(jù)基礎，開展了日冕物質(zhì)拋射事件相似度的研究、以及事件特征參數(shù)的篩選，利用邏輯回歸和推薦算法建立了日冕物質(zhì)拋射是否會到達地球的預報模型。
在日冕物質(zhì)拋射爆發(fā)后，該預報模型可以及時給出最相似的歷史事件推薦（如圖2所示），并給出該事件是否會到達地球的預測，為日冕物質(zhì)拋射的對地有效性預報提供重要的參考。未來，隨著更多日冕物質(zhì)拋射數(shù)據(jù)的積累，模型的預報性能將會不斷得到提升。
相關成果發(fā)表在期刊Space: Science & Technology上（該期刊入選2020年中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目）。該研究得到了國家自然科學基金，中國科學院重點部署項目，中國科學院國家空間科學中心攀登計劃等項目的支持。
Citation：Shi Y., Wang J., Chen Y., Liu S., Cui Y., and Ao X. Impacts of CMEs on Earth Based on Logistic Regression and Recommendation Algorithm[J]. Space: Science & Technology, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9852185
圖2. 上圖：a-c，世界時2006年8月16日16:30發(fā)生的CME事件。下圖：d-f，模型推薦的歷史事件為世界時1997年4月7日14:27發(fā)生的CME事件（圖像來自SOHO LASCO C2）
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