太陽(yáng)耀斑是劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象，被定義為太陽(yáng)表面局部區(qū)域突然和大規(guī)模的能量釋放過(guò)程。在活躍的活動(dòng)區(qū)中，耀斑會(huì)連續(xù)發(fā)生，并伴隨著連續(xù)爆發(fā)的CME，可能形成如中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員等人（2014，2019）提出的“完美風(fēng)暴”情況，造成極端的空間天氣事件。研究同一活動(dòng)區(qū)內(nèi)耀斑的連續(xù)爆發(fā)具有重要的科學(xué)意義。如何在較長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)選取出與同一活動(dòng)區(qū)連續(xù)耀斑爆發(fā)最相關(guān)的物理參數(shù)，使其可以較為準(zhǔn)確地指示活動(dòng)區(qū)內(nèi)連續(xù)的耀斑活動(dòng)，是一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題。

　　SDO衛(wèi)星上搭載的HMI儀器從2010年開(kāi)始便對(duì)全日面的矢量磁場(chǎng)進(jìn)行高分辨率觀測(cè)。HMI還提供了Space-weather HMI Active Region Patch (SHARP)數(shù)據(jù)集，包含一系列活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)，可作為耀斑研究和預(yù)報(bào)中的初步參數(shù)。劉潁研究員等使用了16種SHARP參數(shù)來(lái)將活動(dòng)區(qū)參數(shù)化，其物理意義包括了電流螺度、垂直電流、凈電流、磁場(chǎng)梯度、自由能等。

圖1：耀斑包絡(luò)線示意圖。圖(a)為GOES衛(wèi)星的軟X射線通量曲線，圖(b)為對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)的耀斑包絡(luò)線。

　　通常用于度量耀斑爆發(fā)的參數(shù)是GOES衛(wèi)星所測(cè)量的軟X射線通量。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，在較長(zhǎng)的時(shí)間跨度里，軟X射線通量的不平滑度會(huì)給研究帶來(lái)困難。為了解決這一問(wèn)題，我們提出了“耀斑包絡(luò)線”概念。提取出活動(dòng)區(qū)中每一個(gè)大于C1.0級(jí)別的耀斑，使用其峰值流量與時(shí)間代表該耀斑，并在耀斑之間使用線性插值填充以得到關(guān)于時(shí)間的連續(xù)演化曲線（見(jiàn)圖1）。

　　研究人員使用相關(guān)性分析、以及Natural Gradient Boost (NGBoost)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，來(lái)討論不同物理參數(shù)與耀斑包絡(luò)線之間的關(guān)聯(lián)程度。第一種方法通過(guò)比較耀斑包絡(luò)線與對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)物理參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，來(lái)尋找與耀斑爆發(fā)更為關(guān)聯(lián)的參數(shù)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)的平均值與方差，獲得了與耀斑包絡(luò)線最為關(guān)聯(lián)的七個(gè)磁參數(shù)，分別為：平均垂直電流螺度（MEANJZH）, 平均水平場(chǎng)梯度（MEANGBH）, 平均扭曲指數(shù)（MEANALP）, 總磁通量（USFLUX）, 光球?qū)悠骄杂赡埽∕EANPOT）, 平均剪切角（MEANSHR）, 水平場(chǎng)與垂直場(chǎng)的平均夾角（MEANGAM）。對(duì)于活動(dòng)區(qū)AR12673的例子見(jiàn)圖2。

圖2: 活動(dòng)區(qū)12763的不同磁場(chǎng)參數(shù)與耀斑包絡(luò)線之間的變化示意圖。綠色曲線為耀斑包絡(luò)線，黑色曲線為磁場(chǎng)參數(shù)變化曲線 (已歸一化處理)，CC代表兩曲線的相關(guān)系數(shù)。

　　第二種方法（NGBoost）是一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)的梯度增強(qiáng)算法，對(duì)所計(jì)算的對(duì)象返回一個(gè)概率分布函數(shù)以及不同參數(shù)在學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要性分布(importance distribution)。研究人員使用NGBoost算法基于16個(gè)SHARP參數(shù)來(lái)對(duì)耀斑包絡(luò)線進(jìn)行計(jì)算，得到了較好的擬合結(jié)果。通過(guò)分析不同磁參數(shù)在算法中所占的重要性，研究人員得到了4個(gè)在NGBoost分析中最重要的參數(shù)，分別是：光球?qū)涌傋杂赡埽═OTPOT），光球?qū)悠骄杂赡埽∕EANPOT），總磁通量（USFLUX）， 水平場(chǎng)與垂直場(chǎng)的平均夾角（MEANGAM）。

圖3：活動(dòng)區(qū)11283中所選取的8個(gè)參數(shù)在整個(gè)活動(dòng)區(qū)以及PIL區(qū)域的變化與耀斑包絡(luò)線之間的關(guān)系示意圖。

　　結(jié)合相關(guān)性分析的結(jié)果，最終得到8個(gè)與耀斑爆發(fā)更加相關(guān)的參數(shù)，分別是光球?qū)涌傋杂赡埽═OTPOT）, 光球?qū)悠骄杂赡埽∕EANPOT），總磁通量（USFLUX）， 水平場(chǎng)與垂直場(chǎng)的平均夾角（MEANGAM）， 平均垂直電流螺度（MEANJZH）, 平均水平場(chǎng)梯度（MEANGBH）, 平均扭曲指數(shù)（MEANALP）,  平均剪切角（MEANSHR）。我們從這些參數(shù)在整個(gè)活動(dòng)區(qū)的值以及在極性反轉(zhuǎn)線（PIL）區(qū)域的變化趨勢(shì)的不同，進(jìn)一步分析這8個(gè)參數(shù)在物理意義上與連續(xù)耀斑爆發(fā)之間的關(guān)系（見(jiàn)圖3）。可以看到，大部分的參數(shù)都在耀斑發(fā)生期間發(fā)生了更為劇烈的變化。例如，與自由能相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)（TOTPOT， MEANPOT）展現(xiàn)了耀斑爆發(fā)期間更為明顯的自由能的儲(chǔ)存與釋放過(guò)程，該過(guò)程在PIL區(qū)域更加明顯，這一結(jié)果同時(shí)也展現(xiàn)了PIL與耀斑發(fā)生之間的關(guān)聯(lián)。類似的在PIL區(qū)域參數(shù)變化得更加明顯的現(xiàn)象也體現(xiàn)在了水平場(chǎng)與垂直場(chǎng)的平均夾角（MEANGAM），平均水平場(chǎng)梯度（MEANGBH）以及平均剪切角（MEANSHR）上。除了相對(duì)變化以外，各個(gè)參數(shù)在不同區(qū)域的絕對(duì)值也很值得留意。例如，平均扭曲指數(shù)（MEANALP）表征磁場(chǎng)扭曲指數(shù)，在PIL區(qū)域的平均扭曲指數(shù)約為整個(gè)活動(dòng)區(qū)的10倍，表示在耀斑連續(xù)爆發(fā)期間，PIL區(qū)域的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)明顯比整個(gè)活動(dòng)區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。

　　該工作發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為空間中心研究生冉豪，通訊作者為劉潁研究員，合作作者包括南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院郭洋副教授以及空間中心王瑞副研究員。研究結(jié)果對(duì)于理解連續(xù)耀斑發(fā)生的物理機(jī)制具有重要意義，其揭示的關(guān)鍵物理參數(shù)可用于連續(xù)耀斑的研究和預(yù)報(bào)工作。

　　Citation:Hao Ran, Ying D. Liu*, Yang Guo, and Rui Wang, Relationship between Successive Flares in the Same Active Region and SHARP Parameters, 2022, The Astrophysical Journal, 937, 43 

　　(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac80fa)

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