日冕物質(zhì)拋射（CME）是日冕物質(zhì)在較短的時間內(nèi)被大規(guī)模拋出太陽的一種現(xiàn)象，是太陽大氣中最劇烈的爆發(fā)活動之一。CME攜帶著巨大的質(zhì)量和磁通量，速度可達(dá)每秒幾千公里。通常，CME從太陽傳播到地球需要2-4天。到達(dá)地球后，由CME引發(fā)的地磁暴可能會影響航空安全、衛(wèi)星操作、無線電通信、電力傳輸以及許多其他高科技活動或設(shè)施。因此，需要可靠的預(yù)測和早期預(yù)警，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p少潛在損失。

近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沈芳研究員團(tuán)隊提出了一種結(jié)合深度學(xué)習(xí)框架和物理信息的新機(jī)器學(xué)習(xí)模型用于預(yù)測CME到達(dá)時間。通過比較研究僅使用日冕儀圖像作為輸入的模型與使用包括物理信息在內(nèi)的兩類輸入的模型，發(fā)現(xiàn)后者的預(yù)測誤差可以達(dá)到更小，準(zhǔn)確性更高。

研究使用太陽與日光層觀測臺（SOHO衛(wèi)星）的LASCO/C2日冕儀白光觀測結(jié)合極紫外成像望遠(yuǎn)鏡(EIT)或大氣成像組件(AIA)的極紫外觀測制作的差分圖像（如圖1）作為原始輸入，構(gòu)建了一套基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的深度學(xué)習(xí)框架如圖2。其中模型A僅使用圖像作為唯一的輸入，以圖像對應(yīng)的CME傳播時間作為標(biāo)簽訓(xùn)練CNN模型，經(jīng)過三個卷積模塊，包括求卷積、規(guī)范化、激活、池化等操作后輸出得到模型A的預(yù)測時間。在模型B中，研究納入了CME的平均速度、CME最終速度、角寬度、太陽風(fēng)Bz、溫度、太陽風(fēng)速度、太陽風(fēng)壓力、太陽風(fēng)經(jīng)度、CME加速度、太陽風(fēng)Bx和CME位置角等11個與CME到達(dá)時間相關(guān)性最高的物理參數(shù)，與模型A的線性輸出相結(jié)合后經(jīng)過兩個全連接層得到模型B的輸出。

圖1 SOHO/LASCO日冕儀觀測的CME差分圖像

圖2 結(jié)合圖像和物理信息輸入的深度學(xué)習(xí)框架

研究發(fā)現(xiàn)，相比于完全依賴圖像驅(qū)動CNN的預(yù)測（模型A），采用混合輸入的模型（模型B）在CME到達(dá)時間預(yù)測中的誤差顯著減少。模型B的平均MAE為6.39小時，平均RMSE為9.52小時，比模型A分別降低了33%和26%以上。這些結(jié)果突出了將物理參數(shù)納入模型所帶來的顯著改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)了它們在提高預(yù)測準(zhǔn)確性方面的重要作用，為進(jìn)一步提高CME到達(dá)地球的準(zhǔn)確預(yù)測打下基礎(chǔ)。

該研究相關(guān)論文已發(fā)表于The Astrophysical Journal上，第一作者是空間中心博士研究生李雨淙，通訊作者是楊易副研究員和沈芳研究員。該項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

論文信息：https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad82e5

（供稿：天氣室）