日冕物質(zhì)拋射（CME）是日冕物質(zhì)在較短的時(shí)間內(nèi)被大規(guī)模拋出太陽(yáng)的一種現(xiàn)象，是太陽(yáng)大氣中最劇烈的爆發(fā)活動(dòng)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(yáng)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(huì)影響航空安全、衛(wèi)星操作、無(wú)線電通信、電力傳輸以及許多其他高科技活動(dòng)或設(shè)施。因此，需要可靠的預(yù)測(cè)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(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)室沈芳研究員團(tuán)隊(duì)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(cè)CME到達(dá)時(shí)間。通過(guò)比較研究?jī)H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(cè)誤差可以達(dá)到更小，準(zhǔn)確性更高。

研究使用太陽(yáng)與日光層觀測(cè)臺(tái)（SOHO衛(wèi)星）的LASCO/C2日冕儀白光觀測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的CME傳播時(shí)間作為標(biāo)簽訓(xùn)練CNN模型，經(jīng)過(guò)三個(gè)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(cè)時(shí)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(yáng)風(fēng)Bz、溫度、太陽(yáng)風(fēng)速度、太陽(yáng)風(fēng)壓力、太陽(yáng)風(fēng)經(jīng)度、CME加速度、太陽(yáng)風(fēng)Bx和CME位置角等11個(gè)與CME到達(dá)時(shí)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(guò)兩個(gè)全連接層得到模型B的輸出。

圖1 SOHO/LASCO日冕儀觀測(cè)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(dòng)CNN的預(yù)測(cè)（模型A），采用混合輸入的模型（模型B）在CME到達(dá)時(shí)間預(yù)測(cè)中的誤差顯著減少。模型B的平均MAE為6.39小時(shí)，平均RMSE為9.52小時(shí)，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(lái)的顯著改進(jìn)，強(qiáng)調(diào)了它們?cè)谔岣哳A(yù)測(cè)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(cè)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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)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）