利用STEREO/HI图像提取CME参数的方法研究

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STEREO(Solar-TErrestrial RElations Observatory)卫星实现了对日冕物质抛射(CoronalMass Ejection,CME)的多角度观测,提供了CME自太阳表面爆发直至到达地球轨道1AU处的传播过程。由于观测延伸角的范围很大,STEREO卫星搭载的日球层成像仪HI(Heliospheric Imager)的差分图像要被处理成为J-map(时间一延伸角)图,再提取CME前沿的运动轨迹——观测延伸角随时间的变化曲线用于分析CME参数,包括主传播方向、传播速度、角宽度,可以作为预报CME事件是否能到达某颗卫星、何时到达的重要参考。  在2010年,STEREO卫星与地球的夹角自65°逐渐增大至90°。本文使用了基于单颗卫星HI图像提取CME参数的四种方法,包括基于单颗卫星HI图像的、国际上常用的固定Φ角拟合法(Fixed-Φ,FΦ; Kahler et al,2007)、调和均值拟合法(Harmonic-mean,HM;Lugaz et al,2009)、自相似扩展拟合法(Self-Similar Expansion,SSE; Lugaz et以,2010;Davies et al,2010,2012; M(6)stl and Davies,2012)和我们提出的、修改后的SSE拟合法(MSSE),深入分析了2010年的所有CME事件,对比讨论了它们提取的CME参数的统计特征。  其中,FΦ拟合法假设CME是固定方向传播的小质点,HM拟合法假设CME为具有球形前沿的通量绳结构,SSE拟合法假设日冕物质抛射(CME)具有恒定角宽度和主传播方向、沿径向向外传播、自相似扩展的球形前沿,由日心出发的、与这个球形前沿相切的圆锥的圆锥角就是通常所说的CME角宽度,半角宽度取值范围是[0°,90°], FΦ和HM拟合法分别对应SSE模型的半角宽度为0°和90°的特殊情况。  MSSE拟合法假设CME具有自相似扩展的半球形前沿,能够提取的CME参数包括由日心出发的、圆锥截面过球心的圆锥的半圆锥角和CME的主传播方向、传播速度,半圆锥角取值范围是[0°,90°]。FΦ和HM分别对应MSSE模型的半圆锥角为0°和45°的特殊情况,半圆锥角为90°时,CME的前沿是以日心为圆心的半圆。MSSE拟合法扩大了SSE模型对CME前沿形态的描述范围,将半圆锥角作为判断CME是否能够到达、何时到达某颗卫星的重要参数。  结合HI图像观测和太阳风实地观测,本文深入分析了2010年23个CME事件,对比讨论了利用FΦ、HM、SSE和MSSE拟合法提取的CME参数预报CME事件的误差。结果发现,MSSE拟合法相比FΦ、HM和SSE拟合法,不但可以更准确的提取出CME的主传播方向和传播速度,也可以缩小预计到达时间和到达速度的误差。  本文也使用了结合两颗卫星HI图像提取CME参数的两种方法,包括直接三角法(Direct Triangulation,DT; Liu et al,2010)和切向球面法(Tangent to a Sphere,TS; Lugaz etal,2010),深入分析了5个朝向地球的CME事件,其中,DT和FΦ拟合法的假设相同,TS和HM拟合法的假设相同。结果发现,在提取CME参数时,根据通量绳模型建立的HM拟合法和TS计算方法优于FΦ拟合法和DT计算方法,结合多角度HI图像观测的DT和TS计算方法优于FΦ和HM拟合法。  总之,在利用HI图像提取CME参数时,加入CME前沿结构的假设和结合多角度图像观测的方法都能够有效地减小误差。  本文也提出了基于单颗卫星HI观测的、多个位置角对应的J-map图像上CME前沿的运动轨迹、提取CME参数的一种新方法——三维自相似扩展法(3D-SSE)。3D-SSE模型假设在行星际空间中,主传播方向和角宽度恒定的CME半球形前沿沿径向向外、自相似扩展传播,是在二维平面内的自相似扩展模型(SSE)的基础上发展而来的,可以提取CME三维结构的参数。假设CME在短时间内参数变化很小,我们使用3D-SSE拟合法和分段拟合法深入分析了2010年4月5日到达了地球的CME事件,结果发现,3D-SSE拟合法可以改进SSE拟合法,提取的CME参数与已有研究的结果符合很好,可以研究CME事件的形态和参数在行星际空间中的演变。
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