空间环境建模仿真

1. 空间环境建模预报

在空间环境建模方向，实验室的主要研究内容有:空间环境关键参数建模、 空间环境区域建模及全球空间环境集成模式。具体内容如下:

基于物理规律或统计规律对空间环境中的关键参数进行建模，建立太阳活动、 行星际、磁层、电离层、中高层大气中关键空间天气要素的预报和警报模式，为 空间环境理论研究和更大规模的集成模式提供重要的信息和依据。主要研究内容 包括:建立和完善太阳黑子数预报模式、太阳耀斑预报模式、太阳质子事件长期 预报模式，地磁扰动的长期变化规律、等离子体层预报模式、等离子体片内边界 预报模式、磁层超低频波强度模式、辐射带径向扩散系数预报模式等。

空间环境研究领域覆盖了太阳大气、行星际空间和地球空间(磁层、电离层 和中高层大气)等区域。经过前期的发展，从太阳大气、行星际空间到地球空间 的不同空间区域都已经研发出成熟度不同的各种物理或经验模式，包括太阳活动 预报模式、日冕和行星际模式、磁层模式、内磁层(环电流、辐射带)模式、电 离层(热层)模式、中高层大气模式等。空间天气集成建模作为空间天气研究和 应用的核心内容，将相互交织、相互耦合的不同空间区域的过程、不同的空间天 气事件作为一个有机链整体进行，它可以研究空间天气系统中的各种宏观与微观 交织的、具有不同物理性质的空间层次间的耦合过程，从而了解灾害性空间天气 变化规律，为空间天气预报奠定基础。主要研究内容包括:建立和完善日冕模型、 行星际模型、磁层模型、电离层/热层大气模型等区域模型，并对其之间的相互 耦合的物理过程建模。建立以天基和地基观测资料为驱动的空间环境预报应用集 成模式，为航天活动、地面技术系统和人类活动安全提供实际预报。

2. 空间环境三维仿真

利用空间环境仿真技术一方面能够重现卫星观测到的物理现象，另一方面提 供更全面的空间环境各尺度结构、各区域间的相互作用关系，将为空间环境监测 技术提供理论依据并提高灾害性空间天气预报的可靠性。拟发展具有中国自主权 的空间环境模拟方式，呈现更自洽的空间环境物理过程，为空间天气预报奠定基 础。空间环境模式化研究方向主要包括地球环境研究和火星环境研究。

(1) 地球磁层环境模拟研究:

空间环境关键区域链模拟:在日地空间中，地球高纬区是非常重要的关键区 域，通过对流电场、场向电流和粒子沉降等过程，电离层/热层系统与相邻的磁 层相互作用相互影响，紧密耦合在一起。地球磁层与电离层的耦合，主要通过两 种“桥梁”形式实现:电动力学耦合-两体系间的能量交换;质量耦合-电离层 物质对磁层动力学的影响及反馈。磁层粒子沉降影响着电离层状态，磁层电流与 电离层电流相连构成了完整的电流系统。电离层的电导率控制着磁层中粒子输运、 环电流增强等物理过程。高纬地区是磁层能量、动量和物质进入电离层/热层系 统的主要通道。建立高纬区太阳风能量注入、磁层-电离层-热层耦合模拟，将为 实现对灾害性空间天气环境的预测和预报打下基础。拟运用国际著名的 SWMF 模 型和现有团队共同完善的 RAM-SCBE 模式来研究磁层与电离层对太阳风能量注 入的响应及其内部相互作用的时空演化，分析磁层粒子沉降对高纬区域电离层的 影响，揭示电离层重离子外流对磁层重联、内磁层动力学、边界层不稳定性的作 用。团队还将进一步优化全球地球空间环境的预报模式，并提高预报精度。

环电流体系模拟:环电流作为近地空间环境重要组成，是灾害性空间天气预 报能力(尤其是磁暴时期)不可或缺的环节。拟借鉴国际上现有的环电流模型， 取长补短，建立并发展中国首个环电流模型，以填补国内在环电流模式研究领域 的空缺，并推进国内在空间天气预报领域的集成建模研究。拟在新模式中突破了 空间天气模式中有关电导率计算的局限性而加入自洽电场。拟使用波粒作用的投 掷角散射扩散系数来计算粒子沉降，从而得知电离层中的动力学过程，完全基于 物理过程。该环电流模型旨在围绕当前环电流领域的研究热点，着重探索环电流 与磁层关键区域(如磁尾动力学、电离层、等离子体层、辐射带等)的相互作用， 进一步揭示近地空间的各种动力学物理过程。

磁尾动力学模拟:运用全球 MHD 模型研究地球磁尾动力学，在太阳风条件突 变过程中的行星际磁场渗透及其对地球附近电磁场和流场的影响，揭示太阳活动 对地球环境的效应。使用百万测试粒子跟踪其在磁尾快速等离子体注入过程中的 轨迹、命运、及其能量变化，研究等离子体环境中不同粒子组分对整体空间环境 的贡献。

磁场重联物理机制模拟:磁场重联伴随着爆发性能量转换和释放，是空间环 境中最常见却具有挑战性的可续问题之一。高能电子是磁重联的一个重要产物， 但其根本的产生机制仍然是前沿性课题。拟利用 PIC 全粒子模拟手段研究磁场重 联在离子或电子尺度下的激发、演变、及其对等离子体能量传输和耗散的作用。 探究重联过程中等离子体波动的激发及其反馈效应。发展全球的 PIC 粒子模拟仿 真技术，更精细化揭示带电粒子在地球磁场空间中的基本运动规律和效应。

(2) 火星大气环境数值模拟研究:

受限于卫星计划和较少的卫星观测数据体量，对火星全球磁层结构和等离子 体环境的研究长期着重依赖于全球数值模拟仿真技术。拟发展并完善类地行星的 数值模拟方式;重点研究火星表面的磁场环境、水环境、等离子体环境的变化规 律及其与太阳活动的关联;探索地球体系之外的空间环境。拟发展并完善考虑了 非定常效应、非磁化行星大气层的离子组分逃逸率、离子尺度效应的全球数值模 拟模型，为观测火星全球等离子体作用提供不同的手段，并为揭示物理现象提出 新的挑战。非磁化行星具有特殊的太阳风作用方式，并且存在很强的磁异常区域。 这些特性促使我们需要在分析其具体等离子体环境基础上建立相应的模拟手段， 以更为真实的再现火星系统的磁场拓扑结构，研究太阳风对电离层的影响、等离 子体边界和火星附近的带电离子输运等问题。拟重点研究以下前沿科学问题:

火星表面水的消失过程:火星上的水可通过蒸发和电离变成带电粒子，沿着 磁力线逃逸出大气。研究火星表面水的消失机制问题，对地球的长期演化过程研 究有着重要的意义。

火星地壳磁场的影响:非磁化行星上没有内部发动机效应，但是地壳磁场以 磁化的形式存在火星局部的岩石里，给火星磁层的全球结构及火星空间的动力学 过程带来很大的影响。尽管地壳磁场分布和离子损失之间的关联性基本已经确定， 但是其根本物理过程和原因尚不清楚。拟研究火星局部的地壳磁场对全球磁层结 构和分布的影响，探究局地火星大气的响应。

离子尺度效应对火星环境的影响:在火星弱磁场的空间环境下，离子回旋半 径/离子惯性尺度具有火星半径的尺度，离子动力学效应非常显著。拟研究该尺 度下火星电离层中磁场拓扑结构以及等离子体逃逸。