空间环境信息处理
1. 空间环境大数据平台
(1) 空间环境特征参数的提取
针对海量异构的空间环境监测数据，开展基于物理参数和机器学习算法的空 间环境特征参数提取技术研究，对空间环境监测数据进行标注和特征提取，构建 特征参数数据库，研究观测数据内在的相互依赖关系和规律;在此基础上研究机 器学习中的搜索算法和深度学习等算法在空间环境灾害性事件中的应用。
(2) 多源异构科研数据的整合集成
科研大数据的采集主要是从复杂多变的网络上实时采集多来源、多种类、多 类型的数据，数据的更新是定时使用网络爬虫轮询查看相关网页的更新信息。也 就是说对于数据的采集与更新，主要研究内容包括:从复杂的网络中获取数据并 从多源异构的网络数据中将数据抽取、格式化存储;研究系统的高性能与鲁棒性， 信息更新需要面对的不断更新的网络环境。
(3) 科技领域知识图谱
科学知识图谱是一种集文献计量学、数学、统计学、计算机科学以及现代数 据挖掘、复杂网络和可视化技术为一体的科学发展及其研究前沿知识发现与分析 方法与技术。它利用引文分析和图谱技术从宏观、中观、微观等层面揭示学科领 域及其结构、研究主题及其热点、学科进展及其发展趋势、研究团队及其合作关 系等。使研究者能概貌与深入了解和发现科技发展概况、研究前沿及其新兴、热 点领域、重大转变关键节点、科技合作与竞争、学术水平和核心资源等重要信息。 借助科学知识图谱，可以透视庞大的人类各个领域中的知识体系结构、关联与演 变，理顺当代知识大爆炸形成的复杂知识网络，探测科学技术知识前沿与发展、 活动分布与竞争的最新态势与趋势。
2. 空间环境数据分析
在空间环境数据分析方向，实验室的主要研究内容有:太阳风加热及其对空 间环境的影响、磁层动力学及其对空间环境的影响、电离层动力学及其对空间环 境的影响。
(1) 太阳风加热及其对空间环境的影响
我们将利用 WIND 卫星高时间分辨率(3 秒)的磁场和等离子体数据，用小波分析的方法，详细研究太阳风高速流中小尺度磁场间歇结构的本质、加热效应及其对湍流谱各向异性的影响。具体内容包括以下三个部分。
(a)小尺度间歇结构的本质:太阳风磁流体湍流具有间歇性，即流场空间 中局部大振幅扰动出现的概率明显大于高斯分布的预期，且尺度越小间歇现象越 明显。流体湍流中，间歇对应着湍流串级集中的地方，而太阳风磁流体湍流中的 间歇结构是不是湍流串级集中之处，至今仍不清楚。少有的观测个例曾表明时间 尺度为 30 分钟的间歇结构对应着相邻磁流管的交界面。太阳风湍流的二维数值模拟结果中发现湍流非线性相互作用产生与重联相关的切向间断面结构，它可能 是小尺度的间歇。但对于小尺度间歇结构的本质还缺乏观测研究。本研究中分析 研究了尺度为 24 秒的磁场间歇结构，通过对太阳风高速流中约两万个间歇事件 的分析，我们发现~86.%的磁场间歇事件具有旋转间断面的特性，而只有~1.8% 的事件具有切向间断面的特性(另外，尚有 11.7%的间歇结构的物理特性不能被 准确确定)。
(b)小尺度间歇结构的局地温度升高:在大尺度上，太阳风湍流惯性区串 级所提供的能量被用来解释太阳风加热。但是，在小尺度上，串级能量的耗散机 制还不清楚。近来，有统计工作认为间歇结构与太阳风小尺度的局地等离子体的 加热效应相关，但也有人指出太阳风高速流温度高同时间歇也多，因而前述相关 关系并不表明间歇有加热效应。为了解决这一认识上的矛盾，本研究组基于小波 分析发展了除去不同尺度的间歇结构后计算功率谱的新方法，对太阳风高速流中， 小尺度磁场间歇的局地质子温度升高进行了研究。结果发现，完全去除间歇后， 原有的磁场谱和速度谱的各向异性消失。这说明了太阳风湍流小尺度功率谱的各 向异性可能由间歇结构引起。这一结果将推动太阳风湍流串级过程的研究。
总的来说，我们期待取得如下研究成果:(a)发现磁场间歇结构主要由旋 转间断面类型的结构组成，切向间断面类型的结构只占极少数;(b)发现主要磁 场间歇结构不伴随有局地质子温度的升高;(c)发现磁场间歇结构的强度控制太 阳风小尺度湍流功率谱的各向异性程度，并在此基础上，提出了湍流惯性区中存 在间歇亚区的新概念。
这些工作将挑战学术界的主流认识，包括(a)认为切向间断面类型的电流 片是主要的磁场间歇结构，(b)认为磁场间歇结构对太阳风有重要的加热作用， (c)认为功率谱的各向异性表明太阳风中存在临界平衡串级过程，同时将显著 促进我们理解太阳风的加热机制以及影响空间环境的各个环节。
(2) 磁层动力学及其对空间环境的影响
重点研究辐射带、磁层亚暴、磁重联。
(a) 辐射带
我们将调查波粒相互作用的线性和非线性过程，具体包括高能电子与合声的 相互作用过程、高能电子与嘶声的相互作用过程、高能电子与电磁离子回旋波的 相互作用过程、高能电子与快磁声波的相互作用过程、高能电子与 ULF 波(如 PC4、 PC5)的相互作用过程、高能离子与电磁离子回旋波的相互作用过程、高能离子与快磁声波的相互作用过程。这些过程决定了辐射带高能粒子的产生和损失效率， 对理解高高度的空间环境特别有帮助。其次，我们也将分析高能离子与中性原子 的电荷交换过程、高能粒子在南大西洋异常区的分布特征、以及高能粒子与高层 大气的相互作用过程。这些过程决定了环电流的大小以及地表输电线路/输油管 道中的感生电流的大小、同时也决定了高层大气加热的效率以及极区辐射剂量的 大小，因此对理解低高度或者地表的空间环境特别有帮助。再次，我们还将分析 辐射带 VLF 波的传播特性。这些波能够穿透到电离层，在电离层引起电磁响应， 对地震信号的监测形成干扰。对这些波传播特性的了解可以有效剔除来自辐射带的信号，从而专注于来自地球深部的信号。
(b) 磁层亚暴
我们将调查亚暴的触发机理和发展过程，鉴别近地中性线模型和近地电流 崩塌模型，分析近地通量堆积区的波动特征以及粒子加速过程、分析爆发性整体 流的能量传输效率、调查亚暴电流楔的大小以及出现的区域、建立磁尾场向电流 和电离层电流体系之间的联系、系统分析亚暴过程中的偶极化锋面动力学，包括: 偶极化锋面处电子尺度的电流体系、偶极化锋面处电子尺度的电场结构、偶极化 锋面处的能量耗散、偶极化锋面处的电子加速过程、偶极化锋面处的波粒相互作 用过程。这些研究将会帮助我们建立亚暴和空间环境之间的联系、以及亚暴和能 量输运之间的联系，对全面理解空间环境(尤其是暴时空间环境)提供有力支持。
(c) 磁重联
我们将利用 FOTE 方法寻找 MMS 卫星在磁层顶测量到的磁重联事件，分析非 对称磁重联中的粒子加速和能量转换过程，建立新的电子加速模型，同时分析冷 粒子对磁重联的影响;利用 FOTE 方法寻找 MMS 卫星在磁鞘内测量到的磁重联事 件(即湍动等离子体中的磁重联)，分析湍动强度和重联发生率之间的关系，以 及重联对当地粒子加热和能量串激的影响;利用 FOTE 方法寻找 MMS 卫星在磁尾 测量到的磁重联事件，分析高β重联中的湍动(即磁重联引起的湍动)，调查湍 动发生的具体位置以及与磁零点之间的关系;分析磁尾重联中的电子加速和能量 转换过程，分析高能电子和磁场拓扑结构(如 X 线和 O 线)之间的关系，解释为什 么有的磁重联事件中可以观测到大量高能电子，而有的事件中却没有;分析磁重 联和偶极化锋面的关系，在磁层顶重联事件中寻找锋面结构，确定锋面是否为磁 重联的特有产物，调查锋面处的粒子加速过程，定量对比锋面和磁重联对高能电 子的加速效率;定量对比磁重联加速粒子的效率和辐射带加速粒子的效率，解释 为什么磁重联加速粒子的效率可以比辐射带高出这么多(通常情况下辐射带加速 粒子需要 1 天以上的时间，而磁重联加速粒子只需要 1 分钟左右的时间)。这些问题的解决可以帮助我们理解磁重联是如何产生高能粒子这一过程的，对理解和量化暴时空间环境提供帮助。
(3) 电离层动力学及其对空间环境的影响
重点研究电离层-大气层耦合问题，也就是着重研究电离层对源于中低层大 气的大气波动的响应特性。我们计划通过联合分析电离层与大气层的观测数据来 分析大气非迁移潮汐-电离层经度变化耦合过程，特别把关注重点集中在中间层 和低热层(mesosphere and lower thermosphere，简称 MLT)区。中间层和低 热层 MLT 区通常指约 70 ~120 km 高度范围的区域，限于该区域观测技术的不足， 该层大气的观测研究明显滞后于电离层与高层大气(热层)。在 MLT 区域，从低 层大气传播来的大气波动控制了这个区域的动力学过程，并把能量、动量从低高 度的大气层传输到高高度的电离层，它在大气层/电离层耦合中发挥了决定性作 用。其中，大气太阳潮汐是 MLT 区域最重要波动之一，它主要反映在全球大气的 温度、密度和风场(纬向风、经向风)等参量上，包含以太阳日为周期、以纬圈 为波长的波动及其谐波分量。在大气耗散可忽略的高度范围内，大气潮汐的强度 会随高度指数增长，并在 MLT 区达到最大(开始耗散)，并实际上控制了 MLT 区 域的大气状态。大气潮汐主要分为迁移潮汐和非迁移潮汐。其中，非迁移潮汐是 大气潮汐的重要组成部分，其纬向波数与频率不相等，沿纬圈传播的相速度与地 球自转速度也不相等。与迁移潮汐不同，非迁移潮汐可沿纬圈向西或向东传播。 大量观测和模拟工作证实，非迁移潮汐对 MLT 区动力和电动力学过程有着重要影 响，并与电离层和大气层的经度变化密切相关。
我们的具体研究内容包括两部分。(a)研究非迁移潮汐成分的变化性研究 的形成机制:基于不同类型的大气层观测数据(如低层大气的大气再分析数据、 中层大气的卫星遥感观测数据)，提取高时空分辨率(时间分辨率达到 1 天级) 的非迁移潮汐数据。基于 Chapman 经典潮汐理论对高分辨率的非迁移潮汐成分进 行 Hough 模分解，求得各种潮汐在不同高度(特别是 MLT 高度)的主导波模，以及各阶 Hough 模的完整高度剖面。(b) 明确非迁移潮汐成分中与电离层/大气层 经度结构之间的传播耦合过程:结合电离层、中层大气(如 MLT 区)、低层大气 的高时间分辨率(一天分辨率)非迁移潮汐数据与电离层四波结构观测数据进行 相关性分析，探求出大气非迁移潮汐从低层大气经过 MLT 区域到对电离层四波结 构的传播过程影响，特别是对于电离层天气变化(如电离层经度结构的逐日变化 性)的影响，研究非迁移潮汐与电离层/大气层经度变化之间的耦合过程。