利用NARX神经网络由IMF与太阳风预测暴时SYM_H指数_蔡磊.pdfVIP

中国科学: 技术科学 2010 年 第40 卷 第1 期: 77 ~ 84 SCIENCE CHINA PRESS 论 文 利用NARX神经网络由IMF与太阳风预测暴时 SYM-H指数 * 蔡磊, 马淑英 , 蔡红涛, 周云良, 刘若思 武汉大学电子信息学院空间物理系, 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室, 武汉 430079 * E-mail: syma@ 收稿日期: 2008-12-13; 接受日期: 2009-06-24 教育部博士学科点专项科研基金(批准号: 200804860012)资助项目 摘要 SYM-H 是一个重要的空间天气指数, 它与Dst 指数相似, 是磁暴强度的表征, 但SYM-H 关键词 具有更高的时间分辨率. 本文发展了一种具有输出时延反馈的非线性自回归神经网络 磁暴 (NARX)预测模式, 由太阳风和IMF 参数预测暴时SYM-H 指数的变化. 与BP 网络和Elman SYM-H 指数 空间天气 网络相比, 预测效果显著改善. 用15 个强磁暴(含5 个Minimal SYM-H −200 nT 的超强磁暴) 模式预测 进行检验, 预测与实测SYM-H 指数的相关系数总体达到0.91; 对于5 个超强磁暴, 相关系数最 人工神经网络 低为0.91, 相应的磁暴为2001 年3 月最小SYM-H 达−434 nT 的磁暴, 对两个SYM-H 小于−300 nT 的磁暴预测相关系数分别达 0.93 和 0.96. 在 NARX 网络中将适当长度(约 120 min)的 SYM-H 指数输出, 反馈给网络外部输入, 即输入中包含环电流内部准实时与历史状态信息, 是使模式预测能力在已有基础上得以大大提高的关键; 说明除了行星际的直接驱动之外, 环 电流自身状态对磁暴的发展变化, 特别是对于恢复相过程有重要作用, 在利用神经网络对环 电流指数进行预测时必须恰当地加以考虑. 1 引言 磁暴各方面、全过程的认识才有了突破性的新进展. 比如, 发现太阳活动高年的强磁暴主要起源于太阳 磁暴是一个古老的话题, 19 世纪初德国探险家 日冕物质抛射(CMEs)[3,4]; 激波引导的高速太阳风压 Humboldt[1] 最先使用磁雷暴(magnetic thunderstorm) 缩磁层, 引起磁暴初相; 到达地球轨道的太阳风携带 一词来描述与极光发生相关联的磁针的变化. 20 世 的行星际磁场指向对磁暴的发生起关键性的控制作 纪30 年代, Chapman 和Ferraro[2]对磁暴机制进行了 用; 持续足够长时间(几个小时) 的较强南向行星际磁 早期的开创性研究, 提出来自太阳的带电粒子会围 场, 使巨大的太阳风能量通过向阳侧磁重联进人磁 绕地球发生漂移, 产生环绕地球的强大电流, 引起地 层, 强的行星际电场可穿透进入地球空间, 增强的对 球表面地磁场水平强度的下降而形成磁暴. 流电场使注入环电流的离子数目及其能量大大增加, 半个多世纪以来磁暴一直是日地空间物理的中 环电流极大增强, 从而导致全球中低纬地面地磁场 心话题之一, 但只是到20 世纪90 年代以后, 人