空间中心科研人员揭示火星附近流相互作用区演变特性

从20世纪70年代开始，通过航天器的观测，在了解内日球层流相互作用区（SIRs）的形成和初始动态演化方面获得了重大进展。然而，人们对1 天文单位（AU）以上流相互作用区的演化知之甚少。作为空间天气的驱动因素，火星轨道附近的流相互作用区的动态发展是一个活跃的研究领域，研究火星流相互作用区原位观测的特征对于了解火星大气层和电离层的演变至关重要。

数据同化是一种以自洽的方式将数据合并到模型中提高模型准确性的技术，其目的是使用所有可用的信息尽可能准确地确定真实物理过程，在物理模型基础上加入时空不规则分布的观测数据，通过同化过程将观测值与物理模型相融合，达到模型与观测数据相匹配得出更精确的分析结果的目的。在稀疏观测和异步采集的情况下，数据同化能够对模型变量进行自洽分析，提高模型的预测能力，在数值预报中引入数据同化方法，可以在初始条件等方面改进模型，也可以捕获原始模型无法重现的过程，使模型预测的系统演变更接近真实的系统演变，提高预测可信度。在之前的工作中，中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气重点实验室(以下简称“天气室”)沈芳研究员团队尝试将数据同化应用到行星际背景太阳风三维磁流体力学（MHD）数值模拟中，利用三维MHD数值模型和OMNI数据库近地观测数据重建了0.1到1AU范围内的太阳风参数分布（Zhang et al., Space Weather, 2023）。

近日，空间中心天气室张晗可博士（第一作者）、沈芳研究员（通讯作者）、杨易副研究员等与深空探测实验室迟雨田博士、中国科学技术大学地空学院申成龙教授合作，以OMNI数据库为边界条件输入源，GONG磁图作为日冕磁场模型的驱动数据，利用三维磁流体力学（MHD）方程组模拟了火星附近的 SIRs（图1）。并将卡尔曼滤波数据同化方法应用到行星际背景太阳风三维MHD数值模拟中，利用MAVEN上的磁力计和太阳风离子分析仪测量火星周围磁场的强度和方向、密度、温度、速度和动压以及天问一号上的火星轨道磁力计仪器探测到的火星周围的磁场数据，结合MAVEN和天问一号的多点观测研究2021年11月15日至2021年12月18日期间观测到的三个SIR事件（分别记为SIR1、SIR2和SIR3）。

科研人员利用太阳风数值模型生成了Model 1模拟和Model 2同化两种不同的结果，比较了火星附近SIRs参数的模拟、同化与观测结果（图2为SIR1的对比）。对三个SIR事件的研究表明，模型2的流界面（SI）时间比模型1的更接近观测，SIRs的起止时间也比模型1更接近观测。从统计分析结果可知，模型2的均方根误差比模型1的有所减少，相关系数比模型1的有所增加。研究表明，数据同化可以对SIRs的模拟起到调制作用，使模拟值更接近观测值。

对火星附近SIRs的模拟和同化中可以看到，将卡尔曼滤波方法与三维MHD数值模型相结合，可以校正比观测提前捕获到SIRs结构的模拟值，使SIRs结构的起止时间以及SI的时间更接近观测值。这是首次对MAVEN和天问一号联合观测到的流相互作用区事件进行模拟，表明了该磁流体力学模型结合数据同化方法之后有效提升了在大尺度行星际空间模拟的准确性。

该项研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中国科学院B类先导专项等项目的联合资助，已发表在国际期刊The Astrophysical Journal上。

图1 CR2251行星际背景太阳风的速度（左）和密度（右）分布图

图2 SIR1事件的观测(MAVEN黑色，天问-1红色)、模型1(黄色)和模型2(蓝色)参数对比。其中黑色、黄色和蓝色垂直虚线分别表示由观测、模型1和模型2得到的SIR起止时间。与SIR相同颜色的竖线表示对应的SI时间。

论文链接：

1. Hanke Zhang, Fang Shen*, Yi Yang, Yutian Chi, Chenlong Shen, and Xinyi Tao, Magnetohydrodynamic Modeling of Background Solar Wind near Mars: Comparison with MAVEN and Tianwen-1, 2024, The Astrophysical Journal, 971, 151.  https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad5969.

2. Zhang, H., Shen, F.*, & Yang, Y. (2023). Research on the effect of data assimilation for three-dimensional MHD simulation of solar wind. Space Weather, 21, e2023SW003429. https://doi.org/10.1029/2023SW003429

（供稿：天气室）