件
扰闪 动烁 指指 数数
发生级 别
发生时 间
发生时间 发生级别 持续时间
发生级 别
发生时 间
发生类型 发生级别 发生时间
短期预报 中期预报 长期预报
警报 短期预报 中期预报
现报 短期预报 中期预报
背行
景星
太 阳 风 模 式
际 磁 场 模 式
传 播 模 式
低
磁 场 模 式
能 粒 子 分 布 模
高 能 粒 子 模 式
nT
4 AE指数 5 Kp指数 6 Ap指数
E 1 hour K
3 hour A
1957.07.01 - 2017.04.30 1932.01.01 - 2017.04.30
nT
京都大学地磁数据中心
\
nT
7
磁层顶日下 点距离
R
1 min
1995.01.01 – 2017.05.07
国家空间科学中心
基于LSTM的高能电子暴预报研究
全 球 动 力 学 模 式
轨 道 大 气 密 度 模 式
物理模式、统计模式、混合模式 太
阳 风 速 度
行 星 际 磁 场
激 波 到 达 时 间
辐
全 球 磁 场 模 型
低 能 粒 子 分 布
高 能 电 子 分 布
射 带 电 子 与 质 子 分
粒 子 和 场 的 分 布
布
高精度Ne现报 TEC现报和预报
– 物理模式：
• 能够提供一系列变量的预测 • 预测结果大多不能满足业务预报对预测精度的要求
物理知识引导经验模式的发展；物理模式依赖于经验近似来描 述一些物理过程
统计模式
统计模式（经验模式）：
– 依据预报对象与预报因子之间的统计关系而建立的预报方 法
主要的统计分析技术：
– 成熟的数学方法：自回归、小波分析、时序叠加分析、滤 波技术、模糊分析、物理量场的平均、神经网络技术等
发生时间
长期预报
•观测数据 •分析技术
警报 短期预报 中期预报
现报 短期预报 中期预报
背行
景星
太 阳 风 模 式
际 磁 场 模 式
传 播 模 式
低
磁 场 模 式
能 粒 子 分 布 模
高 能 粒 子 模 式
辐 射 带 模 式
耦 合 模 式
式
区
域
或
全全
全
球球同 球
经理化
验论模 实
模模式 时
式式
解
算
模
式
全 球 经 验 模 式
射 带 电 子 与 质 子 分
粒 子 和 场 的 分 布
布
高精度Ne现报 TEC现报和预报
特
大 气 密 度 和 风 场
定 轨 道 大 气 密 度 预
报
基于LSTM的高能电子暴预报研究
线性滤波法
REFM
基于AE和Dst指数的预报模型
地
低能电子模型
磁
多元非线性拟合
暴
地磁脉动预报模型
预
报
径向扩散
径向扩散模型
特
大 气 密 度 和 风 场
定 轨 道 大 气 密 度 预
报
空间天气监测
卫星观测
太阳多光谱观测：DSCOVR：2015；STEREO A/B：2006；SDO：2010，SOHO：1996； 行星际磁场和太阳风：ACE：1997 近地空间磁场和粒子：GOES系列：1975
计算和存储条件
系统 存储系统
内涵：能够影响人类活动的变化的物质条件综合状态 外延：太阳表面、日地空间、地球磁层和高层大气
空间天气的影响
• 航天器计算机和内存系 统翻转和失效，太阳电 池损坏，航天辐射安全 威胁等
• 无线电干扰、信号闪烁、 导航系统中断等
• 电力故障，通信电缆毁 坏
空间天气预报研究
空间天气模式
空间天气事件预报
0.326935
0.954 0.906
0.347036
0.958 0.911
0.33783
0.949 0.897
0.364075
0.956 0.909
0.341444
0.923 0.828
0.469362
0.894 0.785
0.525070
r
0.968
2008-2010
PE
RMSE
0.933
0.344007
Deep Neural Network，DNN：深度神经网络 Recurrent Neural Network，RNN：递归神经网络 ——GRN，LSTM，Bi-RNN，... Convolutional Neural Network，CNN：卷积神经网络
BP网络
RNN
LSTM网络
深度学习对预报研究的促进作用
训练集：1998~2007，测试集：2008-2010年 输入：前五日的电子日积分通量，及其与地磁指数、太阳风参数、磁层顶日 下点距离等的组合；输出：未来24小时的电子日积分通量 各模型预测结果进行对比分析
Models FA
r
0.914
2008 PE
RMSE
0.816 0.386871
r
0.948
人工智能 机器学习
深度学习
➢图像数据 太阳活动观测数 据
➢时间序列数据 行星际太阳风、 磁场变化数据以 及近地空间环境 磁场和粒子探测 数据等
➢卷积神经网络 ➢递归神经网络
一、空间天气简介 二、空间天气预报研究 三、深度学习技术在空间天气预报中的
初步应用 四、未来设想
空间天气预报研究
空间天气模式
2009 PE
RMSE
0.897
0.313657
FDA 0.911 0.801 0.403001 0.945 0.890
0.323207
FVA 0.924 0.825 0.377415 0.941 0.886
0.329926
FAE
0.908 0.809 0.395119 0.938 0.874
0.345995
高 能 粒 子 模 式
辐 射 带 模 式
耦 合 模 式
式
区
域
或
全全
全
球球同 球
经理化
验论模 实
模模式 时
式式
解
算
模
式
全 球 经 验 模 式
全 球 动 力 学 模 式
轨 道 大 气 密 度 模 式
太 阳 风 速 度
行 星 际 磁 场
激 波 到 达 时 间
辐
全 球 磁 场 模 型
低 能 粒 子 分 布
高 能 电 子 分 布
辐 射 带 模 式
耦 合 模 式
式
区
域
或
全全
全
球球同 球
经理化
验论模 实
模模式 时
式式
解
算
模
式
全 球 经 验 模 式
全 球 动 力 学 模 式
轨 道 大 气 密 度 模 式
太 阳 风 速 度
行 星 际 磁 场
激 波 到 达 时 间
辐
全 球 磁 场 模 型
低 能 粒 子 分 布
高 能 电 子 分 布
射 带 电 子 与 质 子 分
空间天气指数预报
太阳活动
地磁活动
电离层
太阳风和行星际
空间天气参数预报
磁层
电离层
中性大气
TEC
SMI
CME
Kp AE Ap Dst F10.7
X
热
太 阳 射 线 耀 斑
太 阳 质 子 事 件
高 能 电 子 暴
地 磁 暴
等 离 子 体 注 入 事
磁 层 顶 穿 越 事 件
电 离 层 暴
太 阳 黑 子 相 对 数
高速运算 系统
配置简要
存储能力大于350TB
计算节点
IBM BladeCenter HS22 刀片服务器 118个 IBM IBM BladeCenter E 7U 刀片机箱 8个
管理服务器 IBM S System X3650 2U服务器1个
数据库服务器
IBM S System X3950 M2 4U服务器1个 IBM S System X3650 2U服务器1个
空间天气事件预报
空间天气指数预报
太阳活动
地磁活动
电离层
太阳风和行星际
空间天气参数预报
磁层
电离层
中性大气
TEC
SMI
CME
Kp AE Ap Dst F10.7
X
热
太 阳 射 线 耀 斑
太 阳 质 子 事 件
高 能 电 子 暴
地 磁 暴
等 离 子 体 注 入 事
磁 层 顶 穿 越 事 件
电 离 层 暴
太 阳 黑 子 相 对 数
物理模式：
物理模式
– 以电动力学、磁流体动力学 (Magneto Hydro Dynamics, MHD) 和运动学理论来描述空间天气事件中能量、动量、质量和磁 通量等物理量的传输
实现手段：
– 主要是数值模拟，也称为数值预报
从经验模式向物理模式过渡需要：
– 人们对日地空间事件的发展过程和物理规律有了清楚的了解 – 空间探测技术的发展为预报提供实时的监测数据
一、空间天气简介 二、空间天气预报研究 三、深度学习技术在空间天气预报中的
初步应用 四、未来设想
什么是空间天气？
空间天气是指太阳表面、日地空间和地球磁场、高层大气中能够影 响天地基技术系统性能与可靠性、危及人类健康与生命的变化物质 条件综合状况。 （NSWP Strategic Plan, June 2010)