太陽(yáng)風(fēng)的二維數(shù)值模擬技術(shù)方法綜述

張超超

摘 要：日球子午面內(nèi)的二維模型廣泛運(yùn)用于定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)的數(shù)值模擬研究。我們最近將多步隱格式用于日球子午面內(nèi)太陽(yáng)風(fēng)的二維數(shù)值模擬，以阿爾文波作為主要的供能機(jī)制，據(jù)此獲得的定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)解較好地?cái)M合了Ulysses和SoHo飛船的有關(guān)觀測(cè)結(jié)果。本文將就數(shù)值模擬中所取得的新結(jié)果和采取的計(jì)算技巧進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)風(fēng)日球子午面；二維數(shù)值模擬

太陽(yáng)，作為太陽(yáng)系的中心天體，直接影響地球上的環(huán)境和生命。太陽(yáng)表面劇烈的爆發(fā)活動(dòng)，如太陽(yáng)耀斑，日珥爆發(fā)，日冕物質(zhì)拋射等，當(dāng)其到達(dá)地球附近的時(shí)候，強(qiáng)烈的影響地球空間環(huán)境，進(jìn)而引發(fā)強(qiáng)地磁暴、損害地球軌道飛行器、傷害宇航員并威脅電力和通訊系統(tǒng)的安全運(yùn)行等馮學(xué)尚等特別是近二、三十年來(lái)航天和通信等空間技術(shù)的快速發(fā)展使得太陽(yáng)與地球之間的空間環(huán)境，即日地環(huán)境，越來(lái)越受到人們的普遍重視。為此，一些國(guó)家相繼發(fā)射與之相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，如SOHO，Ulysses等。這些衛(wèi)星相互補(bǔ)充，在近日空間、行星際空間、和地球附近等進(jìn)行了大量有效的觀測(cè)。同時(shí)地面儀器也提供了很多寶貴的觀測(cè)。這些觀測(cè)手段和觀測(cè)方法相互補(bǔ)充，顯著地提高和豐富了人們對(duì)整個(gè)日地空間中復(fù)雜物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)和理解。然而，大量的觀測(cè)也揭示了一些理論過(guò)于簡(jiǎn)單，而不能解釋新的觀測(cè)現(xiàn)象。因此，過(guò)去的幾十年出現(xiàn)了許多有關(guān)日地空間物理方面的理論和觀測(cè)工作。在這里將采用日球子午面內(nèi)的二維模型廣泛運(yùn)用于定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)的數(shù)值模擬研究，我們將結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)風(fēng)的研究，由于篇幅限制不能全部引述，而只是介紹與論文相關(guān)的理論和觀測(cè)結(jié)果。

一、太陽(yáng)風(fēng)正演模擬方法研究

本文采用一種新的格式時(shí)間空間守恒格式已經(jīng)被用于模擬磁重聯(lián)的現(xiàn)象，同時(shí)也被成功用于背景太陽(yáng)風(fēng)和擾動(dòng)事件的模擬。如上面所述，算法有許多不同于傳統(tǒng)算法的特征。并且算法又是內(nèi)在的多維格式，很容易實(shí)現(xiàn)并行化。因此也非常適合大尺度問(wèn)題的模擬。關(guān)于算法的細(xì)節(jié)，我們不再熬述，感興趣的讀者可以看上面提到的文章及其參考文章。在這里，算法將被用于片網(wǎng)格上以解上面所提到的控制方程。

二、研究結(jié)果綜述

所取得的新結(jié)果包括：①在太陽(yáng)活動(dòng)低年，高速流不僅來(lái)自極區(qū)冕洞，也來(lái)自冕洞之外的日面開(kāi)場(chǎng)區(qū)。②低速流源區(qū)位于冕流外部附近的日面開(kāi)場(chǎng)區(qū)，該處流管的非單調(diào)膨脹導(dǎo)致波壓和氣壓梯度力的變?nèi)跎踔练刺?hào)，使得低速流出現(xiàn)非單調(diào)流速剖面的。③聲速臨界線在低速流區(qū)出現(xiàn)扭折，說(shuō)明沿低速流流管出現(xiàn)了3個(gè)聲速點(diǎn)；而這一結(jié)果與低速流的非單調(diào)流速剖面密切相關(guān)。④阿爾文臨界線在低速流區(qū)向外突出，與以往得到的阿爾文臨界線向下穿過(guò)冕流頂部的模擬結(jié)果恰好相反，但與低速流區(qū)阿爾文數(shù)低于高速流區(qū)的觀測(cè)結(jié)果保持一致。⑤引入方位磁場(chǎng)和方位流動(dòng)，對(duì)日球子午面內(nèi)的太陽(yáng)風(fēng)特性兒乎沒(méi)有影響。因此，在分析日球子午面內(nèi)二維定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)及行星際擾動(dòng)傳播問(wèn)題時(shí)，可忽略方位分量，采用二維二分量模型。⑥觀測(cè)表明，行星際磁場(chǎng)比Parker預(yù)言的螺旋場(chǎng)纏得更緊，即磁場(chǎng)與徑向的夾角更大；我們指出，這一緊纏可能來(lái)自日面的同向方位磁場(chǎng)擾動(dòng)，太陽(yáng)較差自轉(zhuǎn)為這類擾動(dòng)提供了源頭。

三、正演實(shí)驗(yàn)過(guò)程注意的問(wèn)題

在進(jìn)行日球子午面內(nèi)定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)的二維數(shù)值模擬過(guò)程中，應(yīng)著重注意以下問(wèn)題：①數(shù)值格式應(yīng)當(dāng)具有最低的數(shù)值耗散，以確保定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)的質(zhì)量、能量和角動(dòng)量守恒，從而使得定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)解具有實(shí)際意義。我們將討論如何改進(jìn)原來(lái)的具較強(qiáng)數(shù)值耗散的多步隱格式，使得數(shù)值耗散降至最低，從而改善定態(tài)太陽(yáng)風(fēng)解的守恒精度。②日球電流片在地球軌道附近的寬度不到10km，折合緯寬不到0.0004”，遠(yuǎn)小于緯向計(jì)算網(wǎng)格寬度。因此，在太陽(yáng)風(fēng)的全球模擬中，宜將日球電流片處理為理想間斷，而不是將其耗散為有限緯寬的過(guò)渡層，否則將使得橫跨電流片的低速流解出現(xiàn)非物理畸變。③跨越日球電流片的數(shù)值重聯(lián)使得太陽(yáng)風(fēng)解圍繞某準(zhǔn)定態(tài)振蕩，這一定程度上降低了低速流區(qū)的計(jì)算精度我們將介紹一種特別舉措，使這類振蕩顯著減弱，大大改善低速流區(qū)的計(jì)算精度。

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（作者單位：成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院）