科研动态｜空间中心科研人员提出一种基于U-Net模型进行三维行星际太阳风内边界重建新方法

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准确确定太阳风参数对日地空间环境研究具有重要的意义。传统获取太阳风参数的方法依赖于日冕与行星际磁流体动力学（MHD）模型的耦合，而后者需要前者在0.1 AU处的运算结果作为内边界条件后再进行传播计算，该过程计算量大、耗时长，难以满足实时的空间天气预报需求。为此，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室（以下简称“天气室”）沈芳研究员团队与比利时荷语鲁汶大学Stefaan Poedts教授团队合作，引入了机器学习技术，实现太阳风参数在0.1AU处的快速重建与预测，为高效、实时的空间天气预报提供新思路。

研究提出了一种基于U型卷积神经网络（U-Net）神经网络的太阳风参数快速生成方法。模型以全球日震观测网络—美国光球磁通量同化传输模型（GONG–ADAPT）光球磁图为输入，以基于通用面向对象流体动力学框架的非结构网格日冕磁流体力学模型（COCONUT MHD）模型的输出结果为学习目标，通过训练实现0.1 AU处太阳风径向速度、数密度和径向磁场的直接预测。训练完成后，模型能够在单次运行中输出完整球面的太阳风参数分布，并有效捕捉其在卡林顿自转周期内的时序演化特征。

图1 所用U-Net模型架构

模型在测试集上取得了高精度的重建结果：径向速度、数密度和径向磁场的相关系数分别达到0.992、0.987和0.991；推导的阿尔文（Alfvén）速度与动压的相关性分别达到0.996和0.769。模型不仅准确再现了关键太阳风参数的空间分布，还成功捕捉了其随时间变化的动态演化规律。

图2 模型重建的太阳风参数与MHD模型结果的比较

在计算效率方面，单次预测在仅使用CPU时耗时约7.8秒，在GPU（1 GPU + 10 CPU核）环境下仅需0.065秒，较传统COCONUT MHD模拟分别提升约15倍和1800倍。该成果显著提高了太阳风模型的运算效率，为实现近实时太阳风预报与大规模日球建模提供了可行的技术路径。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、空间中心攀登计划等项目的联合资助。相关论文已发表于国际SCI期刊The Astrophysical Journal Supplemental Series上，第一作者是天气室博士研究生李雨淙，通讯作者为天气室沈芳研究员与比利时荷语鲁汶大学Stefaan Poedts教授。

文章链接：

https://doi.org/10.3847/1538-4365/ae13a2

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