太阳风的二维数值模拟技术方法综述

张超超

摘 要：日球子午面内的二维模型广泛运用于定态太阳风的数值模拟研究。我们最近将多步隐格式用于日球子午面内太阳风的二维数值模拟，以阿尔文波作为主要的供能机制，据此获得的定态太阳风解较好地拟合了Ulysses和SoHo飞船的有關观测结果。本文将就数值模拟中所取得的新结果和采取的计算技巧进行简要综述。

关键词：太阳风日球子午面；二维数值模拟

太阳，作为太阳系的中心天体，直接影响地球上的环境和生命。太阳表面剧烈的爆发活动，如太阳耀斑，日珥爆发，日冕物质抛射等，当其到达地球附近的时候，强烈的影响地球空间环境，进而引发强地磁暴、损害地球轨道飞行器、伤害宇航员并威胁电力和通讯系统的安全运行等冯学尚等特别是近二、三十年来航天和通信等空间技术的快速发展使得太阳与地球之间的空间环境，即日地环境，越来越受到人们的普遍重视。为此，一些国家相继发射与之相关的科学实验卫星和空间环境监测卫星，如SOHO，Ulysses等。这些卫星相互补充，在近日空间、行星际空间、和地球附近等进行了大量有效的观测。同时地面仪器也提供了很多宝贵的观测。这些观测手段和观测方法相互补充，显著地提高和丰富了人们对整个日地空间中复杂物理过程的认识和理解。然而，大量的观测也揭示了一些理论过于简单，而不能解释新的观测现象。因此，过去的几十年出现了许多有关日地空间物理方面的理论和观测工作。在这里将采用日球子午面内的二维模型广泛运用于定态太阳风的数值模拟研究，我们将结合观测数据进行太阳风的研究，由于篇幅限制不能全部引述，而只是介绍与论文相关的理论和观测结果。

一、太阳风正演模拟方法研究

本文采用一种新的格式时间空间守恒格式已经被用于模拟磁重联的现象，同时也被成功用于背景太阳风和扰动事件的模拟。如上面所述，算法有许多不同于传统算法的特征。并且算法又是内在的多维格式，很容易实现并行化。因此也非常适合大尺度问题的模拟。关于算法的细节，我们不再熬述，感兴趣的读者可以看上面提到的文章及其参考文章。在这里，算法将被用于片网格上以解上面所提到的控制方程。

二、研究结果综述

所取得的新结果包括：①在太阳活动低年，高速流不仅来自极区冕洞，也来自冕洞之外的日面开场区。②低速流源区位于冕流外部附近的日面开场区，该处流管的非单调膨胀导致波压和气压梯度力的变弱甚至反号，使得低速流出现非单调流速剖面的。③声速临界线在低速流区出现扭折，说明沿低速流流管出现了3个声速点；而这一结果与低速流的非单调流速剖面密切相关。④阿尔文临界线在低速流区向外突出，与以往得到的阿尔文临界线向下穿过冕流顶部的模拟结果恰好相反，但与低速流区阿尔文数低于高速流区的观测结果保持一致。⑤引入方位磁场和方位流动，对日球子午面内的太阳风特性儿乎没有影响。因此，在分析日球子午面内二维定态太阳风及行星际扰动传播问题时，可忽略方位分量，采用二维二分量模型。⑥观测表明，行星际磁场比Parker预言的螺旋场缠得更紧，即磁场与径向的夹角更大；我们指出，这一紧缠可能来自日面的同向方位磁场扰动，太阳较差自转为这类扰动提供了源头。

三、正演实验过程注意的问题

在进行日球子午面内定态太阳风的二维数值模拟过程中，应着重注意以下问题：①数值格式应当具有最低的数值耗散，以确保定态太阳风的质量、能量和角动量守恒，从而使得定态太阳风解具有实际意义。我们将讨论如何改进原来的具较强数值耗散的多步隐格式，使得数值耗散降至最低，从而改善定态太阳风解的守恒精度。②日球电流片在地球轨道附近的宽度不到10km，折合纬宽不到0.0004”，远小于纬向计算网格宽度。因此，在太阳风的全球模拟中，宜将日球电流片处理为理想间断，而不是将其耗散为有限纬宽的过渡层，否则将使得横跨电流片的低速流解出现非物理畸变。③跨越日球电流片的数值重联使得太阳风解围绕某准定态振荡，这一定程度上降低了低速流区的计算精度我们将介绍一种特别举措，使这类振荡显著减弱，大大改善低速流区的计算精度。

参考文献：

[1]苑顺周.2011.地磁活动相 关 问 题 研 究[硕 士 论 文].南京：南京信息工程大学.

[2]Shen Z C， Kong W J， Feng W Q， Ding Y G， Liu Y M， Zheng H Q， Zhao X， Zhao C Q 2009 Acta Phys. Sin. 58 860 （in Chinese） [沈自才， 孔伟金， 冯伟泉， 丁义刚， 刘宇 明， 郑慧奇， 赵雪， 赵春晴 2009 物理学报 58 860]

（作者单位：成都理工大学地球物理学院）