地磁暴是空间天气中危害最大的现象之一，Dst指数作为衡量地磁暴强度的核心指标，其准确预报对于电网、卫星导航等基础设施的安全运行至关重要。随着全球磁层磁流体力学（GMHD）模型在空间天气业务化应用的开展，相关的Dst指数预报逐步得到应用和发展。与现有经验预报方法相比，GMHD模型能够模拟磁层大尺度电流系统，基于太阳风观测数据的边界输入，理论上模型能够从物理上描述Dst指数的发展变化过程。然而，受限于MHD理论，GMHD模型尚无法对环电流粒子漂移过程进行物理描述，因此实际模拟得到的环电流数值偏小且物理意义不完善。因此如何在现有GMHD框架下进行更为真实的Dst数值模拟，是目前该领域面临的挑战。一种可行的方法是GMHD与环电流内磁层模型耦合，提供基于物理的Dst演化图像，但由于涉及到不同的物理模型框架，互相耦合存在一定的技术实现困难。
    那么如何更为简单高效地在GMHD框架内实现Dst指数的有效数值模拟？ 为此，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全国重点实验室王赤院士团队的郭孝城研究员、乐嘉文博士等人，以GMHD大尺度模拟电流体系为基础，结合经验环电流模式开展混合电流体系的Dst数值模拟研究，提出了一种新型半经验Dst指数预报框架。该框架将自主发展的全球磁层模型与四种经典经验环电流模型（Burton、UCB、AK2、Wang）分别结合，形成了四种半经验模型。其核心思路是分工协作：MHD模型负责模拟磁层顶电流、尾电流等全局电流系统，而经验模型仅提供环电流部分的贡献。
    研究团队选取了2021年至2024年间18场地磁暴事件进行系统评估，包括中等、强和超强三类磁暴。结果发现，所有半经验模型均能显著提升与观测的时间相关系数，即更准确地复现磁暴的演化过程。但在幅度预测的准确性上，最优模型的选择随磁暴强度发生系统性变化：对于中等磁暴，MHD+Burton模型表现最佳；而对于超强磁暴，MHD+Burton模型表现不佳，而MHD+Wang模型能够提供最可靠的预报。图1以一场极端超强磁暴为例，直观展示了这一分化。

图1：2024年5月10日极端超强磁暴的预报对比

    这些差异的物理根源在于环电流衰减时间的刻画方式。Burton模型采用恒定衰减时间，在中等磁暴中“简单即高效”；而Wang模型引入了动态压力依赖的衰减时间，在极端条件下能够真实反映磁层压缩导致的环电流快速损失，因此成为超强磁暴预报的可靠选择。图2从统计角度汇总了所有事件的平均表现，进一步印证了这一规律。

图2：经验模型和半经验模型在不同强度磁暴下的平均预测效率和相关系数

    本研究为业务化预报提供了清晰的强度自适应策略：中等磁暴建议使用MHD+Burton，当太阳风显示极端驱动时应切换至MHD+Wang。该框架计算效率高，具备良好的业务化落地前景。
    该研究成果发表于国际学术期刊Space Weather。论文第一作者为空间中心博士研究生乐嘉文，通讯作者为郭孝城研究员。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划及空间中心“攀登计划”等联合支持。

来源：国家空间科学中心