自20世紀(jì)70年代以來(lái)，科學(xué)家通過(guò)航天器觀測(cè)在內(nèi)日球?qū)恿飨嗷プ饔脜^(qū)（SIRs）的形成和初始動(dòng)態(tài)演化研究方面取得了進(jìn)展，而對(duì)1天文單位（AU）以上流相互作用區(qū)的演化知之甚少。作為空間天氣的驅(qū)動(dòng)因素，火星軌道附近的流相互作用區(qū)的動(dòng)態(tài)發(fā)展是研究熱點(diǎn)。因此，探討火星流相互作用區(qū)原位觀測(cè)的特征，對(duì)于了解火星大氣層和電離層的演變至關(guān)重要。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士張晗可、研究員沈芳、副研究員楊易等，聯(lián)合深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室博士遲雨田、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地空學(xué)院教授申成龍，以O(shè)MNI數(shù)據(jù)庫(kù)為邊界條件輸入源，GONG磁圖作為日冕磁場(chǎng)模型的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，利用三維磁流體力學(xué)（MHD）方程組，模擬了火星附近的SIRs。進(jìn)一步，該研究將卡爾曼濾波數(shù)據(jù)同化方法應(yīng)用到行星際背景太陽(yáng)風(fēng)三維MHD數(shù)值模擬中，利用MAVEN上的磁力計(jì)和太陽(yáng)風(fēng)離子分析儀，測(cè)量火星周圍磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向、密度、溫度、速度和動(dòng)壓以及天問(wèn)一號(hào)火星軌道磁力計(jì)儀器探測(cè)到的火星周圍的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合MAVEN和天問(wèn)一號(hào)的多點(diǎn)觀測(cè)，研究2021年11月15日至2021年12月18日觀測(cè)到的三個(gè)SIR事件——SIR1、SIR2和SIR3。

科研人員利用太陽(yáng)風(fēng)數(shù)值模型生成了Model 1模擬和Model 2同化兩種結(jié)果，比較了火星附近SIRs參數(shù)的模擬、同化與觀測(cè)結(jié)果。對(duì)三個(gè)SIR事件的研究表明，模型2的流界面（SI）時(shí)間比模型1的更接近觀測(cè)，SIRs的起止時(shí)間比模型1更接近觀測(cè)。統(tǒng)計(jì)分析顯示，模型2的均方根誤差比模型1的有所減少，而相關(guān)系數(shù)比模型1的有所增加。研究表明，數(shù)據(jù)同化可以對(duì)SIRs的模擬起到調(diào)制作用，使模擬值更接近觀測(cè)值。

對(duì)火星附近SIRs的模擬和同化表明，將卡爾曼濾波方法與三維MHD數(shù)值模型相結(jié)合，可以校正觀測(cè)提前捕獲到SIRs結(jié)構(gòu)的模擬值，使SIRs結(jié)構(gòu)的起止時(shí)間以及SI的時(shí)間更接近觀測(cè)值。這是對(duì)MAVEN和天問(wèn)一號(hào)聯(lián)合觀測(cè)到的流相互作用區(qū)事件進(jìn)行模擬，表明該磁流體力學(xué)模型結(jié)合數(shù)據(jù)同化方法后提升了大尺度行星際空間模擬的準(zhǔn)確性。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》（The Astrophysical Journal）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）等的支持。

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CR2251行星際背景太陽(yáng)風(fēng)的速度（左）和密度（右）分布圖