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地磁暴是空間天氣中危害最大的現象之一，Dst指數作為衡量地磁暴強度的核心指標，其準確預報對于電網、衛星導航等基礎設施的安全運行至關重要。隨著全球磁層磁流體力學（GMHD）模型在空間天氣業務化應用的開展，相關的Dst指數預報逐步得到應用和發展。與現有經驗預報方法相比，GMHD模型能夠模擬磁層大尺度電流系統，基于太陽風觀測數據的邊界輸入，理論上模型能夠從物理上描述Dst指數的發展變化過程。然而，受限于MHD理論，GMHD模型尚無法對環電流粒子漂移過程進行物理描述，因此實際模擬得到的環電流數值偏小且物理意義不完善。因此如何在現有GMHD框架下進行更為真實的Dst數值模擬，是目前該領域面臨的挑戰。一種可行的方法是GMHD與環電流內磁層模型耦合，提供基于物理的Dst演化圖像，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術實現困難。
那么如何更為簡單高效地在GMHD框架內實現Dst指數的有效數值模擬？ 為此，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣全國重點實驗室王赤院士團隊的郭孝城研究員、樂嘉文博士等人，以GMHD大尺度模擬電流體系為基礎，結合經驗環電流模式開展混合電流體系的Dst數值模擬研究，提出了一種新型半經驗Dst指數預報框架。該框架將自主發展的全球磁層模型與四種經典經驗環電流模型（Burton、UCB、AK2、Wang）分別結合，形成了四種半經驗模型。其核心思路是分工協作：MHD模型負責模擬磁層頂電流、尾電流等全局電流系統，而經驗模型僅提供環電流部分的貢獻。
研究團隊選取了2021年至2024年間18場地磁暴事件進行系統評估，包括中等、強和超強三類磁暴。結果發現，所有半經驗模型均能顯著提升與觀測的時間相關系數，即更準確地復現磁暴的演化過程。但在幅度預測的準確性上，最優模型的選擇隨磁暴強度發生系統性變化：對于中等磁暴，MHD+Burton模型表現最佳；而對于超強磁暴，MHD+Burton模型表現不佳，而MHD+Wang模型能夠提供最可靠的預報。圖1以一場極端超強磁暴為例，直觀展示了這一分化。
圖1：2024年5月10日極端超強磁暴的預報對比
這些差異的物理根源在于環電流衰減時間的刻畫方式。Burton模型采用恒定衰減時間，在中等磁暴中“簡單即高效”；而Wang模型引入了動態壓力依賴的衰減時間，在極端條件下能夠真實反映磁層壓縮導致的環電流快速損失，因此成為超強磁暴預報的可靠選擇。圖2從統計角度匯總了所有事件的平均表現，進一步印證了這一規律。
圖2：經驗模型和半經驗模型在不同強度磁暴下的平均預測效率和相關系數
本研究為業務化預報提供了清晰的強度自適應策略：中等磁暴建議使用MHD+Burton，當太陽風顯示極端驅動時應切換至MHD+Wang。該框架計算效率高，具備良好的業務化落地前景。
該研究成果發表于國際學術期刊Space Weather。論文第一作者為空間中心博士研究生樂嘉文，通訊作者為郭孝城研究員。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃及空間中心“攀登計劃”等聯合支持。
論文信息：
Yue, J., Guo, X., Wang, Y., Guo, J., Zong, W., Mao, T., & Wang, C. (2026). A semi-empirical framework for Dst prediction based on global MHD simulation of Earth's magnetosphere. Space Weather, 24, e2025SW004743. https://doi.org/10.1029/2025SW004743
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