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全日面机器学习耀斑业务预报

李铭 崔延美 罗冰显

李铭, 崔延美, 罗冰显. 全日面机器学习耀斑业务预报[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 82-90. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021
引用本文: 李铭, 崔延美, 罗冰显. 全日面机器学习耀斑业务预报[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 82-90. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021
LI Ming, CUI Yanmei, LUO Bingxian. Machine Learning Solar Full Disk Flare Operational Forecasting (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 82-90 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021
Citation: LI Ming, CUI Yanmei, LUO Bingxian. Machine Learning Solar Full Disk Flare Operational Forecasting (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 82-90 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021

全日面机器学习耀斑业务预报

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0021 cstr: 32142.14.cjss.2024-0021
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(XDB0560000), 国家自然科学基金项目(42074224)和中国科学院国家空间科学中心“攀登计划”项目共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 李铭 男, 1997年5月出生于河北省张家口市, 现为中国科学院国家空间科学中心特别研究助理, 主要研究方向为深度学习在太阳爆发预报建模中的应用. E-mail: liming01@nssc.ac.cn
    通讯作者:
    • 崔延美 女, 1980年1月出生于山东省德州市, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 硕士生导师, 主要研究方向为空间环境预报、空间灾害性天气事件建模与预报等. E-mail: ymcui@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: P353

Machine Learning Solar Full Disk Flare Operational Forecasting

  • 摘要: 太阳耀斑预报是空间环境预报中的一项重要内容. 目前所构建的深度学习耀斑预报模型大都是基于活动区磁图构建的. 受到投影效应的影响, 这类模型仅能对太阳中心区域的活动区进行预报, 难以满足全日面耀斑业务预报的需求. 基于太阳活动传统参量, 研究统计了活动区磁类型、面积, 耀斑爆发历史以及F10.7与耀斑发生的关系, 利用全连接神经网络构建了适用于全日面活动区的太阳耀斑业务预报模型, 该模型可以预报未来48 h内活动区≥M级耀斑的爆发情况. 该模型与已往搭建的深度学习预报模型进行比较, 结果表明本文建立的业务预报模型预报性能略优. 同时, 结果表明投影效应对本研究搭建的耀斑预报模型影响不大. 该模型为耀斑业务预报提供了有效工具.

     

  • 图  1  考虑耀斑爆发历史的活动区磁类型与耀斑爆发的统计关系

    Figure  1.  Statistical relationship considering the history of flare eruptions between the magnetic types of active regions and flares

    图  2  活动区面积与耀斑爆发的统计关系

    Figure  2.  Statistical relationship between the area of Active Regions (ARs) and flares

    图  3  F10.7指数与耀斑爆发的统计关系

    Figure  3.  Statistical relationship between F10.7 index and flares

    图  4  全连接神经网络结构. 该网络由输入层、隐藏层和输出层组成. $ {x}_{1} $~$ {x}_{3} $表示网络的三个输入参量, $ {a}_{1} $~$ {a}_{64} $表示神经网络隐藏层中的64个神经元, $ {y}_{1} $和$ {y}_{2} $表示网络的两个输出

    Figure  4.  Structure of fully connected neural network. The network consists of input, hidden and output layers. x1x3 denote the three input parameters of the network, $ {a}_{1} $~$ {a}_{64} $ denote the 64 neurons in the hidden layer of the neural network, and $ {y}_{1} $ and $ {y}_{2} $ denote the two outputs of the network

    图  5  不同权重下模型的F1分数

    Figure  5.  F1 score of the model under different class weights

    图  6  训练过程中模型的损失函数变化情况

    Figure  6.  Loss function variation of the model during training

    表  1  考虑耀斑爆发历史后的活动区磁类型与耀斑爆发的统计关系

    Table  1.   Statistical relationship between the magnetic types of active regions and flares considering the history of flare eruptions

    磁类型过去24 h内未
    爆发≥M级耀斑
    过去24 h内
    爆发≥M级耀斑
    总样本数耀斑样本数耀斑发生率总样本数耀斑样本数耀斑发生率
    α102751120.01093880.2105
    β190087430.0391281740.2633
    γ (γ, β-γ)25594720.18443571800.5042
    δ (δ, δ-γ, β-γ-δ, β-δ)7913160.39953752740.7307
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    表  2  活动区面积与耀斑爆发的统计关系

    Table  2.   Statistical relationship between the area of active regions and flares

    面积/MH总样本数耀斑样本数耀斑发生率
    0~100219793680.0167
    100~30083977880.0938
    300~60023545530.2349
    600~13008453780.4473
    ≥1300109920.8440
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    表  3  F10.7指数与耀斑爆发的统计关系

    Table  3.   Statistical relationship between F10.7 index and flares

    F10.7/sfu总样本数耀斑样本数耀斑发生率
    0~914386640.0146
    91~1692060212110.0588
    169~22168496400.0934
    ≥22118212640.1450
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    表  4  数据集分布情况

    Table  4.   Distribution of data sets

    训练集验证集测试集
    耀斑样本数1484350581
    非耀斑样本数2083653887752
    总样本数2232057388333
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    表  5  全连接神经网络超参数设置

    Table  5.   Hyperparameter settings for fully connected neural networks

    超参数名称设置值
    Epoch100
    隐藏层数量1
    隐藏层中神经元数量64
    优化算法Adam
    隐藏层激活函数Relu
    输出层激活函数Sigmoid
    损失函数二元交叉熵
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    表  6  全日面活动区预报模型的二分类混淆矩阵

    Table  6.   Binary confusion matrices for active region forecasting models of the full solar disk

    预测 观测
    235 ($ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}} $) 346 ($ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}} $)
    276 ($ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}} $) 7476 ($ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}} $)
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    表  7  评价指标及其对应得分

    Table  7.   Evaluation metrics and corresponding scores

    评价
    指标
    计算公式 预报
    模型
    F1
    分数
    $ \dfrac{2 P\times R}{P+R} $ 0.4304
    P $ \dfrac{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}} $ 0.4599
    R $ \dfrac{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}} $ 0.4045
    ACC $ \dfrac{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}+{N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}}} $ 0.9245
    CSI $ \dfrac{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}} $ 0.2472
    FAR $ \dfrac{{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}} $ 0.5401
    TSS $ \dfrac{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}}-\dfrac{{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}}{{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}}} $ 0.3689
    HSS $ \dfrac{2[\left({N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}\times {N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}}\right)-\left({N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}\times {N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}\right)]}{({N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}})({N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}}+{N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}})+({N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}})({N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}}+{N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}})} $ 0.3906
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    表  8  模型预报性能比较

    Table  8.   Comparison of model forecast performance

    指标 LO≤30° 30°<LO≤60° LO>60°
    $ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}} $ 93 88 54
    $ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}} $ 114 126 106
    $ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}} $ 138 96 42
    $ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}} $ 3122 2680 1674
    F1分数 0.4247 0.4422 0.4219
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    表  9  相同数据源模型预报性能比较

    Table  9.   Comparison of model forecast performance in the same data source

    指标 Fusion model 2 全日面活动区模型
    $ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{P}} $ 16 19
    $ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{P}} $ 32 40
    $ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{N}} $ 57 54
    $ {N}_{\mathrm{T}\mathrm{N}} $ 800 792
    F1分数 0.2645 0.2879
    P 0.3333 0.3220
    R 0.2192 0.2603
    ACC 0.9017 0.8961
    CSI 0.1524 0.1681
    FAR 0.6667 0.6780
    TSS 0.1807 0.2122
    HSS 0.2142 0.2325
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-05
  • 修回日期:  2024-09-03
  • 网络出版日期:  2024-11-12

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