空间等离子体模拟

课程编码：070802M05002H 英文名称：Numerical Simulation of the Space Plasma 课时：43 学分：2.50 课程属性：专业普及课 主讲教师：沈芳等

本课程为空间物理学专业研究生的专业课。本课程内容主要覆盖太阳和日球层的磁流体（MHD）模拟、高能粒子和宇宙线的加速-传输-扩散过程模拟，深入剖析各类模拟方法的数值格式和求解方法，详细阐述如何通过构建物理模型和数值求解来定量研究日冕磁场外推、太阳风定态流动、太阳风暴扰动传播、空间高能粒子的传播和扩散、激波加速等科学问题。通过本课程的学习，掌握空间等离子体数值模拟的理论基础，并将其应用到空间天气建模的具体研究工作中。要求学习本课程的研究生已经具备电动力学、空间等离子体物理以及磁流体力学方面的知识。

电动力学、空间等离子体物理、磁流体力学

第一章 绪论 2学时 沈芳
第1节 空间等离子体物理问题举例
第2节 数值模拟的发展
第3节 空间等离子体模拟的分类
第4节 MHD数值模拟简介
第二章 差分格式的构成和定性分析 3学时 沈芳
第1节 解域，解域离散，网格
第2节 有限差分法概述
第3节 空间导数的差分一般方法
第4节 差分格式的构成和分类
第三章 偏微分方程的差分格式 4学时 沈芳
第1节 偏微分方程的类型及单一方程的差分格式
第2节 守恒型方程组的单步显格式
第3节 守恒型方程组的多步显格式
第4节 人为耗散和通量改正
第5节 高分辨率格式及隐格式
第四章 初始条件与边界条件 2学时 沈芳
第1节 初始条件
第2节 边界条件
第五章 代数方程的数值求解 2学时 沈芳
第1节 追赶法
第2节 迭代法
第3节 傅立叶(Fourier)变换方法
第4节 循环约化法
第六章 太阳大气的磁流体力学波动 8学时 熊明
第1节 理想MHD线性波模
第2节 磁结构化太阳大气的波动传播：磁界面上的表面波
第3节 磁结构化太阳大气的波动传播：磁片所承载的腊肠模和扭折模
第4节 日冕磁片所支持的驻立扭曲与腊肠模：流动效应
第5节 太阳大气中低频波动的冕震学和磁震学应用
第七章 稳态太阳风跨音速流动 3学时 熊明
第1节 帕克等温太阳风模型的迭代数值求解和Lambert函数求解
第2节 太阳风阿尔芬脉动控制方程的数学推导和数值求解
第3节 沿赤道面轴对称平面流动的太阳风MHD数值解
第八章 日冕磁场的三维反演算法 4学时 熊明
第1节 太阳大气磁能的理论解析计算
第2节 基于光球时序磁图的全日面磁流输运模型
第3节 以全日面光球概图为初边值条件的三维日冕磁场外推算法
第4节 基于光球磁场观测数据驱动的太阳风暴MHD数值建模
第九章 磁流体力学 Riemann 问题的数值求解 3学时 郭孝城
第1节 Riemann问题基本概念及积分关系
第2节 Roe、HLL类和特征线方法黎曼算子
第3节 磁场散度问题及数值模拟实例
第十章 等离子体粒子模拟的基本方法和理论 3学时 郭孝城
第1节 粒子云的概念、重影效应及格式设置
第2节 粒子云受力的重影效应
第3节 粒子模拟实例
第4节 粒子-流体混合模拟
第十一章 宇宙线扩散系数的计算模拟 3学时 郭孝城
第1节 宇宙线基础及理论描述
第2节 扩散系数理论及计算
第3节 扩散系数数值模拟实例
第十二章 宇宙线传输方程的随机和差分求解 3学时 郭孝城
第1节 Markov 随机过程
第2节 宇宙线传输方程的随机数值求解
第3节 Krylov子空间迭代方法及其在传输方程中的应用
第4节 宇宙线理论描述
第5节 扩散系数理论
第6节 数值模拟实例
第7节 宇宙线传输方程的导出
第十三章 期末考试 3学时 沈芳
第1节 期末考试

1. 首席教授：沈芳，女，出生于1977年12月，理学博士，研究员，博士生导师。2015年入选国家“万人计划”青年拔尖人才。2017年入选“中国科学院特聘研究员”计划特聘骨干人才。近期在APJ、GRL、JGR等期刊发表论文40余篇，其中第一/通讯作者SCI论文20余篇。2013年，第一作者文章以封面文章的形式发表在《美国地球物理快报》(Geophysical Research Letters)上并被选为美国地球物理学会(AGU)亮点工作。指导过5名博士研究生，2名硕士研究生。
教育背景：2004年6月毕业于北京大学力学与工程科学系，获博士学位；1999年6月毕业于北京大学力学与工程科学系，获学士学位。
工作背景：2014年8月至今，中国科学院大学首批岗位教授；2012年2月-8月，美国阿拉巴马大学亨兹维尔分校，访问学者；2004年6月至今，供职于中科院空间中心。
研究领域：
主要工作集中在“灾害性空间天气事件的日冕/行星际过程与建模研究”领域。先后主持五项国家自然科学基金面上项目和一项青年基金，并作为骨干成员先后参加两项973项目。
2. 主讲教师：熊明，中科院国家空间科学中心研究员。于2002年和2007年先后获中国科技大学的学士和博士学位，此后工作和访问于英国威尔士大学、澳大利亚蒙纳什大学。现为国家子午工程II期行星际闪烁IPS射电望远镜的设备负责人。研究领域是日冕物质抛射和空间天气学，当前研究方向是IPS湍流物理和射电技术、日冕和行星际的光学成像、磁流体力学数值模拟。先后主持国家自然科学基金项目3项、中科院先导专项卫星背景型号1项。在ApJ、JGR、Solar Phys.等国际期刊上发表论文20余篇。
3. 主讲教师：郭孝城，郭孝城，男，1978年10月生
学习简历：
1996.09-2001.07，中国科学技术大学本科；
2001.09-2006.07，中国科学技术大学研究生；
工作经历：
2006.08-2008.08，中国科学院空间科学与应用研究中心博士后；
2008.09-2010.12，中国科学院空间科学与应用研究中心副研究员；
2011.01-2013.01，美国阿拉巴马大学Huntsville分校助理研究员；
2013.02-2016.01，美国阿拉巴马大学Huntsville分校副研究员；
2016.02 - 现在，中国科学院国家空间科学中心，研究员
研究领域包括磁层全球MHD数值模拟，日球层全球MHD 数值模拟，宇宙线在日球层内的调制和传输。多年来在这些领域做出突出成就，已在国外 SCI 核心刊物上发表论文 30 余篇，并被多次引用。已主持国家自然科学基金面上项目三项和青年基金一项，美国宇航局ROSES研究基金一项。