利用磁流体力学特征模拟从光球到日冕的等离子体 I:数据驱动边界条件

我们基于特征线法发展了信息如何通过磁流体力学(MHD)系统传播的一般描述,并据此构造了与 MHD 方程本质一致的数值边界条件(BCs)。我们的公式包含对太阳模拟的两项主要进展。首先,我们推导出数据驱动的 BCs,可最优匹配由边界(如太阳光球)观测时间序列推断出的等离子体状态。其次,我们的方法直接处理观测中的随机噪声和系统偏差,并找到严格符合 MHD 且与观测最大一致的边界演化解。我们针对一个膨胀球马克的 Ground Truth (GT) 模拟验证了该方法。在高时间分辨率驱动时,数据驱动模拟能高保真地重现光球上方的 GT 模拟。随着驱动时间分辨率降低,误差逐渐增大,直至达到某一阈值分辨率,驱动模拟不再能准确重现 GT 模拟。然而,即便驱动解在驱动层偏离真实解,我们的特征线形式 BCs 仍要求边界演化遵循 MHD 方程。这种不断增大的偏离清晰地指示出何时需要边界处的额外信息以完整确定系统的正确演化。即使下边界某些变量的演化信息完全缺失,该方法仍可行,尽管保真度进一步下降。