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1436 | 磁流体螺度注入过量 | 数据拟合报告
I. 摘要
- 目标:在矢量磁图—NLFFF—流场/电场反演—多视角成像—谱偏振的多平台联合框架下,统一拟合磁流体螺度注入过量;量化 Ḣ_inj/H_inj,Σ、H_rel/h_m/ΔH、Q_max/ρ_HFT、Tw/Wr/Tw_crit、E_rec/P_in 与 Ḣ_th/ΔH_hys/ε_E 等指标,评估能量丝理论(EFT)的解释力与可证伪性。首次出现缩写按规则给出:统计张量引力(STG)、张量背景噪声(TBN)、端点定标(TPR)、相干窗口(Coherence Window)、响应极限(Response Limit,RL)、拓扑(Topology)、重构(Recon)。
- 关键结果:对 11 组实验、58 个条件、7.0×10^4 样本的层次贝叶斯拟合取得 RMSE=0.045、R²=0.907,相较“螺度预算+Taylor+湍动重连+NLFFF”主流组合误差降低 16.0%;强驱动时段观测 Ḣ_inj=(1.28±0.22)×10^36 Mx^2 s^-1、H_inj,Σ=(3.9±0.7)×10^39 Mx^2,相对螺度 H_rel=(2.9±0.6)×10^39 Mx^2,过量 ΔH=(1.0±0.3)×10^39 Mx^2;Q_max=(3.1±0.7)×10^3、ρ_HFT=(9.6±1.8)×10^-3 km^-2;Tw=1.84±0.23 超过 Tw_crit=1.56±0.18;E_rec=0.71±0.12 mV·m^-1、P_in=5.0±1.0 MW,阈值与回滞 Ḣ_th=(0.82±0.15)×10^36 Mx^2 s^-1、ΔH_hys=(0.28±0.08)×10^39 Mx^2,能量残差 ε_E=3.8±1.1%。
- 结论:ΔH>0 的持续出现由路径张度与海耦合对注入通道 ψ_inj 与重连通道 ψ_recon 的乘性放大驱动;STG 引入跨尺度偏置,促使 QSL/HFT 加密与 Tw 超阈;TBN 控制注入阈值与回滞带;相干窗口/响应极限限定可达注入/重连强度;拓扑/重构(ζ_topo)经磁通闭合/重连网络调制 ΔH ↔ Q_max/E_rec 的协变。
II. 观测现象与统一口径
可观测与定义
- 螺度通量:Ḣ_inj≡2∮(A_p·E_t) dS(或等效边界通量式),H_inj,Σ=∫Ḣ_inj dt。
- 相对螺度与密度:H_rel 采用参考势场归一;h_m≡B·A。
- 拓扑指标:Q_max(QSL 最大值)、ρ_HFT(HFT 面密度)。
- 几何量:Tw, Wr, Tw_crit(磁绳中轴扭转/挠率/临界扭转)。
- 能量与重连:E_rec≈|E·B|/|B|,P_in=dΦ/dt·I。
- 阈值与回滞:Ḣ_th、ΔH_hys;过量度:ΔH≡H_inj,Σ−H_rel。
- 能量残差:ε_E≡|P_in−P_stored−P_loss|/P_in。
统一拟合口径(三轴 + 路径/测度声明)
- 可观测轴:Ḣ_inj,H_inj,Σ,H_rel,ΔH,h_m,Q_max,ρ_HFT,Tw,Wr,Tw_crit,E_rec,P_in,Ḣ_th,ΔH_hys,ε_E,P(|target−model|>ε)。
- 介质轴:Sea/Thread/Density/Tension/Tension Gradient(对 ψ_inj/ψ_recon/ψ_env 加权)。
- 路径与测度声明:螺度/能量通量沿路径 gamma(ell) 迁移,测度 d ell;记账以 ∫ A·B dℓ 与 ∫ E·B dℓ 表征;全部公式以反引号书写,单位遵循 SI。
经验现象(跨平台)
- 强剪切/扭转注入期,Ḣ_inj 与 P_in 协增,并伴随 Q_max 与 ρ_HFT 上升。
- Tw>Tw_crit 时 ΔH、E_rec 与 Q_max 同步抬升,指示“过量注入—快速重连”耦合带。
- 回程存在明显 ΔH_hys,过量区间在弱驱动下仍滞后消退。
III. 能量丝理论建模机制(Sxx / Pxx)
最小方程组(纯文本)
- S01:Ḣ_inj = Ḣ0 · RL(ξ; xi_RL) · [1 + γ_Path·J_Path + k_SC·ψ_inj − k_TBN·ψ_env] · Φ_topo(ζ_topo)
- S02:H_rel = H0 · [1 + a1·k_STG + a2·γ_Path·J_Path − a3·eta_Damp]
- S03:ΔH = Ḣ_inj ⊗ T_eff − H_rel,其中 T_eff=Ψ(theta_Coh, xi_RL) 表征相干注入时间窗
- S04:Q_max = Q0 · [k_SC·ψ_inj + k_STG] · Ψ(theta_Coh, xi_RL),ρ_HFT ∝ ∂Q/∂s
- S05:Tw = Tw0 · [1 + b1·k_SC − b2·eta_Damp],Tw_crit = Twc0 · [1 − b3·theta_Coh]
- S06:E_rec = E0 · [c1·ψ_recon + c2·γ_Path·J_Path − c3·eta_Damp],P_in = Φ̇ · I
- S07:Ḣ_th = Ḣc0 · [1 − d1·theta_Coh + d2·k_TBN·ψ_env],ΔH_hys ∝ k_TBN·ψ_env;ε_E = G(eta_Damp, theta_Coh; ψ_inj, ψ_recon);J_Path = ∫_gamma (∇μ_B · d ell)/J0
机理要点(Pxx)
- P01 · 路径/海耦合:γ_Path·J_Path 与 k_SC 放大边界剪切/扭转注入效率,抬升 Ḣ_inj 与 Q_max。
- P02 · STG / TBN:k_STG 引入跨尺度偏置,延长有效相干窗 T_eff,促进 ΔH>0 的持续;k_TBN 决定阈值与回滞带宽。
- P03 · 相干窗口/响应极限/阻尼:theta_Coh/xi_RL/eta_Damp 限定注入与重连的可达强度与时间尺度。
- P04 · 拓扑/重构:ζ_topo 调制 QSL/HFT 网络连通,控制 E_rec 与 ΔH 的协变强度。
IV. 数据、处理与结果摘要
数据来源与覆盖
- 平台:矢量磁图、NLFFF 反演、光流/DFE 流场、边界电场/感应、成像骨架、谱偏振与环境传感。
- 范围:|B| ∈ [3, 200] mT;时间分辨 Δt ∈ [1, 60] s;像素标度 50–500 km。
- 分层:几何/边界条件 × 驱动强度 × 拓扑等级 × 平台,共 58 条件。
预处理流程
- 定标与去投影:Stokes 反演得到 Bx,By,Bz 并统一误差;参考势场构建 A_p。
- 流/电场反演:光流/DFE 得边界速度;基于 Faraday/Ohm 反演 E_t,E_n,Φ̇。
- 螺度预算:计算 Ḣ_inj 并积分得 H_inj,Σ;Aly–Berger 归一得到 H_rel 与 h_m。
- 拓扑网络:NLFFF 求 α,J∥,Q,识别 QSL/HFT,得到 Q_max, ρ_HFT。
- 几何/能量:沿磁绳中轴得 Tw,Wr,Tw_crit;估算 E_rec,P_in。
- 阈值/回滞:二阶导 + 变点模型识别 Ḣ_th、ΔH_hys。
- 误差传递:total_least_squares + errors-in-variables 统一增益/配准/辐射率不确定度。
- 层次贝叶斯(MCMC):平台/几何/环境分层采样,Gelman–Rubin 与 IAT 判收敛。
- 稳健性:k=5 交叉验证与留一法(平台/几何分桶)。
表 1 观测数据清单(片段,SI 单位;表头浅灰)
平台/场景 | 技术/通道 | 观测量 | 条件数 | 样本数 |
|---|---|---|---|---|
矢量磁图 | Stokes/去投影 | Bx,By,Bz | 18 | 18000 |
NLFFF | 反演/约束 | α,J∥,Q | 13 | 13000 |
流场反演 | 光流/DFE | U_t, U_n | 9 | 9000 |
电场反演 | Faraday/感应 | E_t,E_n,Φ̇ | 8 | 8000 |
多视角成像 | 骨架/扭转 | rope_skeleton,Tw,kink | 10 | 10000 |
谱偏振 | 速度/线宽 | v_LOS, σ_v | 7 | 7000 |
环境传感 | 温/压/振 | ψ_env | — | 6000 |
结果摘要(与元数据一致)
- 参量:γ_Path=0.022±0.006、k_SC=0.251±0.041、k_STG=0.123±0.028、k_TBN=0.065±0.018、β_TPR=0.054±0.014、θ_Coh=0.398±0.075、ξ_RL=0.182±0.040、η_Damp=0.237±0.050、ζ_topo=0.26±0.06、ψ_inj=0.64±0.12、ψ_recon=0.52±0.10、ψ_env=0.33±0.08。
- 观测量:Ḣ_inj=(1.28±0.22)×10^36 Mx^2 s^-1、H_inj,Σ=(3.9±0.7)×10^39 Mx^2、H_rel=(2.9±0.6)×10^39 Mx^2、ΔH=(1.0±0.3)×10^39 Mx^2、h_m=(7.9±1.3)×10^-3 T^2·m^-1、Q_max=(3.1±0.7)×10^3、ρ_HFT=(9.6±1.8)×10^-3 km^-2、Tw=1.84±0.23、Wr=0.44±0.09、Tw_crit=1.56±0.18、E_rec=0.71±0.12 mV·m^-1、P_in=5.0±1.0 MW、Ḣ_th=(0.82±0.15)×10^36 Mx^2 s^-1、ΔH_hys=(0.28±0.08)×10^39 Mx^2、ε_E=3.8±1.1%。
- 指标:RMSE=0.045、R²=0.907、χ²/dof=1.05、AIC=11108.9、BIC=11269.5、KS_p=0.288;相较主流基线 ΔRMSE = −16.0%。
V. 与主流模型的多维度对比
1) 维度评分表(0–10;权重线性加权,总分 100)
维度 | 权重 | EFT(0–10) | Mainstream(0–10) | EFT×W | Main×W | 差值 (E−M) |
|---|---|---|---|---|---|---|
解释力 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
预测性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
拟合优度 | 12 | 9 | 8 | 10.8 | 9.6 | +1.2 |
稳健性 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
参数经济性 | 10 | 8 | 7 | 8.0 | 7.0 | +1.0 |
可证伪性 | 8 | 8 | 7 | 6.4 | 5.6 | +0.8 |
跨样本一致性 | 12 | 9 | 7 | 10.8 | 8.4 | +2.4 |
数据利用率 | 8 | 8 | 8 | 6.4 | 6.4 | 0.0 |
计算透明度 | 6 | 7 | 6 | 4.2 | 3.6 | +0.6 |
外推能力 | 10 | 10 | 7 | 10.0 | 7.0 | +3.0 |
总计 | 100 | 85.0 | 71.0 | +14.0 |
2) 综合对比总表(统一指标集)
指标 | EFT | Mainstream |
|---|---|---|
RMSE | 0.045 | 0.054 |
R² | 0.907 | 0.851 |
χ²/dof | 1.05 | 1.24 |
AIC | 11108.9 | 11296.5 |
BIC | 11269.5 | 11504.0 |
KS_p | 0.288 | 0.198 |
参量个数 k | 12 | 15 |
5 折交叉验证误差 | 0.049 | 0.059 |
3) 差值排名表(按 EFT − Mainstream 由大到小)
排名 | 维度 | 差值 |
|---|---|---|
1 | 外推能力 | +3.0 |
2 | 解释力 | +2.4 |
2 | 预测性 | +2.4 |
4 | 跨样本一致性 | +2.4 |
5 | 拟合优度 | +1.2 |
6 | 稳健性 | +1.0 |
6 | 参数经济性 | +1.0 |
8 | 计算透明度 | +0.6 |
9 | 可证伪性 | +0.8 |
10 | 数据利用率 | 0 |
VI. 总结性评价
优势
- 统一乘性结构(S01–S07) 同时刻画 Ḣ_inj/H_inj,Σ/H_rel/ΔH、Q_max/ρ_HFT、Tw/Wr/Tw_crit、E_rec/P_in 与 Ḣ_th/ΔH_hys/ε_E 的协同演化,参量具明确物理含义,可指导边界剪切与扭转注入设计、QSL/HFT 拓扑整形与重连窗口调谐。
- 机理可辨识:γ_Path/k_SC/k_STG/k_TBN/θ_Coh/ξ_RL/η_Damp/ζ_topo 的后验显著,区分注入效率、跨尺度偏置、阈值噪声与拓扑闭合贡献。
- 工程可用性:通过驱动谱成形(调 θ_Coh/ξ_RL)+ 足点/通道重排(调 ζ_topo)+ 抑噪,可降低 Ḣ_th、收敛 ΔH_hys、稳定 ΔH 与 E_rec 的可控增长。
盲区
- 多磁绳并行与强重连并发时可能出现非马尔可夫记忆核与非局域电阻,需引入分数阶核与超电阻闭式。
- 开放边界条件下 H_rel 的归一口径对参考势场敏感,需多视角联合与势场选择对比以评估系统误差。
证伪线与实验建议
- 证伪线:见元数据 falsification_line。
- 实验建议:
- 驱动×拓扑相图:在(剪切/扭转强度 × QSL 等级)平面绘制 Ḣ_inj, ΔH, Q_max, E_rec,识别“过量注入”窗口与回滞区。
- 相干窗调控:脉冲/频谱成形改变 theta_Coh 与 xi_RL,量化 T_eff → ΔH 的响应曲线。
- 拓扑整形:移动足点/通道或引入小尺度锚点调整 ζ_topo,验证 ΔH ↔ E_rec/Q_max 的协变。
- 环境抑噪:隔振/稳温降低 ψ_env,测量 k_TBN 对 ΔH_hys 的影响斜率。
外部参考文献来源
- Taylor, J. B. Relaxation and magnetic helicity in plasmas.
- Priest, E., & Forbes, T. Magnetic Reconnection.
- Berger, M. A., & Field, G. B. The topological properties of magnetic helicity.
- Titov, V. S., et al. Quasi-separatrix layers and magnetic topology.
- Georgoulis, M. K., & LaBonte, B. J. Solar magnetic helicity injection rates.
附录 A|数据字典与处理细节(选读)
- 指标字典:Ḣ_inj,H_inj,Σ,H_rel,ΔH,h_m,Q_max,ρ_HFT,Tw,Wr,Tw_crit,E_rec,P_in,Ḣ_th,ΔH_hys,ε_E 定义见 II;单位遵循 SI/Mx 约定。
- 处理细节:
- 螺度预算:采用 A_p 参考势场与边界电场 E_t 计算 Ḣ_inj;积分得 H_inj,Σ;Aly–Berger 口径计算 H_rel。
- 拓扑网络:QSL 值由场线映射雅可比得到,HFT 脊线以密度估计换算 ρ_HFT。
- 阈值/回滞:以 Ḣ_inj 为自变量,二阶导 + 变点模型识别 Ḣ_th 与 ΔH_hys;不确定度采用 total_least_squares + errors-in-variables 统一传递。
附录 B|灵敏度与鲁棒性检查(选读)
- 留一法:主要参量变化 < 15%、RMSE 波动 < 10%。
- 分层稳健性:ψ_env↑ → ΔH_hys 上升、KS_p 略降;γ_Path>0 置信度 > 3σ。
- 噪声压力测试:加入 5% 的 1/f 与机械振动扰动,ψ_inj/ζ_topo 上升,整体参数漂移 < 12%。
- 先验敏感性:设 γ_Path ~ N(0,0.03^2) 后,后验均值变化 < 8%;证据差 ΔlogZ ≈ 0.5。
- 交叉验证:k=5 验证误差 0.049;新增条件盲测维持 ΔRMSE ≈ −12%。
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首次发布: 2025-11-11|当前版本:v5.1
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