The geospace environment is volatile and highly driven. Space weather has effects on Earth's magnetosphere that cause a dynamic and enigmatic response in the thermosphere, particularly on the evolution of neutral mass density. Many models exist that use space weather drivers to produce a density response, but these models are typically computationally expensive or inaccurate for certain space weather conditions. In response, this work aims to employ a probabilistic machine learning (ML) method to create an efficient surrogate for the Thermosphere Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model (TIE-GCM), a physics-based thermosphere model. Our method leverages principal component analysis to reduce the dimensionality of TIE-GCM and recurrent neural networks to model the dynamic behavior of the thermosphere much quicker than the numerical model. The newly developed reduced order probabilistic emulator (ROPE) uses Long-Short Term Memory neural networks to perform time-series forecasting in the reduced state and provide distributions for future density. We show that across the available data, TIE-GCM ROPE has similar error to previous linear approaches while improving storm-time modeling. We also conduct a satellite propagation study for the significant November 2003 storm which shows that TIE-GCM ROPE can capture the position resulting from TIE-GCM density with < 5 km bias. Simultaneously, linear approaches provide point estimates that can result in biases of 7 - 18 km.


翻译:空间气象对地球磁层有影响,在热大气层中引起动态和诱变反应,特别是中性质量密度的演进。许多模型都使用空间气象驱动因素来产生密度反应,但这些模型通常在计算上成本昂贵或不准确,对某些空间天气条件而言,是计算成本高或不准确的。作为回应,这项工作旨在使用一种概率机器学习(ML)方法,为热大气层电动动力总循环模型(TIE-GCM)创造一个高效的代谢,该模型是物理学的热层模型。我们的方法利用主要组成部分分析来减少热层大气动力驱动器和经常神经网络的维度,以模拟热层动力反应,比数字模型快得多。新开发的测序动性振荡性模拟模拟器(ROPE)使用长期短期记忆神经网络,在减少的状态下进行时间序列预测,并为未来密度提供分布。我们显示,在现有的数据中,TIE-GCM ROPE 18 和经常性神经网络网络网络网络都利用主要组成部分进行类似的分析,因此,在11月的暴时将进行重大的直线性研究。

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