SHINE: Understanding the Relationships of Photospheric Vector Magnetic Field Parameters in Solar Flare Occurrences using Graph-based Machine Learning Models

SHINE:使用基于图的机器学习模型了解太阳耀斑发生时光球矢量磁场参数的关系

基本信息

  • 批准号:
    2301397
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 43.77万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-06-01 至 2026-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This project advances interdisciplinary research connecting heliophysics and computer science. Solar observations from NASA and NOAA observatories will be used to train machine learning classifiers for creating a new solar flare prediction model. Solar flares are intense localized eruptions of electromagnetic radiation in the Sun’s atmosphere, and the prediction of solar flares is essential because of their potential hazardous impacts on today’s technology-driven society. The project supports an early-career faculty member and will encourage underrepresented minority students to explore data science and space weather research through the Native American Summer Mentorship Program at Utah State University (USU). Two graduate students and one undergraduate student will be supported and the PI will offer a distance learning course for rural students within the USU system.This research leverages the rich connectivity information of graph data for flare prediction from multivariate time series (MVTS)-represented solar active region data. The research will be centered around two science questions. (1) How to leverage the time series similarities of the magnetic field parameters for the prediction of flares? (2) What are the most important magnetic field parameters (and their time series similarities) that maximally distinguish multiple flare classes? In Task 1, the team will transform MVTS instances to parameter graphs, where the nodes denote the magnetic field parameters, and edges denote the univariate time series similarities of the node pairs. Novel graph neural network (GNN) models will be designed that can achieve better flare prediction performance on a benchmark MVTS dataset. In Task 2, features will be extracted from the parameter graphs at node-level, edge-level, and subgraph-level, and ranked by the most important graph features. In Task 3, the team will model the MVTS dataset as a single graph, where nodes will denote AR temporal segments and edges will denote MVTS similarities of the node pairs. Unsupervised clustering will be applied with community detection algorithms to find the magnetically homogeneous active region temporal segments, and clustering-based features will be used to support flare prediction.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该项目推进了连接热物理和计算机科学的跨学科研究。来自NASA和NOAA观察结果的太阳观测将用于训练机器学习分类器,以创建新的太阳耀斑预测模型。太阳耀斑是太阳大气中电磁辐射的强烈局部喷发,太阳耀斑的预测是必不可少的,因为它们对当今技术驱动的社会产生了潜在的危险影响。该项目支持一名早期职业教师,并将鼓励代表性不足的少数民族学生通过犹他州立大学(USU)的美国原住民夏季指导计划探索数据科学和太空天气研究。将支持两名研究生和一名本科生,PI将为USU系统中的粗糙学生提供远程学习课程。这项研究利用了图形数据的丰富连通性信息,用于从多元时间序列(MVTS)代表的太阳能活动区域数据中进行的耀斑预测。这项研究将围绕两个科学问题。 (1)如何利用磁场参数的时间序列相似性来预测耀斑? (2)最大程度地区分多个耀斑类别的最重要的磁场参数(及其时间序列相似性)是什么?在任务1中,团队将将MVTS实例转换为参数图,该节点表示磁场参数,边缘表示节点对的单变量时间序列相似性。将设计新型的图形中性网络(GNN)模型,可以在基准MVTS数据集上实现更好的耀斑预测性能。在任务2中,将从节点级,边缘级别和子图级的参数图中提取功能,并按照最重要的图形特征进行排名。在任务3中,团队将将MVT数据集建模为单个图形,节点将表示AR临时段,边缘将表示节点对的MVTS相似性。无监督的聚类将与社区检测算法一起应用,以找到磁性的均质活跃区域临时段,基于聚类的功能将用于支持Flare预测。该奖项反映了NSF的法定任务,并通过使用该基金会的知识分子优点和广泛的影响来评估NSF的法定任务,并被视为诚实的支持。

项目成果

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