2018, Vol. 61
2. 南京信息工程大学物理与光电工程学院, 南京 210044;
3. 国家空间天气监测预警中心, 中国气象局, 北京 100081
2. School of Physics and Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
3. Key Laboratory of Space Weather, National Center for Space Weather, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China
在空间天气研究领域，太阳高能粒子(Solar Energetic Particle, SEP)事件由于常导致极端辐射灾害而越来越受重视.在许多大的SEP事件中，粒子能量可被加速到~GeV/nuc.现有研究普遍认为SEP事件主要是由太阳耀斑(solar flare)和日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)驱动的激波产生的；粒子在太阳附近得到加速后沿开放磁力线传播到行星际.太阳耀斑产生的SEP事件被称为脉冲型事件，CME激波产生的则被称为缓变型事件(Reames, 1995, 1999).缓变型SEP事件通常强度大且持续时间长而备受关注.
通常，大SEP事件总有快速CME爆发与之相关，但并不是所有快速CME都能产生大SEP事件.Kahler等基于GOES和ACE卫星观测的研究表明，SEP事件中的粒子最高能量和通量峰值与激波速度正相关，但数据点比较离散(Kahler, 1996).Kahler等研究还表明加速区域的背景能量粒子的强度是决定SEP事件产生的另一个关键因素(Kahler et al., 2000).这些背景能量粒子被称为种子粒子(seed population)，可以来自太阳耀斑(Mason et al., 1999)或之前CME爆发的遗留物质(Gopalswamy et al., 2004; Li et al., 2012; Ding et al., 2013).
Gopalswamy等通过对SEP事件(在>10 MeV通道的强度大于10pfu)的研究表明，高能粒子事件的强度与先行CME(preceding CME)具有强相关性，并按有无先行CME对事件进行分类，可很好地降低相关分析中数据的离散程度(Gopalswamy et al., 2004).此研究中先行CME选取的时间间隔为24 h，角宽度大于60°.数值模拟研究显示，CME激波前扰动水平的提高能更高效地加速粒子到更高能量(Li et al., 2003, 2005).基于此，Li等人提出了产生GLE事件的twin-CME模型(Li et al., 2012).此模型中先行CME与主CME(main CME)来自同一个或相邻的活动区，主CME激波扫过先行CME激波扰动区域；先行CME在主CME激波上游提供增强的扰动和更多的种子粒子，因此主CME激波能产生更高效的粒子加速.此研究中先行CME选择标准为：(a)先行CME速度>300 km·s-1；(b)先行CME必须在主CME爆发前9 h内爆发，保证所产生的扰动在主CME激波到来之前不至于衰减掉；(c)模型中对先行CME的宽度没有特殊要求，但要求先行CME与主CME的传播区域有一定的重叠，即主CME能扫过先行CME产生的扰动增强区.
基于twin-CME模型，Ding等基于SOHO卫星日冕观测统计分析了第23太阳活动周126个源区在西半球的快速CME(CME>900 km·s-1)及其先行CME的伴随情况，结果表明twin-CME产生SEP事件的几率明显高于single-CME(即9 h内无先行CME)，且single-CME类SEP事件强度与CME速度、耀斑等级等相关性明显高于twin-CME事件(Ding et al., 2013).此后，Ding等又以这126个事件为样本，统计得出辨别先行CME的时间阈值可选在11~13 h之间(Ding et al., 2014a).但是，以上研究中twin-CME的识别只利用SOHO单卫星的CME观测，由于CME观测存在投影效应，基于单一视角CME观测对twin-CME的识别存在一定程度的不确定性或误判.此外，SEP事件通量峰值对卫星、源区之间的相对位置关系有很强的依赖性(Richardson et al., 2014)，基于单一卫星SEP观测，某些事件可能会因为SEP局地观测峰值强度小于判断阈值(如 < 10pfu)而被遗漏.
在STEREO卫星发射之后，为太阳爆发和1AU行星际等离子体的多经度视角观测提供了有利条件.Shen等人利用SOHO、STEREO多卫星联合观测，分析了2012年5月17日的GLE(Ground Level Enhancement)事件中CME爆发情况，发现此事件中存在两个从同一源区相继爆发的CME，时间间隔仅3 min，活动区磁场中性线呈弯曲状(Shen et al., 2013a).董丽花等人采用类似的方法分析了2012年1月24日的SEP事件，同样发现此事件与两个连续爆发的CME相关，源区中性线同样呈L形弯曲状(董丽花等, 2014).Ding等人利用多卫星联合观测分析了2013年5月22日SEP事件，发现CME相互作用对SEP事件的产生具有重要影响.他们的结果显示，高能粒子的释放时间与主CME刚好扫过先行CME后沿的时间、DH波段II型射电暴增强时间基本一致(Ding et al., 2014b).
相比单卫星观测而言，多卫星多视角联合观测能很好地确定CME之间的空间位置关系，准确识别twin-CME事件，减少由投影效应而产生的误判；也能减少大SEP事件的判断遗漏.本文将采用SOHO、STEREO-A、STEREO-B三视角日冕观测和1AU行星际观测，对2007年1月—2014年9月之间速度>900 km·s-1、角宽>60°的169个快速CME事件进行统计分析，分析单一视角识别twin-CME事件的误判率，并比较在研究twin-CME与SEP关系中基于多视角观测的统计结果与单一视角的异同.
1 数据处理本文中，我们采用多卫星联合观测资料，高能粒子数据来源于SOHO/COSTEP EPHIN(Müller-Mellin et al., 1995)、STEREO-A(B)/HET(von Rosenvinge et al., 2008), CME观测数据来源于SOHO/LASCO C2、C3(Brueckner et al., 1995)、STEREO-A(B)/SECCHI COR1、COR2(Howard et al., 2008), 日面观测来源于SDO/AIA(Boerner et al., 2012)、STEREO-A(B)/SECCHI EUVI.研究中twin-CME事件中主CME的参数主要来自CDAW数据库(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/).当CME源区位置在日面中心附近且速度较慢(如 < 900 km·s-1)时，CME速度的投影效应才比较明显(Temmer et al., 2009; Shen et al., 2013b).本文中选择的快速CME几乎全部>900 km·s-1，作统计研究时速度投影效应可以不用修正(Shen et al., 2013b)，仍采用天空平面投影速度.耀斑信息取自CDAW、LMSAL(http://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html)和SolarMonitor.org(https://solarmonitor.org/)网站.识别CME、耀斑、源区的对应关系，我们采用人工观看在线视频(SOHO、STEREO、SDO等)的方法进行甄别.
对twin-CME事件的判断，我们继续采用Li等(2012)和Ding等(2013)中的标准，找出2007年1月至2014年9月间所有快速CME(速度大于900 km·s-1，角宽大于60°)及其爆发前24 h内的所有先行CME.然后，再对先行CME进行真伪筛选.通过观看SOHO、STEREO-A(B)的CME视频进行辨别，判断先行CME的真伪(真：从三个视角观测两个CME具有重叠传播区域；伪：一个视角观测两个CME存在重叠区域，而三视角中只要有一个视角观测到两个CME传播区域无重叠，即两个CME在空间上无重叠区域而只是某一视角投影效果为twin-CME).图 1显示了一个典型事例的三视角“CME对”观测：仅从STEREO-B/COR2(图 1a)或SOHO/LASCO C2(图 1b)单一视角观测判断，图中的两个CME传播区域有重叠，可判定为一个twin-CME事件；而从STEREO-A/COR2(图 1c)观测来看，这两个CME一个向左(地球方向)，而另一个向右(背离地球方向)，这两个CME在传播路径上没有任何重叠，也就是说这两个CME在空间上传播区域无重叠，显然不符合twin-CME的判断标准.因此，这个“CME对”就为“伪twin-CME”事件.先行CME物理参数主要来自三个CME数据库：CDAW，SEEDS (spaceweather.gmu.edu/SEEDS/lasco.php)，CACTus (http://sidc.oma.be/cactus/).如果一个CME同时在三个数据库中都存在，我们优先选择CDAW数据库中的信息.需要说明的是，同一个CME在三个不同的数据库中的速度、位置和角宽略有差异，这跟数据库各自的判别方法有关.
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图 1 典型的伪twin-CME事例 Fig. 1 An example of typical pseudo twin-CME |
太阳高能粒子事件的确定我们参考NOAA的标准：GOES卫星>10 MeV通道的粒子通量峰值强度>10pfu(1pfu=1proton/(cm2·s·sr)).由于该定义中GOES卫星>10 MeV通道为积分通量，而SOHO、STEREO高能粒子观测为微分通量.为了得到GOES积分通量与SOHO微分通量之间的统计对应关系，我们将2007—2014年32个SEP事件中GOES>10 MeV通量峰值与对应SOHO/EPHIN 25~53 MeV质子通量峰值进行比较，如图 2a所示，GOES>10 MeV峰值通量(x)与SOHO/EPHIN 25~53 MeV峰值通量(y)，满足ln(y)=0.9509ln(x)－5.5798，相关系数为0.903.为了得到大SEP事件的最低判断标准，我们将拟合直线向下平移至所有数据点的下限(虚线所示)，此线刚好表现为数据的下包络线.根据拟合结果，GOES>10 MeV，10pfu对应的SOHO/EPHIN 25~53 MeV通量数值为0.01，我们将此值作为判断SOHO/EPHIN 25~53 MeV大SEP事件的通量判断标准.需要说明的是，由于以上标准采用取下限的方法，所以以此标准判断出的SEP事件有可能达不到大事件(GOES>10 MeV，峰值>10pfu)的标准，但不会漏掉大SEP事件.
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图 2 (a) 2007—2014年32个SEP事件GOES>10 MeV峰值通量和EPHIN 23~53 MeV峰值通量散点图.实线是数据的拟合线，其下方虚线为拟合线平移至下包络的直线; (b) 2006年12月期间EPHIN23~53 MeV通量与STEREO-A/HET 23.8~60 MeV通量对比, 实线是数据的拟合线; (c) 2006年12月期间STEREO-A、B/HET 23.8~60 MeV通量(MeV·s·cm2sr)-1对比, 实线是数据的拟合线; (d)修正后EPHIN 25~53 MeV、HET 23.8~60 MeV通量-时间廓线，红虚线是STEREO-A，蓝色点划线是STEREO-B，绿线是SOHO/EPHIN Fig. 2 Calibration for large SEP events on SOHO/EPHIN and unification of three spacecraft SOHO, STEREO-A(B). (a) Scatter plot on peak flux of SOHO/EPHIN 23~53 MeV and STEREO-A/HET 23.8~60 MeV; the solid line is the fitting line of data, and the dash line is the lower limit of the data; (b) Plot of SOHO/EPHIN 23~53 MeV and STEREO-A/HET 23.8~60 MeV proton peak flux within Dec. 2006; (c) The same plot of STEREO-A and B HET as panel (b); (d) Plot of calibrated flux of EPHIN, HET; the red dash line represents STEREO-A, the blue dot-dash line represents STEREO-B, and the green solid line represents SOHO/EPHIN. |
我们采用类似(Richardson et al., 2014)文中方法来修正SOHO/EPHIN 25~53 MeV和STEREO/HET 23.8~60 MeV高能粒子观测的仪器差异.在STEREO卫星发射初期，STEREO-A(B)、SOHO三颗卫星位置比较接近，我们假设三颗星之间距离相比于日地距离可以忽略不计.2006年12月05日至2006年12月18日间包含两个SEP事件，我们利用这段时间内的SOHO/EPHIN 25~53 MeV和STEREO/HET 23.8~60 MeV质子数据进行校正统一.图 2b中，EPHIN 25~53 MeV通量(x)和STEREO-A/HET 23.8~60 MeV通量(y)满足ln(y)=1.0206ln(x)+0.1305关系，相关系数是0.9579.STEREO-A/HET 23.5~60 MeV通量约为SOHO/EPHIN 25~53 MeV通量的1.14倍.图 2c中，STEREO-B/HET 23.8~60 MeV通量(x)和STEREO-A/HET 23.8~60 MeV通量(y)满足ln(y)=1.0233ln(x)+0.1707，相关系数为0.9760，STEREO-A和B的HET高能质子通量基本相同.由此我们将EPHIN通量乘以1.14来修正到与HET仪器相同水平.修正后的各仪器数据如图 2d，三个仪器数据基本一致.对于修正后的EPHIN和STEREO/HET观测中SEP事件的判断依据相应采用0.0114 ((cm2·s·sr·MeV)－1).并且，在判断SEP事件时，规定SOHO、STEREO-A(B)当中只要有一颗卫星通量超过此阈值就被确定为一个大SEP事件.
基于上述要求，本文一共筛选出169个快速CME，其中65个CME产生了大SEP事件.
2 统计结果 2.1 时间阈值分析基于三视角联合观测识别的twin-CME事件，分析了主CME前不同时间间隔内(即判别先行CME的时间阈值)先行CME伴随情况，并显示了twin-CME与single CME几种比例关系的变化.左列为真twin-CME与真single CME分别被每颗卫星观测到的数量统计结果，红色方形代表STEREO-A观测事件，蓝色三角代表STEREO-B观测事件，绿色圆点代表SOHO观测事件.右列为对地正面太阳源区的事件(可被SOHO观测到)、三视角联合观测的全部事件(即所有真twin-CME)统计结果，绿色圆点代表正面事件，黑色三角代表三视角联合观测事件.
图 3(a, e)为twin-CME事件占所有CME事件的比例，可以看出随着时间间隔增长，twin-CME比例不断增长，15个小时之后基本不变.这表明，时间阈值选得越长，主CME扫过其他先前爆发CME传播区域的可能性就越大，就越有可能被辨别为twin-CME事件.SOHO观测到twin-CME事件比例较STEREO高.这与我们主要依据SOHO观测选择样本、STEREO观测验证的研究方法有关；也就是说SOHO观测到的部分小的或弱的先行CME在STEREO中没有被探测到.SOHO观测到的twin-CME事件与源区正面事件、三视角联合观测事件三种情况下的twin-CME发生比例基本差不多.可以看出，仅考虑正面事件时，总事件数减少，twin-CME也相应减少，但相对比例无明显变化.也就是说，Ding等(2013, 2014a)分析中仅选择源区正面事件对于统计结果的影响不大.
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图 3 不同事件比例随时间阈值的变化 左列红色方形代表STEREO-A观测事件，蓝色三角代表STEREO-B观测事件，绿色圆点代表SOHO观测事件.右列绿色圆点代表SOHO观测到的正面事件，黑色三角代表三颗卫星联合观测的事件. (a, e)所有CME事件中twin-CME的比例; (b, f) twin-CME产生SEP的比例; (c, g)所有SEP事件中twin-CME所占的比例; (d, h) single-CME不产生SEP的比例. Fig. 3 Different ratio as a function of Δt that the preceding CME prior to the main CME In the left panels, the red square represents event observed by STEREO-A, the blue triangle represents event observed by STEREO-B, the green dot represents event observed by SOHO. In the right panels, the green dot represents frontside event observed by SOHO, the black triangle represents event observed from three views. (a, e) Ratio of twin-CMEs to all CMEs; (b, f) Ratio of twin-CMEs generating SEPs to all twin-CMEs; (c, g) Ratio of SEPs associated with twin-CMEs to all SEPs; (d, h) Ratio of single- CMEs without SEPs to all single-CMEs. |
图 3(b, f)为twin-CME产生SEP事件的比例，可以看到在1~6个小时时间间隔内，twin-CME是否产生SEP比例变化较大，这可能与小间隔内twin-CME数量较少而引起相对比例变化幅度较大有关.在7~24 h间隔内，twin-CME产生SEP事件的比例基本趋于稳定，各卫星单独观测及三视角联合观测、正面事件等情况都在9~13 h间呈现明显的比例下降(阴影部分).13 h之后，twin-CME产生SEP比例基本不变.6 h之后，三颗卫星各比例之间的差异，我们认为与SEP事件观测的有效观测经度范围有关，即同一个SEP事件不一定同时被三颗星探测到，而twin-CME数目不同卫星观测差异不大.值得注意的是，9~13 h内正面事件发生率在0.4左右，小于Ding等(2014a)中的0.6.我们认为可能是由于2010年以后SOHO/LASCO时间分辨率提高约一倍，人为造成小的或慢的CME发生率增加而使得CME发生率比第23太阳活动周高的假象(Wang and Colaninno, 2014).由于先行CME大多数是小的或慢的CME，这使得twin-CME的发生率比第23太阳活动周看上去要高，而实际大CME的发生率还是跟太阳周活动强弱相关的.而SEP事件个数也与太阳活动周的强弱相关(Le et al., 2014)，所以第24太阳活动周twin-CME产生SEP事件的比例看上去要比第23太阳活动周低一些.
图 3(c, g)为所有SEP事件中twin-CME产生的SEP事件所占的比例.结果显示，随着时间间隔增长，SEP事件中twin-CME产生的SEP所占的比例增大.这主要是因为时间间隔增加，twin-CME事件数会增加.但可以看出，STEREO-A(B)、正面事件和三视角联合观测事件均在9 h之后变化明显变缓，在16个小时之后比例几乎无明显变化.这表明，9 h以后，先行CME在SEP事件中所起的作用明显降低.
图 3(d, h)为single-CME不产生SEP的比例.可以看到，随着时间间隔增长，single-CME不产生SEP事件比例增大，并且在16个小时之后基本无变化.9 h以后，比例变化明显变慢.
Li等(2012)依据扰动衰减尺度分析得到9 h间隔；后来，Ding等(2014a)采用单视角观测数据统计确定时间间隔可选11~13 h之间.从图 3的统计结果可以看出，判断twin-CME事件中先行CME的时间间隔可选范围在9~13 h内.以上采用三视角观测确定的twin-CME事件去除了投影效果带来的误判，其统计结果与仅依靠单一视角观测的统计结果及理论分析结果基本一致.但我们也需要指出，判断twin-CME事件的准确时间阈值还是很难确定，三视角或单视角统计中都没有显现出很明显的时间节点，只能给出一个参考范围.
2.2 误判率分析由于单视角判断两个CME传播区域在空间是否重叠存在投影效应，会导致部分伪twin-CME事件(实为single-CME事件)被确认为twin-CME事件.这部分伪事件的掺入可能会影响部分统计结果.下面我们利用三视角联合观测讨论单视角twin-CME事件的误判几率.如图 4，我们统计了twin-CME和single-CME事件数百分比随先行CME时间阈值的变化，其中红色圆圈为三视角观测确认的真twin-CME、蓝色星号为single-CME、洋红色方形为准twin-CME(先行CME比较小，只能被SOHO卫星观测到，存在误判可能，在后面研究中归为真twin-CME)、绿色右三角为三视角观测确定为single-CME的伪twin-CME事件(在SOHO单独观测中是twin-CME，SOHO单星观测的误判事件)，青色左三角为准twin-CME和伪twin-CME事件总和.伪、准twin-CME事件占总事件比例见表 1.
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图 4 三颗星联合观测的真twin-CME、准twin-CME和伪twin-CME事件所占总事件百分比 (a)产生SEP的CME事件; (b)所有CME事件.红色圆圈代表twin-CME，蓝色星号代表single-CME，洋红色方形代表准twin-CME，绿色右三角代表SOHO误判事件.青色左三角代表准twin-CME和伪twin-CME事件总和. Fig. 4 Percentages of twin-CME (red circle), single-CME (blue asterisk), quasi twin-CME (magenta square), pseudo twin-CME (green right triangle) and total of quasi twin-CME and pseudo twin-CME (cyan left triangle) in all events. (a) CME with SEP events; (b) All CME events. |
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表 1 伪、准twin-CME事件占总事件比例表 Table 1 Pseudo, quasi twin-CME as a percentage of total events |
图 4a是产生SEP的所有CME事件，可以看到随着时间间隔增长，twin-CME比例增大，single-CME比例减小，在9 h处存在一个拐点，在16 h之后基本无变化.伪twin-CME和准twin-CME所占比例最高分别为7.6%和6.1%(平均为5.0%和4.8%).图 4 b为所有CME事件，可以看到随着时间间隔增长，twin-CME比例增大，single-CME比例减小，并且变化趋势变缓.伪twin-CME和准twin-CME事件所占比例分别低于8.2%和5.2%(平均为7.0%和4.3%).结果表明，单卫星判别twin-CME事件的误判比例均低于10%.如果我们考虑极端情况，所有准twin-CME都是伪twin-CME事件的话，对于SEP类事件twin-CME误判率最大不超过12.3%，全部CME事件不超过14.1%，都低于15%.一般而言，若按平均比例计算，准twin-CME事件中伪twin-CME事件仅占总事件的0.24%(产生SEP的CME事件)和0.3%(全部CME事件)，几乎可以忽略，所以后面的统计中将准twin-CME事件纳入真twin-CME.
总体而言，虽然单卫星判断twin-CME事件存在误判情况，但误判率不高，平均低于10%，最高不超过15%.事实上，我们在分析中发现，因为一个主CME前指定时间间隔内一般有几个先行CME，个别先行CME的判断不准并不影响twin-CME事件的认定.
2.3 主CME与SEP相关性讨论下面选择时间间隔为9 h，基于三卫星观测讨论SEP事件与CME的关系.图 4为先行CME被三颗卫星观测到的情况.图 5a为所有169个事件，图 5b为SEP事件.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表single-CME事件、准twin-CME事件(只被SOHO观测到)、被2、3颗卫星观测到的twin-CME事件.如果在统计时将准twin-CME归为真twin-CME事件，所有事件中single-CME占总CME比例为43%，而产生SEP事件的CME中，single-CME只占25%.这一对比结果显示，twin-CME爆发产生SEP事件的几率明显高于single-CME，与先前的统计结论一致(Ding et al., 2013).
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图 5 先行CME被三颗卫星观测到的数量统计.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表single-CME及先行CME被1、2、3颗卫星观测到 (a)所有CME事件; (b)所有SEP事件. Fig. 5 The number of twin-CME or single-CME identified in 9hrs ahead of fast CME from three viewpoints, Iindicates single-CME, Ⅱ, Ⅲ, and Ⅳ represent the preceding CME detected by one, two, three spacecraft (a) All CME events; (b) Only SEP associated CME events. |
图 6显示了所有事件的源区分布，方形代表产生SEP的CME，圆圈代表没有产生SEP的CME，菱形代表被SOHO观测到SEP的CME.Back代表背面事件，有3个背面事件产生的SEP事件被SOHO观测到.源区在西半球正面的SEP事件中有2个没有被SOHO观测到明显通量增强是因为这2个事件背景粒子通量较高，无法判断出明显增强，而这两个事件被STEREO卫星清晰观测到.这也进一步表明多卫星在研究SEP事件时，能更好地识别高通量背景时是否产生了SEP事件.被SOHO观测到的SEP事件源区主要集中在太阳西半球(源区与SOHO卫星具有较好的磁场连接)，而所有SEP事件的源区则无明显的东西半球的差异.也就是说，CME是否产生SEP事件与源区位置无关，而能不能观测到SEP事件则跟源区的相对位置有关，即磁连接性的好坏.
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图 6 所有事件源区分布 红色方形代表产生SEP的事件，蓝色圆圈代表没有产生SEP的事件，绿色菱形代表被SOHO观测到SEP的事件.Back代表背面事件. Fig. 6 Source locations of the events The red square represents SEP events detected at least by one spacecraft, the blue circle represents no SEP events, and green diamond represents SEP events detected by SOHO. |
CME的速度、动能和耀斑等级等通常用来表征太阳活动剧烈程度的重要参数，下面我们验证这三个参数与SEP事件的峰值通量之间的相关性(相关系数R及其标准差SEcc，
图 7为各卫星观测的SEP事件通量峰值与其对应的CME(twin-CME中主CME，下同)速度之间的关系.红点为single-CME事件，蓝圈为twin-CME事件.图 7a为STEREO-B观测，single-CME速度与峰值相关系数为0.82，twin-CME相关系数为0.28.图 7b为SOHO观测，single-CME相关系数为0.59，twin-CME相关系数为0.28.图 7c为STEREO-A观测数据，single-CME相关系数为0.39，twin-CME相关系数为0.36.除了STEREO-A观测外，其他两颗卫星都显示出SEP事件强度与single-CME的相关性高于twin-CME，这一结果与Ding等(2013)基于单视角观测的研究结果一致.
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图 7 各卫星观测的SEP事件通量峰值与其对应的主CME速度之间的关系.红点为single-CME产生的事件，蓝圈为twin-CME产生的事件 (a) STEREO-B; (b) SOHO; (c) STEREO-A. Fig. 7 Peak flux of SEP event in each spacecraft as a function of associated CME speed. The red dot represents event caused by single-CME, and the blue circle represents event caused by twin-CME |
图 8为各卫星观测的SEP事件通量峰值与其对应的CME动能之间的关系.红点为single-CME事件，蓝圈为twin-CME事件.图 8a为STEREO-B观测，single-CME动能与峰值相关系数为0.83，twin-CME相关系数为0.37.图 8b为SOHO观测，single-CME相关系数为0.67，twin-CME相关系数为0.59.图 8c为STEREO-A观测，single-CME相关系数为0.48，twin-CME相关系数为-0.17.三颗星的结果显示，single-CME的动能与SEP事件强度相关性都明显高于twin-CME.也就是说，twin-CME产生SEP事件时不一定需要主CME有很高的动能就能产生较高效的粒子加速.
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图 8 各卫星观测的SEP事件通量峰值与其对应的主CME动能之间的关系.红点为single-CME产生的事件，蓝圈为twin-CME产生的事件 (a) STEREO-B; (b) SOHO; (c) STEREO-A. Fig. 8 Peak flux of SEP in each spacecraft as a function of associated CME kinetic energy. The red dot represents event caused by single-CME, and the blue circle represents event caused by twin-CME |
SEP强度与CME速度、能量关系对single-CME和twin-CME的差异，体现了先行CME在粒子加速中的作用；由于先行CME提供的增强扰动和种子粒子，CME不需要很快的速度和很高的能量就能高效地加速粒子至很高能量而形成SEP事件，这与twin-CME模型(Li et al., 2012)的假设一致.
由于我们采用的耀斑等级数据来源于GOES卫星软X射线流量，我们只给出SOHO观测的SEP事件峰值与耀斑等级的相关性，如图 9.红点为single-CME产生的事件，蓝圈为twin-CME产生的事件.single-CME事件相关系数为0.44，twin-CME相关系数为0.29.由于single-CME事件数较少，两类事件相关性都较差，呈弱的正相关.此外，我们所研究的事件全部为缓变型SEP事件，与耀斑的相关性显然没有CME强.
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图 9 SOHO卫星观测SEP事件峰值与耀斑等级相关性，红点为single-CME产生的事件，蓝圈为twin-CME产生的事件 Fig. 9 Peak flux of SEP in SOHO as a function of associated flare class. The red dot represents event caused by single-CME, and the blue circle represents event caused by twin-CME |
在上面讨论中，各颗星单独测量的SEP强度与CME参数相关性之间存在少许差异，这主要是由于事件源区与卫星之间连接性好坏而导致的事件强度差异、探测的SEP事件数差异等引起的.假设CME爆发是点源爆发，则它在向外传播时强度服从高斯分布，那么在多点观测中，事件强度越大，则源区与卫星连接性越好(Richardson et al., 2014).为了尽可能消除与源区连接性带来的SEP强度差异影响，我们将SEP事件强度选取为三颗星观测中的最大值，尽可能反映出事件本身的强度.
图 10为三颗星联合观测的SEP事件通量峰值的最大值与主CME速度、动能和耀斑等级相关性.红点代表single-CME产生的事件，蓝圈代表twin-CME产生的事件.图 10a为SEP强度与主CME速度的相关系数，single-CME为0.71，twin-CME为0.57.图 10b为SEP强度与主CME动能的相关系数，single-CME为0.71，twin-CME为0.53.图 10c为SEP强度与耀斑等级的相关系数，single-CME为0.64，twin-CME为0.37.我们可以看到single-CME产生的SEP事件强度与CME速度、动能之间具有强的正相关，达到0.7以上，而twin-CME产生事件则稍低一些，但也大于0.5.相比CME而言，SEP强度与耀斑之间的相关性降低，但single-CME和twin-CME的差异类似.
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图 10 三颗星联合观测的SEP事件强度与CME速度、动能和耀斑等级相关关系.红点代表single-CME产生的事件，蓝圈代表twin-CME产生的事件 (a) SEP强度与CME速度之间的关系; (b) SEP强度与CME动能之间的关系; (c) SEP强度与耀斑等级之间的关系. Fig. 10 SEP intensity derived from three spacecraft as a function of CME speed (a), kinetic energy (b) and flare class (c) The reddot represents event caused by single-CME, and the blue circle represents event caused by twin-CME. |
由于twin-CME模型中先行CME的存在，产生SEP事件强度对主CME大小依赖没有single-CME那么强，但越大的主CME往往对应越大的SEP事件.相比三颗星单独观测所得到的相关性而言，三颗星联合观测的SEP事件最大峰值与主CME速度、动能和耀斑等级相关性更强，并仍然呈现twin-CME事件低于single-CME事件的差异，这与twin-CME模型及先前Ding等(2013)中的统计结果一致.
3 结果及讨论本文主要分析了第24太阳活动周自2007年1月至2014年9月间所有的SEP事件与快速CME事件.统计给出了SOHO、STEREO-A(B)卫星大SEP事件的质子通量参考值.不同于Richarson等所选择的10-4(cm2·s·sr·MeV)-1(Richardson et al., 2014)，我们的值为0.0114(cm2·s·sr·MeV)-1(SOHO/EPHIN为修正后通量)，与NOAA的SEP事件定义量值相对应.
我们采用SOHO联合STEREO卫星从三个角度观测识别每一个快速CME的先行CME，并判断出仅以SOHO卫星观测判断twin-CME事件的真伪.统计结果显示，对于65个产生SEP的CME，twin-CME占75%，而所有169个CME事件中twin-CME占57%.twin-CME产生SEP事件的比例明显高于single-CME事件.这与之前基于单颗星观测的统计结果一致.
基于多视角观测分析，发现仅基于SOHO单星观测判断twin-CME事件，由于投影效应存在误判，统计结果显示twin-CME的平均误判率不超过10%，对相关的统计分析影响不大.即使采用了三颗星联合观测，仍有极少数事件先行CME太小或太弱，无法准确确定是否为twin-CME.如果将这类事件也全部归为伪twin-CME事件，则误判率最高为14.1%(SEP事件twin-CME对应12.3%)，最高均不超过15%.
基于三视角确定的twin-CME事件，对判断先行CME的时间阈值进行了讨论.研究表明，在9 h之前twin-CME占总事件比例与SEP事件中由twin-CME产生的比例增长较快，在9~13 h增长缓慢，在16个小时之后几乎不变.在9 h附近，twin-CME中产生SEP事件的twin-CME占比存在极大值.结果显示，twin-CME的时间阈值选择为9~13 h之间，与之前的单卫星统计结果及理论分析结果基本一致，最小可选为9 h.这一时间区间包括了Li等(2012)理论分析的9 h和Ding等(2014a)统计结果11~13 h区间，应该说三视角确定的时间区间更为合理.
对SEP峰值强度与主CME性质关系讨论发现，单颗卫星观测的SEP峰值强度与single-CME的速度、动能及耀斑的相关性高于twin-CME.三颗星SEP事件通量峰值的最大值作为SEP事件的强度，single-CME产生的SEP事件强度与主CME速度、动能之间呈现显著正相关(相关系数>0.7)，明显高于twin-CME(相关系数>0.5).与耀斑强度的相关性，single-CME事件亦高于twin-CME事件，但低于与CME的相关性.这些结果与之前基于单卫星的分析结果(Ding et al., 2013)所呈现的关系基本一致.
基于三视角观测判断twin-CME事件，能更准确地确定先行CME与主CME的位置关系，有效去除投影效应出现的伪twin-CME.三视角twin-CME事件的统计结果与SOHO单独判断事件所得到的统计结果表现出些许差异，但两种情况所反映的统计规律基本一致，提高了原先单视角统计结果的可信度，更好地反映twin-CME产生SEP事件的机理.
致谢 我们感谢CDAW数据库(http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/)提供了CME相关数据，LMSAL (http://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html)和SolarMonitor.org(https://solarmonitor.org/)网站提供了耀斑相关数据，https://stereodata.nascom.nasa.gov/网站提供了STEREO卫星视频，http://www.ieap.uni-kiel.de/et/ag-heber/costep/data.php网站提供了SOHO/EPHIN仪器数据，CDAWeb(https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html/)提供了STEREO/HET仪器数据.
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