第24个太阳循环预测的运动方法

摘要

讨论了第24太阳周期（SC）的运动学建模结果。太阳和宇宙射线月平均指数的时间序列来自国际数据中心的网络资源。先前使用运动学建模技术对太阳周期形状的预测表明，与SC23的最后阶段和相对较大的SC24震级非常接近。2005年的预测是根据月平均数据的现代观测更新的。该研究得出结论，SC24震级可能接近上一个周期。最大月平均值的预测时刻预计在2012年7月至9月。这个时间间隔的不确定性大约是1-2个月。最大月平均估计值可达到相对太阳黑子号码单位。预期广义循环形状的平均幅度接近23的最大平均高度。SC24形式可以相对较窄，循环可能短于10年。

1.介绍

正如特别太阳周期预测小组得出的结论，在2007年，不同预测的样本被分为两个相当大或小的SC24震级的主要预测(http://www.swpc.noaa.gov/solarcycle/sc24/index.html.)。第一次共识提出了两个相当不同的140和90个太阳黑子数单位作为最可能的估计，但后来它减少到90的最低变体。可以在Jan Janssens Web资源中看到有关不同SC预测比较的另一个信息http://users.telenet.be/j.janssens/SC24.html/．一些额外的高幅度预测可以在[1.–5.].另一个低预测发表在[6.].本文对SC24预测的不同方法进行了比较分析[7.,8.］．

根据使用的技术，所有预测都被分为物理预测、统计预测和混合预测。值得注意的是，物理预测的震级低于统计预测和混合预测，Dikpati研究除外[1.–5.].大多数使用的预测技术都是统计的。

其中一种被称为运动学方法的统计技术先前允许预测第23个周期的长最后阶段和第24个周期的高振幅(http://journals.cambridge.org/action/displayAbstract?fromPage=online&aid=288312)。事实上，与许多其他预测相反，使用这种技术对SC的最后阶段进行了准确的预测。运用运动学技术的经验使作者认为，在50年左右月平均资料处理的情况下，仅对~5年的预测间隔，可以提供或多或少的精确预测。最近一次对当前太阳活动周期形状的预测是在2005年进行的，并于2006年发表。月平均太阳黑子指数比较大，接近160个太阳黑子数单位[9］．现在，我们根据最新的月度数据对这个预测进行了检验和更新。

2.观测数据与建模技术

在分析中使用了太阳能指标的月平均值的时间序列。从网站收到国际太阳黑子号（RI）（http://sidc.oma.be/index.php3)。10.7厘米太阳射电流量的数据是从网站(http://www.spaceweather.ca/sx-eng.php.)。每月平均太阳黑子面积的时间序列取自互联网网站(http://solarscience.msfc.nasa.gov/greenwch/sunspot_area.txt)研究中使用了莫斯科观测站每月观测一次的宇宙线时间序列，作为太阳可变性的额外间接数据(ftp://cr0.izmiran.rssi.ru/COSRAY !/ FTP_DDMM /数据/).每个系列的时间跨度在不同的分析中有所不同，如下所述。

使用称为统治谐波方法的顺序分析的数值技术处理了观察数据。该方法首先用于Caspian海平面变化预测[10，但在论文中详细描述并发表[11］．简单地描述如下。

反复观察结果不规则时间序列的平均值表示为未知参数还有一个时间的论证t像 这个函数必须由可以叠加到单向趋势变化的周期(正弦)分量的数目组成。因此，连接方程为 哪里是最初时刻的线性趋势功能的值，为一阶线性系数(线速度)，是振动轴的纵坐标jth谐波,,， 和表示信号的振幅、角频率和角相位j分别为次谐波。

在缺乏关于整个变化特征中周期谐波的数量和贡献水平的先验信息的情况下，逐步迭代程序在分析中似乎是有效的。

在第一阶段，使用该等式从系列中确定和移除趋势分量是自然的 对应的修正方程系统将表示为 哪里表示残留的随机噪声术语，l索引反映了变异的线性部分，和是分析的时间序列中的值数。

此任务可以在条件下解决 哪里是一个权重矩阵。

对于一般情况，我们可以有一个priori逆权重矩阵 的最小二乘解4.)将被视为

第二步，从初始时间序列中去除建模的线性分量，减去(3.)从(2.)，我们将搜索主要谐波分量。

剩余时间序列的模型将表示为 其未知参数将搜索每个谐波分量 通过粗糙模型参数赋值 和声(9)，通过泰勒级数的第一项线性化后，我们将得到一个校正方程矩阵: 并将其表示为 修正方程的自由项将作为 作为初始模型(9)是非线性的，我们将寻找未知参数数值上的迭代过程。

迭代过程将编写为 哪里是一个迭代数。

向量函数的估计将由

然后，迭代过程（14)将采取以下形式： 签字时有些忽略了差异，我们继续迭代，当[]将小于或等于．

因此，最后一次迭代的结果将被接受为模型的最终估计(9)参数 为了估计结果特征的统计置信度，我们使用单位重量标准的估计 哪里是一个残差向量(11)通过使用(17)。

经验标准谐波参数估计将被确定为 哪里为参数权重逆矩阵的对角元素。

然后，我们将计算归一化参数估计 指定置信限，我们确定收到的估计的置信水平。根据解决任务，置信限在大多数研究中，我们可以考虑解决的参数作为统计自信的时候。．

有理由考虑一个谐波是统计自信，我们收到一个近似函数（9)，必须从之前的剩余时间序列中减去。我们遵循主导谐波确定的逐步过程(11)–(20）在我们确保在剩余时间序列中肯定没有自信的组件。精加工迭代过程的标准是最后谐波的单位重量标准的近距离的水平。

在该工作中考虑的技术用于观察到的特征的时间变化的统计建模中。该方法可以考虑在时期的分析方法中，例如，在[12]与大多数已知方法相比，本工作中使用的技术不要求观测的规律性。该技术的具体特征还包括确定振幅减小的主要正弦分量的有组织的顺序。该技术似乎可以单独估计te确定所需主要谐波的准确性。

3.第24个太阳周期预测的前期结果

使用RI和10.7cm无线电量数据的23RD太阳循环形式的建模和预测中使用上述方法[13]。该预测似乎与真实的SC23轮廓相当接近。预测的月平均最大值与官方最大平滑值一致，但月指数本身的相对标准误差为10–15%。此外，使用该技术的几项回顾性SC预测显示，在以下情况下与实际有相当准确的关联：月平均指数观测50年后的5年预测间隔内的最小值。

实践证明，在太阳时间序列使用时间较短的情况下，预测效果最好。在使用数百年的长期月平均指数序列时，预测通常会自信地变得比现实更低。这一特征可以解释为较不精确的古代观察和可能错过的一些周期，因为它在出版物中讨论。

有必要指出，对于一个50年月平均太阳时间序列来说，确定的周期分量的样本的数量通常是几个时态。在这些情况下，统计自由度超过400，这证明了使用的近似方法的有效性。相对太阳黑子数序列和太阳黑子面积序列的时间跨度从1950年开始扩大。使用的10.7厘米太阳射电通量和宇宙射线指数系列分别从1947年和1958年开始使用。所有系列赛的最后时刻都受到最后和当前预测开始日期的限制。

使用统治谐波顺序分析的最后一次SC预测是在2004 - 2005年进行的（见图1.–3.) [9］．对3种类型的太阳指数进行了处理，并利用月平均值的约50年时间序列对第24期SC型进行了预测。今天，可以检查这些预测的准确性和可靠性。预测和控制标志的原始曲线如图所示1.–3.. 在公布的数字上加上蓝色标记，以显示预测的有效性。

有必要解释一个SIGMA倾向先前确定了RI指数行为的五次回顾性预测中的真实错误的平均方形值。

允许对不同指数对之间的相关性进行分析，以确定相应的线性回归公式，这些公式用于S.F.U和太阳黑子面积值的一西格玛区间确定。

对以前SC预测的检验表明，最好的预测出现在5年区间，正如从最早的试验中所预期的那样。我们可以看到，预测的真实误差接近于一个标准差。实际太阳指数系统地低于Ri和10.7射电通量变化的预测位置(见图)1.和2.).太阳黑子区域的差异特征略有不同（见图3.)。所有预测展示了5年后预测间隔后预测和实际数据之间的可见相移。

前SC行为预测的一般结论是下一个[9,14］．(1)预计最低月平均指数将于二零零六至零八年度出现。(2)第23个太阳周期的最后阶段预计将相当长，并有一些局部极大值。（3)第24个太阳活动周期的月平均指数预计将接近Ri。

最后阶段是估计特别是主要的太阳指数连同银河宇宙线数据[15］．我们必须谨然，SC23最终阶段的一般特征被预测相当准确。特别是第23周期的约12.6年的异常长度[16]这与所描述的预测非常吻合。

在提到与间之间的最小阶段，我们必须提到一些主要研究。在纸上的10.7cm太阳能无线电磁通指数仔细分析了第23和第24次太阳循环之间最小相的性质[17].本文对相邻太阳活动周期最大值之间的间隔进行了深入研究[18］．

今天，这是一个更新先前发布的预测的有利时机，因为最大活动的幅度和时间还不明显。

4.第24太阳周期预测更新

使用由现代观测值更新的相同数据类型集对先前的SC24预测进行校正。分析的时间序列由月平均指数组成。数据存档地址如上所示。目前的主要任务是改进对SC24振幅和长度的估计。

使用统治谐波方法顺序分析的新数据处理对Sunspot Numbers，10.7cm无线电磁通指数和Sunspot区域时间序列执行了新的谐波方法。也使用了来自莫斯科站的宇宙射线观测。新的SC24预测结果在图中说明了4.,7.,5.， 和6.．

从这些数字中我们可以看出4.–6.在美国，太阳和宇宙过程的四种不同的新模型表明，它们未来可能的行为是相互封闭的。SC24的振幅预计将接近前一周期的平均高度。国际太阳黑子数预测曲线显示了更大的模型星等130±20里。最大相位区间可能开始于2012年中期至年底。

有趣的是，SC预测面板先前对SC24高震级的预测大体上与目前的预测相一致，而且形状相对狭窄。与图比较可以看出8.取自原始Web资源（http://www.swpc.noaa.gov/solarcycle/sc24/index.html.)但后来，专家组研究人员将其观点改为最低变量，这与所提出的2012年年中至2013年初的最大值时间预测更为吻合（图1）9)。

5.结论

运动学建模中使用了三种类型的太阳数据进行前期预测[9)更新。所有新的预测都表明，第24个周期的最大阶段可能会发生在2012年中期或稍晚一点。预测的月平均值最大值时刻位于2012年7 - 9月。这个区间的不确定性是+1 - 2个月。从图中可以看出，一般周期形状的平均振幅预计将接近第23个最大值7.,5.， 和6.．SC24将不会持续太久。这可能不会超过10年。初步预计下一个最低阶段将于2017年开始。太阳黑子数Ri的最大月平均值为130±20。预测太阳黑子面积指数最大月平均值为2000±350个半球单位。在200±20 sfu水平下，月射电通量最大值为10.7 cm。在莫斯科站的宇宙射线变化也被建模为额外的数据来源。它的反向星等被处理为略低于上一个太阳周期形状的水平。宇宙射线的下一个极小值在参考预测的太阳数据极大值时移到大约一年以后。 The last estimation of the shift between galactic cosmic ray and solar activity variations was 0.6 years [15］．

由于Jan Janssens显示，媒体90-140幅度SC24预测今天占主导地位。目前，一些研究人员得出结论，最大SC阶段已经开始。我们的建模允许推测研究人员在每月意味着太阳黑子之前至少有一年的时间将发生，专家有机会检查和更新当前的SC预测。

从上述模拟中获得的结果支持相对较高的（约130 Ri）或月平均值情况下第24次SC预测的中等震级变体。建模方法的预测能力通过几次回顾性模拟进行了验证。如果预测成为现实，进入超百年太阳活动极小值将在未来几十年内发生变化。

致谢

作者要感谢他最亲密的合作伙伴Michail Krainev对宇宙射线变化模型的重大影响，并对将数据放在互联网上的实验负责人表示感谢。特别感谢匿名审稿人提出的宝贵意见和建议。

参考

1. M.Dikpati、G.de Toma和P.A.Gilman，“使用基于通量传输发电机的工具预测太阳第24周的强度，”《地球物理研究快报第33卷第3期5、文章编号L05102, 2006。浏览：出版商的网站|谷歌学者
2. M.Dikpati、G.De Toma和P.A.Gilman，“极通量、越赤道通量和发电机产生的转速线环形通量作为太阳周期的预测因子，”天体物理杂志通讯，第675卷，第2期1, pp. 920-930, 2008。浏览：出版商的网站|谷歌学者
3. M. Dikpati, P. A. Gilman, G. De Toma，《瓦尔德迈尔效应:狼太阳黑子数定义的人为产物?》天体物理杂志通讯，第673卷，第1期，L99-L101页，2008年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
4. M. Dikpati，“通过吸收磁场数据到通量传输发电机中来预测太阳的气候”，天文学通报，第328卷，第10期，第1092-1095页，2007年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
5. M.Dikpati和P.A.Gilman，“使用通量传输发电机模拟和预测太阳周期，”天体物理学杂志》上，卷。649，没有。1 I，PP。498-514,2006。浏览：出版商的网站|谷歌学者
6. L.Svalgard、E.W.Cliver和Y.Kamide，“太阳黑子周期24：100年来最小的周期？”《地球物理研究快报，第32卷，第1期，第1-4页，2005年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
7. R.Brajša，H.Wöhl，a.Hanslmeier等人，“关于太阳周期预测和重建，”天文学和天体物理学，第496卷，第2期。3，第855-861页，2009。浏览：出版商的网站|谷歌学者
8. K.Petrovay，“太阳周期预测，”太阳物理学的动态评论，第7卷，第1-59页，2010年。浏览：谷歌学者
9. V.I. Kaftan，“太阳活动的运动学模型。第24个太阳周期预测太阳地球物理活动预测原理的实验和理论研究进展，第145-150页，莫斯科，俄罗斯，2006，$(\text{俄罗斯})$．浏览：谷歌学者
10. V. I. Kaftan，“宇宙地球汉人物和CASPIAN海平面变化的周期性分析”里海地区:经济，生态，矿产资源。国际会议“caspiy - 95”，第14页，俄罗斯莫斯科，1995年，$(\text{俄罗斯})$．浏览：谷歌学者
11. 诉我土耳其长袍,空间数据的时间分析：运动学模型，博士论文，莫斯科国立交通大学，莫斯科，俄罗斯，2003，$(\text{俄罗斯})$．
12. A.沃辛和J.格夫纳，实验数据处理，威利，纽约，纽约，美国，1944。
13. G.V.Demianov、V.I.Kaftan和V.I.Zubinsky，“中央大地测量、航空测量和制图研究所参与第三次波罗的海海全球定位系统运动”，年波罗的海海平面1997年全球定位系统运动的最终结果，国际大地测量协会SSC 8.1的研究工作，M.Poutanen和J.Kakkuri编辑，第127-132页，芬兰基尔科努米芬兰大地测量研究所，1999年。浏览：谷歌学者
14. V. I. Kaftan，“主要太阳循环的运动学建模”太阳活动的多波长研究E. E. Benevolenskaya和A. G. Kosovichev, Eds。，第111-112页，剑桥大学出版社，英国剑桥，2004。浏览：谷歌学者
15. V.I.Kaftan和M.B.Krainev，“估计太阳活动对银河宇宙线强度的影响，”地磁学和高层大气物理学，第47卷，第47期。2，页137-148,2007。浏览：出版商的网站|谷歌学者
16. B.Komitov，P.Duchlev，K.Stoychev，M.Dechev和K.Koleva，“根据“瓦尔德迈耶规则”确定第23和24个周期之间的太阳黑子最小纪元，并预测第24个周期的震级。”保加利亚天文杂志，卷。16，pp。44-49,2011。浏览：谷歌学者
17. K. tap和J. Valdés，“太阳在第23个周期的下降和进入第24个周期时改变了它的行为吗?”太阳物理学，卷。272，没有。2，pp。337-350,2011。浏览：谷歌学者
18. k·l·哈维:“太阳周期最小值是多少?”地球物理学报，第104卷，第104号9、Article ID 1999JA900211, pp. 19759-19764, 1999。浏览：谷歌学者

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