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新黑子数的活动周特征分析
其他题名Analysis of the Characteristics of the Solar Cycle Based on the New Version of the Sunspot Number Data
李富羽
学位类型博士
导师李可军
2019-07-01
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点北京
学位专业天体物理
关键词黑子数 太阳活动周 活动预报 不对称性
摘要太阳作为离地球最近的恒星,它的活动与人类生活息息相关。太阳的周期性变化是影响空间天气和地球气候的重要原因。通常我们认为黑子数的周期性变化就代表了太阳活动周的变化,太阳活动的强弱随着黑子数的涨落而呈现出周期性变化特征。目前国内外对于太阳活动周的研究基本上都是基于旧版本的黑子数来做的。本论文选用2015年SIDC发布的新黑子数()Version.2来继续深入研究太阳活动周。论文主要工作包括:1.太阳黑子活动周形状的数学描述。在过去的研究中太阳黑子活动周形状通常用单峰曲线来描述,但事实上太阳黑子活动周通常呈现双峰结构。我们发现太阳黑子活动周的形状可以用六个参数(两个振幅、两个曲线梯度、和两个上升时间)的高斯函数的二项式来描述,这种二项高斯函数的拟合结果与过去工作给出的其他函数的拟合结果进行了比较,结果显示该公式的拟合结果有更好的拟合优度和更小的偏差。特别是在活动周峰值时,二项高斯函数拟合效果很好。拟合所得峰值在这23个活动周的平均误差是4.23,拟合的峰值时刻在这23个活动周的平均误差是0.20年,显示出优于其他函数的拟合效果。值得一提的是,该函数可以很好地描述那些双峰太阳黑子活动周的形状,并且它优于另一个可以显示出双峰的拟合方程--拉普拉斯函数的二元混合。基于拟合结果,本文还研究了太阳活动周的一些特征:振幅与活动周的周期长度的关系、振幅与不对称性的关系、Waldmeier 效应和奇偶效应。结果显示高斯公式二项式的拟合结果很好地保留了太阳活动周的特征。2.活动周特征的研究以及对第25周峰值和峰值时刻的预报。目前太阳活动预报的方法有很多种,例如前兆因子方法、地磁指数方法、发电机理论方法等等。在这项工作中我们选用了新版本的黑子数来分析太阳活动周的特征:现代黑子活动周的双模式分布特征,太阳活动的记忆,峰-峰周长与下降时间线性相关,一个活动周的振幅与上升率线性相关(Waldmeier效应)。通过以上活动周特性的定量描述函数,以及已知的第24周的上升时长,可以预报第25周的峰值以及峰值时刻。目前研究表明,第24周已经于2014年4月到达峰值116.4。并且,目前很多研究认为第24周是一个长周期活动周,将在2019年年底或者2020年年初结束。综上,我们预测第25周将在2020年10月开始,并于2024年10月到达峰值168.5 ± 16.3。3.南北半球不对称性。南北半球的黑子面积长期记录可以用来研究太阳活动周南北半球的不对称性。对12-24各活动周的年不对称性进行线性拟合发现南北半球不对称性存在8个活动周的长周期特征。对累积计数的研究表明南北半球不对称性表现出活动周为12周的周期性特征。根据对第7-23周占优半球的研究结果,太阳活动周南北半球不对称性表现出12个周的周期性特征。我们可以利用现在即将结束的第24周来对活动周特征进行验证。由于出现了不同的结果,第24周的占优半球现在还不能确定。由于黑子数、黑子面积、黑子群数不同的物理属性,使得它们有不同的活动周特征。哪个指数能够更真实的反映太阳活动周的特征还需要更多的研究来解释。24周是一个很特别的活动周,它在活动周开始的时候表现出了罕见的低活动水平,在活动周中期表现出了非常明显的双峰特征。第24周黑子面积与黑子数、黑子群数在南北半球不对称性的不同表现,以及其表现出的不同长周期特征,需要发电机理论的进一步研究和解释。
其他摘要As the nearest star to the earth, the activity of the sun is highly related to human life. The periodic change of the sun is an important factor affecting space weather and earth's climate. Generally, we believe that the periodic change of sunspot number represents the change of solar activity cycle, and the intensity of solar activity presents a periodic change characteristic with the fluctuation of sunspot number. The Solar Influences Data Analysis Center (SIDC) issued a new version (version 2) of the sunspot number data in July 2015. It is employed in our work.The shape of the solar cycles. Most of the time, the shape of sunspot cycles has been studied with single-peak functions. But in fact, the shape of sunspot cycles is more complicated than such a single-peak flowing curve. And a lot of research said that the shape of the sunspot cycle is a double-peak curve. A functional form using a binary mixture of Gaussian functions has been used here to study the shape of the sunspot cycle. Examinations of the goodness of fit show that the binary mixture of Gaussian functions gives a very perfect fit of cycle shape. The fitting effects at peaks are also investigated. Features of the sunspot cycle shape are inspected based on the fitting by the binary mixture of Gaussian functions, that says the function keeps the solar-cycle characteristics well.The 13-month smoothed monthly sunspot number from the new version is used for the first time to research the relations among the feature parameters of solar cycles under the bimodal distribution for the modern era cycles (10–23), and, their physical implications are discussed. These relations are utilized to predict the maximum amplitude of solar cycle 25. Cycle 25 is predicted to start in October 2020 and reach its maximum amplitude of 168.5 ± 16.3 in October 2024, thus, it should be stronger than cycle 24 but weaker than cycle 23.The N–S asymmetry (the north–south hemispheric asymmetry) of sunspot areas for each of the cycles 7–24 have been investigated, and a trend of a long-term characteristic timescale of about eight cycles is inferred, which is confirmed again by studying the fitted lines of the yearly values of the N–S asymmetry of sunspot numbers and sunspot group numbers at solar cycle 24. Then, a periodic behavior of about 12 solar cycles is found in the cumulative counts of yearly sunspot areas for each of the cycles 7–24. Nevertheless, the cumulative counts of sunspot numbers and sunspot group numbers for cycle 24 have different behaviors. Moreover, the dominant hemispheres for cycles 7–23 show a trend of a long-term characteristic timescale of about 12 cycles. However, we cannot determine the dominant hemisphere of cycle 24, as these three parameters give different results for the dominant hemisphere. Cycle 24 is a particular solar activity cycle, as sunspot areas suggest a long characteristic timescale of about 12-cycle length, while sunspot numbers and sunspot group numbers support an eight-cycle period of the N–S asymmetry.
学科领域天文学 ; 太阳与太阳系 ; 太阳物理学
学科门类理学 ; 理学::天文学
页数93
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/25448
专题抚仙湖太阳观测和研究基地
作者单位中国科学院云南天文台
第一作者单位中国科学院云南天文台
推荐引用方式
GB/T 7714
李富羽. 新黑子数的活动周特征分析[D]. 北京. 中国科学院大学,2019.
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