太阳F10.7指数准27天振荡的小波分析

利用1956-2003年的F10.7日均值数据,采用Morlet小波变换方法,分析了准27天振荡的特征及与太阳活动11年周期(Schwabe周期)的关系.结果表明,F10.7的准27天振荡的幅度和周期存在明显的短期变化现象,不同年里变化的程度差别很大,有些年里起伏非常剧烈,在几天到几十天的很短时间里,幅度变化达十几倍,周期可变化数天,甚至发生十几天的突变;有些年里,幅度变化很大但起伏很小,周期也比较稳定.准27天振荡的年平均幅度存在明显的逐年变化,与太阳活动显著相关.一般说来,F10.7越高,准27天振荡的幅度就越大,然而在太阳活动19周峰年,F10.7比其他活动周的值都高,但准27天振荡的幅度却比其他活动周低.准27天振荡的周期也有明显的逐年变化,除了个别年(如1987年),年平均周期在24至31天之间变化,与太阳活动周期没有明显的关系.48年的平均周期为27.3天.从总体看,周期有逐渐缩短的趋势,48年里周期大约减少了1.5天.造成准27天振荡起伏的因素非常复杂,有待深入研究.      

太阳活动与热层大气密度的相关性研究

为分析太阳活动对热层大气的影响,使用250km,400km,550km高度处热层大气密度与太阳F_10.7指数数据,研究了二者的周期变化及相关关系. 结果表明,热层大气密度的变化与太阳活动呈现相似的变化趋势;两者均具有显著的27天及11年周期变化特征,热层大气密度还存在7～11天及0.5年和1年的变化特征,且高度越高越明显;热层大气密度对太阳活动的最佳响应滞后为3天,无论何种地磁活动水平下,400km高度处相关性高于250km,550km处相关性最小,且太阳活动下降相期间高于上升相;250km,400km和550km高度处热层大气密度和太阳活动的统计结果分别为饱和、线性和放大关系;高度越高的热层大气密度对太阳活动响应越敏感.      

太阳活动对电离层TEC变化影响分析ormalsize

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000—2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_10.7指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000—2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_10.7指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_10.7指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.      

电离层N_mF_2的准27天变化

利用1969-1980年期间东亚和澳大利亚扇区不同地磁纬度11个台站的电离层垂直探测数据,采用带通滤波的方法,分析了白天NmF2的准27天变化特征及其与太阳活动指数F10.7的相关关系.结果表明,在大多数年里,太阳活动指数F10.7和NmF2的短周期(2～70天)频谱中,27天周期附近都出现明显的极大值;在27天波段,F10.7和NmF2的标准偏差有逐年变化特征,F10.7的平均标准偏差为10.9%,NmF2 的标准偏差随地磁纬度变化,赤道地区最小,纬度越高标准偏差越大,11个站的平均标准偏差为8.2%;在27天波段,NmF2与F10.7存在显著的相关,在0.05的显著水平下,显著相关的概率在90%以上;NmF2相对于F10.7的准27天变化平均滞后2天左右;从总体上看,太阳EUV辐射的准27天变化是造成NmF2准27天变化的主要原因.     

太阳活动对电离层TEC变化影响分析

为研究太阳活动对电离层TEC变化的影响,从整体到局部分析了2000-2016年的太阳黑子数、太阳射电流量F_(10.7)指数日均值与电离层TEC的关系,并重点分析了2017年9月6日太阳爆发X9.3级特大耀斑前后15天太阳活动与电离层TEC变化的相关性.结果表明:由2000-2016年的数据整体看来,太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数、TEC两两之间具有很强的整体相关性,但局部相关性强弱不均;此次耀斑爆发前后太阳黑子数、太阳F_(10.7)指数和TEC具有很强的正相关特性,太阳活动对TEC的影响时延约为2天;太阳活动对全球电离层TEC的影响不同步,从高纬至低纬约有1天的延迟,且对低纬度的影响远大于中高纬度.太阳活动是影响电离层TEC变化的主要原因,但局部也可能存在其他重要影响因素.     

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度，并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明，在第23太阳活动周内，大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致，但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4，而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍，而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区，太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上，大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.      

2007-2009谷年期间高热层大气密度的变化

在第23至第24太阳活动周的峰年之间,太阳活动谷年具有持续时间长,极低F_10.7太阳辐射通量（低至65）和超长期的零太阳黑子数记录等特点,因此是观测和研究在这种特殊背景下热层大气变化的极好机会.尤其是能充分理解和掌握在宁静环境下热层大气密度对弱太阳活动和小地磁扰动的响应特性.本文利用高度650 km以上星载大气密度探测器2007—2009年的连续探测数据进行分析,结果表明,在太阳辐射通量F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对F_10.7的起伏具有更显著的响应变化.当F_10.7由70降至65时,日均大气密度会有4～5倍的显著降变,远大于通常大气模式中的降变值.同样在F_10.7极低值期间,较高热层大气密度对小地磁扰动也具有显著的响应增变,当日K_p指数之和由23增至30时,较高热层大气密度则会有80%～160%的强增变.     

太阳风速度的周期结构分析

本文应用功率谱估计中的加窗法和最大熵法对第20太阳活动周太阳风速度的周期结构进行了频谱分析;为了克服太阳活动高年瞬变扰动的干扰,本文还用互相关滤波方法与谱分析进行了比较。得到如下结果:除了个别年代外,在太阳活动周的所有相位里,太阳风速度几乎都存在13天和27天两种主要周期变化成份。在一些年里,还有9天的周期成份存在。      

武汉站第23周电离层TEC与太阳及地磁活动的相关性分析

利用武汉电离层观测站1997-2007年电离层TEC资料, 采用连续小波变换和交叉小波以及小波相干方法, 分析了该站电离层TEC的周期变化特征以及与太阳和地磁活动之间的关系. 分析结果表明, 武汉站TEC变化的长期趋势主要随太阳活动的强弱而变化; 在局部时域上分别存在128～256d, 256～512d和512d～1024d的周期尺度, 且与同时期的太阳黑子数和地磁Dst指数的周期特征存在很好的对应关系; 太阳黑子数在512～1024d周期尺度上超前TEC变化约1/6个周期; 在准半年的周期尺度上武汉站TEC与地磁Dst指数几乎呈反相位变化, 但TEC对$Dst$指数的这种响应仅在太阳活动高年存在, 具体机理尚需进一步分析研究.      

用BP神经网络预报太阳活动第23周的黑子数

本文设计、训练和利用BP神经网络,对1750年以来的各太阳活动周上升段和下降段太阳黑子数的变化数据进行了分类和模式识别,得到各太阳活动周上升周期及其上升期间太阳黑子数平滑月均值相当好的模拟结果;在此基础上获得较好的太阳活动第22周上升周期及太阳黑子数的最大平滑月均值预报结果;还作出太阳活动第23周的上升周期及太阳黑子数的最大平滑月均值的预报结果.      

Solar variability effects studied by tree-ring data wavelet analysis

The global change approach to study the Sun-Earth system gives a growing amount of evidences that climate dynamics is affected by a large number of factors. The solar variability is very likely to be among them. Natural records, such as tree ring data, can be investigated to study the past global and regional climate, which was influenced by the solar radiative output variations, associated to solar activity. Wavelet transform analysis was applied to sunspot number and tree ring width time series from 1837 to 1996 at Concórdia, Brazil. The amplitude and cross-amplitude spectral representation in the time-frequency domain allowed us to detect the occurrence of predominant periodicities and the relationship between the sunspot number and the tree ring time series. The Morlet complex wavelet analysis was used to study the most important variability factors on time scales ranging from from 2 to 100 years, and their stability in time, which is shown in both time series studied. We also applied the cross-wavelet spectral analysis to evaluate time delay among different tree ring time series, and between tree ring and sunspot number time series.     

利用EMD方法提取太阳活动周期成分

EMD(经验模态分解)方法在处理非线性及非平稳时间序列时表现出了很大的优势和应用潜力.利用EMD方法研究太阳活动周期,对110年(1894-2003)和55年(1949-2003)的太阳黑子数月均值进行分解,分别得到一系列模式和一个趋势项,其中都可能包含有1.3至1.4年周期分量,25至30个月QBO(准双年振荡)分量,11年太阳周分量和22年Hale周分量.其中11年周期分量幅度最大,变化特征与太阳黑子数原始数据具有很高的相似性.不同于传统方法,EMD方法给出了太阳活动在不同时间尺度上各自分离的变化特征.      

Essential features of long-term changes of areas and diameters of sunspot groups in solar activity cycles 12–24

We analyze the Greenwich catalog data on areas of sunspot groups of last thirteen solar cycles. Various parameters of sunspots are considered, namely: average monthly smoothed areas, maximum area for each year and equivalent diameters of groups of sunspots. The first parameter shows an exceptional power of the 19th cycle of solar activity, which appears here more contrastively than in the numbers of spots (that is, in Wolf’s numbers). It was found that in the maximum areas of sunspot groups for a year there is a unique phenomenon: a short and high jump in the 18th cycle (in 1946–1947) that has no analogues in other cycles. We also studied the integral distributions for equivalent diameters and found the following: (a) the average value of the index of power-law approximation is 5.4 for the last 13 cycles and (b) there is reliable evidence of Hale's double cycle (about 44?years). Since this indicator reflects the dispersion of sunspot group diameters, the results obtained show that the convective zone of the Sun generates embryos of active regions in different statistical regimes which change with a cycle of about 44?years.     

Analysis of ionospheric TEC response to solar and geomagnetic activities at different solar activity stages

Studying the relationship of total electron content (TEC) to solar or geomagnetic activities at different solar activity stages can provide a reference for ionospheric modeling and prediction. On the basis of solar activity indices, geomagnetic activity parameters, and ionospheric TEC data at different solar activity stages, this study analyzes the overall variation relationships of solar and geomagnetic activities with ionospheric TEC, the characteristics of the quasi-27-day periodic oscillations of the three variables at different stages, and the delayed TEC response of solar activity by conducting correlation analysis, Butterworth band-pass filtering, Fourier transform, and time lag analysis. The following results are obtained. (1) TEC exhibits a significant linear relationship with solar activity at different solar activity stages. The correlation coefficients |R| are arranged as follows: |R|_EUV > |R|_F10.7 > |R|sunspot number. No significant linear relationship exists between TEC and geomagnetic activity parameters (|R| < 0.35). (2) TEC, solar activity indices, and geomagnetic activity parameters have a period of 10.5 years. The maximum amplitudes of the Fourier spectrum for TEC and solar activity indices are nearly 27 days and those of geomagnetic activity parameters are nearly 27 and 13.5 days. (3) The deviations of the quasi-27-day significant periodic oscillation of TEC and solar activity indices are consistent. (4) No evident relationship exists between the quasi-27-day periodic oscillation of TEC and geomagnetic activity parameters. (5) The delay time of TEC for the 10.7 cm solar radio flux and extreme ultraviolet is always consistent, whereas that for sunspot number varies at each stage.     

中等磁暴太阳周分布的统计研究

依据实际观测的中等磁暴数据,统计分析了中等磁暴的太阳周分布.分析结果表明,在一个太阳活动周内,每年中等磁暴随时间的变化出现多个峰值,其中,最大峰值均出现在太阳活动周的下降段,即中等磁暴的峰值比太阳黑子数平滑年均值的峰值要滞后,滞后的时间为2～3年.超过70%的中等磁暴出现在太阳活动周的下降段,这表明绝大多数中等磁暴出现在太阳活动周的下降段.通过对中等磁暴平滑月均值与太阳黑子数平滑月均值相位差的计算分析发现,中等磁暴峰值出现的时间比太阳黑子数峰值出现的时间要滞后,不同太阳活动周中等磁暴峰值出现的时间与太阳黑子数峰值时间滞后的程度不同.      

What is the optimum solar proxy for long-term ionospheric investigations?

The problem of optimum solar proxy is important for long-term and/or climatological studies of ionospheric parameters. Here we focus on possibly different optimum solar proxies for different ionospheric parameters, as they are affected by partly different spectral ranges of solar ionizing radiation. We use yearly average values of foF2 and foE of four European stations with long (1976–2014) and high-quality data (Juliusruh, Pruhonice, Rome, Slough/Chilton), and the global total electron content (G-TEC). Four solar proxies are used: F10.7, Mg II, solar Lymna-alpha flux Fα and sunspot numbers. The most important finding is that the optimum solar proxies are different for different ionospheric parameters. The most suitable solar proxy for foF2 is found to be Mg II, whereas for foE F10.7 evidently outperforms Mg II. Fα and sunspot numbers perform slightly worse but none of four solar proxies performs poorly. F10.7 is favored for G-TEC, to some extent surprisingly, as previous results favored rather Mg II.     

太阳10.7 cm射电辐射流量预报方法初探

引进“相似周”方法,通过两种方式对第23周太阳10.7cm辐射流量（F10.7）月均值进行预报和预报,由“相似周”方法得到的第23周太阳黑子数月均平滑预测值来预测F10.7月均值和直接采用“相似周”方法对F10.7月均平滑值进行预测,通过对两种预报试验结果分析,得到以下结论。（1）两种预测结果与实际都比较吻合,都得到双峰结构。（2）直接通过相似周预测的F10.7的月均值结果较间接通过太阳黑子数的预测结果所推断的F10.7预测结果更接近实际观测结果。（3）使用“相似周”,预报方法,可以给出F10.7比较精细的剖面结构,这是其他普通预报方法很难做到的。     

基于PCA方法对太阳活动区主要参量的分析

太阳耀斑与太阳质子事件的发生通常与太阳活动区存在非常密切的关系, 对这种关系的深入分析有助于太阳耀斑和太阳质子事件预报模型的建立. 本文利用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)方法对1997-2010年太阳质子事件所在活动区的主要参量进行分析, 选取的参量包括黑子磁分类、 McIntosh分类、太阳黑子群面积、10.7 cm射电流量、耀斑指数、质子耀斑位置和软X射线耀斑强度. 结果得到81个太阳活动主成分得分值排序(得分值代表每个事件的强弱), 与太阳质子事件峰值流量、太阳黑子年均值以及10.7 cm射电流量年均值的对比显示相似度非常高, 表明主成分得分值一定程度上可以反映太阳活动的强弱规律.