基于EMD的东亚夏季风年代际变化特征及与太阳活动的关系

应用英国气象局哈德利气象研究中心(HadleyCenter)及美国环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)的海平面气压(SeaLevelPressure,SLP)资料归一化得出1850-2011年的东亚夏季风指数,利用经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)方法对其变化特征进行分析,得到东亚夏季风指数的周期特征.太阳黑子活动与东亚夏季风活动存在相同的11年及80年左右周期,其中11年周期变化尤为明显.对比1850-2011年间太阳黑子数与东亚夏季风指数经验模态分解后的11年周期变化分量,发现两者波动振幅变化基本一致.      

太阳黑子数及Ap指数周期变化特征的小波分析

应用Morlet小波变换方法从多个变化尺度上对1932—2000年的太阳黑子数及Ap指数的变化特征进行分析．(1)太阳黑子数存在准11年、准32年的周期变化特征及Ap指数存在准32年、准11年、准6个月、准27天和准13．9天的周期变化特征；(2)太阳黑子数及Ap指数有着相似的准11年周期变化，但Ap指数极值的出现要比太阳黑子数极值出现滞后1—2年；(3)Ap指数准27天的周期变化在太阳黑子活动高、低年不同，在太阳活动低年，Ap指数有着较稳定的准27天周期变化，但在太阳活动高年，27天的周期变化几乎消失，这种周期变化的消失和出现时间可在Morlet小波变换图中体现出来。     

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.      

地磁Ap指数滞后太阳周循环分析

把1932-2006年地磁Ap指数12个月流动均值分解成为(Ap)R和(Ap)I.其中(Ap)R为太阳黑子数R的线性函数,与太阳黑子数R相位相同,可能对应于日冕物质抛射(CME)等地磁控制因素. (Ap)I分量与太阳黑子数R相位相差约180°,该分量可能对应于极冕洞变化(从太阳峰年开始,由日面极区逐渐向赤道延伸).以地磁Ap指数与太阳黑子数R滞后非常严重的第20太阳周为例,证实了(Ap)I分量与极冕洞向赤道延伸循环变化相对应.因此极冕洞循环变化可能是导致地磁扰动指数与太阳周循环相位不一致,出现滞后现象的一个十分重要原因.      

第23太阳活动周武汉站电离层TEC特征分析

利用武汉站(30.5°N, 114.4°E)1997年1月1日至2007年12月31日电离层TEC、太阳黑子数及地磁指数等资料, 分析了第23周武汉站TEC的周日变化、季节变化、半年变化以及与太阳活动的相关性等特征; 以2006年4月13-17日发生的磁暴为例, 讨论了武汉站TEC对磁暴的响应以及可能的机理. 结果表明,武汉站电离层TEC在太阳活动高、低年均呈典型的周日变化特征; 冬季异常和半年异常特征明显, 且受太阳活动强弱影响; TEC和太阳黑子数年均值相关系数为0.9611; TEC对磁暴的响应可能是由磁层穿透电场和中性风共同作用导致的, 具体影响机制有待深入研究.      

基于小波与交叉小波分析的太阳黑子与宇宙线相关性研究

利用小波分析和交叉小波分析方法, 根据太阳黑子数以及Huancayo和Climax两个测站的月均宇宙线数据, 分析了两个测站的月均宇宙线周期变化, 同时利用太阳黑子数R₁₂对Climax站宇宙线流量进行预测研究. 小波分析结果表明, 太阳黑子与宇宙线除存在显著的11年周期外, 太阳活动高年期间还存在1～6个月尺度的周期特性, 在第22太阳周活动高年时还出现了6～8和1～22个月的变化周期; 交叉小波分析结果表明, 在130个月左右的周期上宇宙线与太阳黑子具有显著的负相关性, 并且宇宙线的变化滞后太阳黑子约8个月; 分别采用预测时刻和8个月前的太阳黑子数, 预测相对误差为3.8912%和3.2386%. 本文方法同样适用于估算其他空间天气参量之间的周期和相关性, 提高各种空间天气参量的预测或预报精度.      

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.      

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.      

利用相似周方法预测第24活动周开始时间

利用相似周方法对第24活动周的开始时间与第23活动周下降相后期的太阳黑子数进行了预报.根据第23周已经出现的特征参量和下降相的形态特征,选取9,10,11,15,17和20等六个太阳活动周作为第23周下降相的相似周,对第24周开始时间进行预报.预报结果显示,第24活动周的开始时间为2007年5±1月,黑子数平滑月均极小值为7.1±2.6,第23太阳活动周长度为11.1年.与其他研究者的预报结果相比较,本文给出的结果与文献[11]和[12]及MSFC的结果比较一致.通过对相似周方法在下降相预测太阳活动周结束时间的研究讨论,及对第23周上升阶段的太阳黑子数和F10.7平滑月均值预报结果的评估,可以看出,相似周预报方法在太阳活动周长期预报中是很有应用价值的.      

基于CHAMP卫星观测数据对热层大气密度的经验正交分析

对2003年(太阳活动较高年)至2007年(太阳活动低年) CHAMP卫星的热层大气密度观测数据进行了经验正交函数(EOF)分析, 得到了400 km高度上白天平均大气密度ρ的太阳活动周变化与年度变化等不同变化分量. 研究结果表明, ρ受太阳活动影响较大, 其太阳周变化分量与F10.7指数变化之间的相关系数可高达94.5 %; ρ的太阳周变化分量随纬度增加而减小, 且在中高纬地区, 南半球的值明显大于北半球的值, 在低纬地区则出现基本对称的双峰分布, 即赤道质量密度异常(EMA)结构. 在ρ的年变化中, 呈现出明显的季节变化, 即夏季低冬季高; 同时ρ的年变化幅度随太阳活动增加而增强, 随纬度增加而增强. 将本文结果与经验模式NRLMSISE00在观测条件下的输出数据进行对比, 发现两者的太阳周变化与年变化分量基本一致, 但本文观测数据的太阳周成分随纬度变化略小, 年变化幅度略大, 且NRLMSISE00模式不能再现EMA结构. 研究结果对揭示热层气候学变化特征具有重要意义.      

Even–odd cycle parity in complexity of hemispheric sunspot activity

We have used the Lempel–Ziv measure to describe the complexity in sunspot activity during the solar cycles 18–23. In particular, we examined the time series of daily sunspot numbers in the northern and southern hemispheres in each of the six cycles and calculated the Lempel–Ziv complexity (LZC) value for each time series. Our results indicate that in the even cycles, the LZC values of the sunspot numbers in the two hemispheres are very close to each other, whereas in the odd cycles they differ significantly between the two hemispheres. We also find that within each hemisphere the LZC varies from cycle to cycle. This even–odd cycle parity reflects the variations in inter-hemispheric strengths of the solar magnetic field leading to different temporal distributions of sunspots in the two hemispheres. The degree of complexity may influence the predictability of sunspot activity in the two hemispheres during the various cycles. Although the physical implication of the results is not clear, these results may stimulate new ideas into modeling the complex dynamics of the solar dynamo.     

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。     

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.     

第21～24太阳周4类空间天气事件爆发特征统计分析

对第21～24太阳周不同等级的太阳X射线耀斑事件、太阳质子事件、地磁暴事件及高能电子增强事件的爆发频次特征进行统计，结果表明:太阳周耀斑爆发的总数量与该太阳周的黑子数峰值呈正比，耀斑总数、X级耀斑事件数与峰值的相关系数分别为0.974，0.997；太阳质子事件主要发生在峰年前后1～2年，约占总发生次数的80%，峰值通量大于10pfu （1 pfu=1 cm-2·sr-1·s-1）的质子事件中，84%伴有耀斑爆发，并且主要伴随M或X级耀斑，少量伴随C级耀斑，峰值通量大于1000pfu的质子事件中，98%伴随M或X级耀斑，并且以X级耀斑为主；第21，22，23和24太阳周发生地磁暴最频繁的时间分别在1982，1991，2003年和2015年，分别滞后黑子数峰值时间3年、2年、2年和1年；72%的高能电子增强事件发生在太阳周下降期，24%的高能电子增强事件发生在太阳周上升期.      

Study of the influence of solar variability on a regional (Indian) climate: 1901–2007

We use Indian temperature data of more than 100 years to study the influence of solar activity on climate. We study the Sun–climate relationship by averaging solar and climate data at various time scales; decadal, solar activity and solar magnetic cycles. We also consider the minimum and maximum values of sunspot number (SSN) during each solar cycle. This parameter SSN is correlated better with Indian temperature when these data are averaged over solar magnetic polarity epochs (SSN maximum to maximum). Our results indicate that the solar variability may still be contributing to ongoing climate change and suggest for more investigations.     

太阳黑子的分维数及其可预报性

本文利用1932年至1982年的逐日国际太阳黑子相对数的9日平均时间序列来分析太阳黑子演变的动力学特性,发现太阳黑子是至少需要七个独立变量来描述的复杂动力系统,其关联维数为6.3±0.1,二阶Renyi熵和最大Lyapunov指数分别为(0.37±0.02)bit/yr和(0.34±0.01)bit/yr,它们表征的可预报时间尺度,即初始误差增长一倍所需的时间分别为(2.7±0.2)年和(2.9±0.l)年。      

太阳活动变化分析

利用Morlet小波变换方法对太阳黑子相对数进行了分析,对太阳活动变化得出了一些有意义的结果.太阳活动存在10.7 a和101 a的变化周期,以10.7 a周期最为显著.太阳活动强弱变化存在一定的阶段性,在1950年发生了气候突变,之后太阳活动明显加强,未来一段时间太阳活动较弱.