[논문 리뷰] Predicting Sunspot Numbers for Solar Cycles 25 and 26

S.‐S. Wu, G. Qin|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 11.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 태양활동 주기 25 및 26의 sunspot 수(SMN)를 예측하기 위해 기존의 TMLP 모델에 기반해 확장된 이중 매개변수 수정 로지스틱 예측(TMLP-E) 모델을 제안한다. 이 모델은 샤논 엔트로피와 주기 길이를 예측 변수로 사용한다. TMLP-E 모델은 주기 25의 태양활동 최대치를 115.1로 예측하며, 이는 2024년 10월에 도래한다. 주기 26의 태양활동 최대치는 107.3으로, 2035년 11월에 도래한다. 이는 주기 24–26이 돌턴 또는 모운더 유사 최소치에 들어가지 않고 오히려 글라이스버그 주기의 최소치에 해당함을 시사한다.

ABSTRACT

The prediction of solar activity is important for advanced technologies and space activities. The peak sunspot number (SSN), which can represent the solar activity, has declined continuously in the past four solar cycles (21$-$24), and the Sun would experience a Dalton-like minimum, or even the Maunder-like minimum, if the declining trend continues in the following several cycles, so that the predictions of solar activity for cycles 25 and 26 are crucial. In Qin & Wu, 2018, ApJ, we established an SSN prediction model denoted as two-parameter modified logistic prediction (TMLP) model, which can predict the variation of SSNs in a solar cycle if the start time of the cycle has been determined. In this work, we obtain a new model denoted as TMLP-extension (TMLP-E), which can predict the solar cycle nearly two cycles in advance, so that the predictions of cycles 25 and 26 are made. It is found that the predicted solar maximum, ascent time, and cycle length are 115.1, 4.84 yr, and 11.06 yr, respectively, for cycle 25, and 107.3, 4.80 yr, and 10.97 yr, respectively, for cycle 26. The solar activities of cycles 25 and 26 are predicted to be at the same level as that of cycle 24, but will not decrease further. We therefore suggest that the cycles 24$-$26 are at a minimum of Gleissberg cycle.

연구 동기 및 목표

• 주기 21–24 동안 감소 추세를 보인 태양활동 예측을 장기적으로 향상시키기 위해 주기 25와 26의 태양활동을 예측하는 것.
• 대부분의 연구가 주기 25에만 집중함에 따라 주기 26에 대한 신뢰할 수 있는 예측이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 이중 매개변수 수정 로지스틱 예측(TMLP) 모델을 확장하여 주기 25의 시작 시점을 기반으로 주기 26까지 예측할 수 있는 새로운 TMLP-E 모델을 개발하기 위해.
• 감소 추세가 주기 25와 26로 이어질지, 아니면 글라이스버그 주기 최소치에서 회복이 시작되고 있는지를 평가하기 위해.
• 글라이스버그 주기 최소치의 시작 단계에서의 태양활동 변화를 고려해 역사적 자료(주기 4–24)를 사용해 TMLP-E의 예측 정확도를 평가하기 위해.

제안 방법

• TMLP-E 모델은 원래 TMLP 모델을 확장하여 주기 n의 행동이 주기 n−1과 유사하다는 가정을 바탕으로, 주기 n의 자료를 사용해 주기 n+1을 예측한다.
• 주기 n+1의 최대 누적 태양흑수수(xₘ)는 주기 n−1과 n−2의 샤논 엔트로피 및 주기 n−1의 길이를 사용해 예측한다.
• 주기 n+1의 초기 누적 태양흑수수(x₀)는 예측된 xₘ과 주기 n의 관측된 태양활동 최소치를 기반으로 추정한다.
• 주기 25의 시작 시점(2019년 12월 확정)을 이용해 TMLP와 TMLP-E를 각각 주기 25와 26의 태양흑수수 변화를 예측한다.
• 예측 정확도 평가를 위해 주기 4–24 동안 태양활동 최대치, 상승 기간, 주기 길이에 대한 평균 절대 상대 오차와 95% 신뢰구간(CI)을 사용한다.
• TMLP-E 모델은 TMLP 결과와 결합했을 때 주기 25의 태양활동 최대치 예측에 대해 95% 신뢰구간 범위를 (89.0, 136.3)에서 (101.8, 136.3)로 좁혀 정확도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMLP-E 모델은 주기 25의 시작 시점만을 사용해 주기 25와 26의 태양활동 최대치, 상승 기간, 주기 길이를 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 주기 21–24 동안 관측된 태양흑수수 감소 추세가 주기 25와 26로 이어지는가, 아니면 글라이스버그 주기 최소치에서 회복이 시작되는가?
• RQ3 TMLP-E의 예측 성능은 과거 주기에서 태양활동 최대치, 상승 기간, 주기 길이 예측에 대해 TMLP와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 TMLP-E 모델은 글라이스버그 주기 최소치의 첫 번째 주기를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가, 아니면 그러한 최소치 이후의 주기로 국한되는가?
• RQ5 주기 26의 예측된 태양활동 최대치에 대한 신뢰구간은 무엇이며, 다른 기존 예측과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• TMLP-E 모델은 주기 25의 태양활동 최대치를 115.1로 예측하며, 95% 신뢰구간은 (101.8, 136.3)이며, 2024년 10월(95% CI: 2023년 2월 – 2026년 9월)에 도래한다.
• 주기 26의 예측된 태양활동 최대치는 107.3으로, 95% 신뢰구간은 (62.3, 143.6)이며, 2035년 11월(95% CI: 2033년 10월 – 2038년 11월)에 도래한다.
• TMLP-E의 평균 절대 상대 오차는 태양활동 최대치에 대해 16.8%, 상승 기간에 대해 19.7%, 주기 길이에 대해 10.3%로, 중간 수준의 예측 정확도를 보인다.
• 모델의 95% 신뢰구간은 태양활동 최대치에 대해 (-41.9%, 33.9%), 상승 기간에 대해 (-43.1%, 62.5%), 주기 길이에 대해 (-28.9%, 22.8%)이다.
• 주기 25와 26의 태양활동 최대치는 주기 24(116.4)와 유사하므로, 글라이스버그 주기 최소치에 해당하는 낮은 활동 단계임을 시사하며, 돌턴 또는 모운더 유사 최소치가 아님을 의미한다.
• TMLP-E 모델은 글라이스버그 주기 최소치의 첫 번째 주기를 예측하는 데 성능이 떨어지며, 반면 TMLP는 그러한 전환을 한 주기 전에 예측할 수 있음을 보여주며, 이는 이전 주기의 특성 중요성을 강조한다.