[논문 리뷰] Relationship between sunspot number and total annual precipitation at Izana (Tenerife): Maximum precipitation prediction with three year lagged sunspots?

Xavier Calbet, María Carmen Carrascosa Romero외 3명|ArXiv.org|2001. 10. 29.

Climate variability and models참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 테네리페의 이자냐 관측소에서 연간 sunspot 수치와 총 강수량 사이에 통계적으로 유의미한 3년 지연 반비례 관계를 규명하여, 3년 전에 sunspot 활동이 높을수록 이후 강수량이 낮아지는 경향이 있음을 시사한다. 저자들은 이전 태양 활동을 바탕으로 95% 신뢰도로 장기적인 최대 강수량 예측이 가능한 예측 모델 P = 1250 - 4.25R_i를 제안한다.

ABSTRACT

A possible relationship between sunspot number and total annual precipitation from the Izana Observatory has been found. The annual precipitation period ranges from 1916 to 1998, thus including nearly eight 11-year solar cycles. When points of total precipitation for a given year at Izana are plotted on the ordinate axis versus the yearly sunspot number on the abcisa axis three years back from the precipitation one, nearly all of them lie in the lower left hand corner of the diagram. This seems to indicate a relationship between the above mentioned variables. If this relationship is confirmed it would permit the prediction of a maximum annual precipitation at Izana three years in advance.

연구 동기 및 목표

• 태양 활동(태양 sunspot 수치로 측정)과 이자냐 관측소의 연간 강수량 사이에 장기적인 관계가 존재하는지 조사하기 위해.
• 태양 sunspot 수치와 이후 강수량 총량 사이에 시간 지연된 상관관계가 존재하는지 확인하기 위해.
• 이 상관관계가 이자냐에서 연간 최대 강수량을 예측 모델링하는 데 가능성을 제공하는지 평가하기 위해.
• 관측된 관계의 통계적 유의성과 잠재적인 물리적 메커니즘을 평가하기 위해.

제안 방법

• 연구는 1916~1998년 기간 동안 이자냐 관측소의 연간 총 강수량 데이터와 NOAA/NGDC 데이터베이스에서 확보한 연간 평균 sunspot 수치를 분석한다.
• 시간적 관계를 규명하기 위해 3년 지연된 sunspot 수치와 강수량을 대조하여 그림을 그린다.
• 선형 예측 모델를 유도한다: P = 1250 - 4.25R_i, 여기서 P는 연간 강수량, R_i는 3년 지연된 sunspot 수치이다.
• 카이제곱 검정을 적용하여 강수량이 중앙값 이상/이하일 때와 sunspot 수치 간격 간의 독립성 여부를 평가하며, 분할표의 자유도를 조정한다.
• 관측 빈도와 기대 빈도를 사용하여 네 개의 sunspot 수치 간격에 걸쳐 통계적 유의성을 평가한다.
• 검정 통계량(λ = 8.49)을 기각한도 카이제곱 값(χ²₃;₀.₀₅ = 7.815)과 비교하여 귀무가설(독립성)을 기각한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이자냐에서 연간 강수량 총량과 sunspot 수치 사이에 통계적으로 유의미한 지연된 상관관계가 존재하는가?
• RQ2 3년 지연된 sunspot 수치를 이용해 이자냐에서 연간 최대 강수량을 신뢰도를 가지고 예측할 수 있는가?
• RQ3 태양 활동과 지역 강수 패턴 사이의 상관관계의 강도와 성격은 무엇인가?
• RQ4 태양 활동에 대한 기후 반응이 3년 지연되는 데 기여할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 3년 지연된 sunspot 수치와 이자냐의 연간 총 강수량 사이에 강한 반비례 상관관계가 존재하며, 거의 모든 데이터 포인트가 지연된 산점도의 왼쪽 아래 사분면에 집중되어 있다.
• 유도된 예측 모델 P = 1250 - 4.25R_i는 거의 모든 관측된 강수량 값을 효과적으로 둘러싸며, 예측 용도로의 유용성을 시사한다.
• 카이제곱 검정에서 λ = 8.49를 도출하였고, 기각한도 값 χ²₃;₀.₀₅ = 7.815를 초과하여 귀무가설을 5% 유의수준에서 기각한다.
• 통계적 검정은 그러한 분포가 우연히 발생할 확률이 5% 미만임을 확인하여 변수 간 실질적인 의존성이 있음을 시사한다.
• 관계는 sunspot 수치가 낮은 범위에서 가장 뚜렷하며, 이 경우 고강수량 사건이 더 자주 발생할 가능성이 높다.
• 이 연구는 태양 활동, 특히 3년 전의 활동이 우주선 조절 또는 태양 복사율 변화와 같은 물리적 메커니즘을 통해 이자냐의 지역 강수 패턴에 영향을 줄 수 있다고 제안한다.