[论文解读] Differential Emission Measure Evolution as a Precursor of Solar Flares

C. Gontikakis, I. Kontogiannis+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用 4

一句话总结

本研究探究太阳耀斑活跃区中微分发射度（DEM）的演化，作为M级和X级太阳耀斑的预测因子。利用SDO/AIA和GAIA-DEM图谱的时间序列数据，研究发现发射度的时间导数（$d\text{EM}/dt$）和最大DEM温度的时间导数（$dT_{\text{max}}/dt$）是可信的短期前兆，其中$d\text{EM}/dt$在2至12小时内预测耀斑的效能优于无符号磁通量。

ABSTRACT

We analyse the temporal evolution of the Differential Emission Measure (DEM) of solar active regions and explore its usage in solar flare prediction. The DEM maps are provided by the Gaussian Atmospheric Imaging Assembly (GAIA-DEM) archive, calculated assuming a Gaussian dependence of the DEM on the logarithmic temperature. We analyse time-series of sixteen solar active regions and a statistically significant sample of 9454 point-in-time observations corresponding to hundreds of regions observed during solar cycle 24. The time-series analysis shows that the temporal derivatives of the Emission Measure dEM/dt and the maximum DEM temperature dTmax/dt frequently exhibit high positive values a few hours before M- and X-class flares, indicating that flaring regions become brighter and hotter as the flare onset approaches. From the point-in-time observations we compute the conditional probabilities of flare occurrences using the distributions of positive values of the dEM/dt, and dTmax/dt and compare them with corresponding flaring probabilities of the total unsigned magnetic flux, a conventionally used, standard flare predictor. For C-class flares, conditional probabilities have lower or similar values with the ones derived for the unsigned magnetic flux, for 24 and 12 hours forecast windows. For M- and X-class flares, these probabilities are higher than those of the unsigned flux for higher parameter values. Shorter forecast windows improve the conditional probabilities of dEM/dt, and dTmax/dt in comparison to those of the unsigned magnetic flux. We conclude that flare forerunner events such as preflare heating or small flare activity prior to major flares reflect on the temporal evolution of EM and Tmax. Of these two, the temporal derivative of the EM could conceivably be used as a credible precursor, or short-term predictor, of an imminent flare.

研究动机与目标

• 评估太阳耀斑活跃区中微分发射度（DEM）的时间演化作为重大耀斑前兆的潜力。
• 评估基于DEM的参数（如$d\text{EM}/dt$和$dT_{\text{max}}/dt$）是否可作为太阳耀斑的可靠短期预测因子。
• 将DEM演化指标的预测性能与传统的无符号磁通量预测因子进行比较。
• 确定正DEM导数值在预测即将发生的耀斑中的统计显著性与预报实用性。

提出的方法

• 利用GAIA-DEM档案库提供的全盘DEM图谱，基于SDO/AIA的极紫外（EUV）观测数据，通过拟合DEM对数温度依赖性的高斯函数获得。
• 分析了16个活跃区的时间序列数据，以及太阳活动周期24期间具有统计显著性的9,454个瞬时观测点。
• 采用三阶多项式Savitzky-Golay滤波器计算DEM相关参数的时间导数（$d\text{EM}/dt$、$dT_{\text{max}}/dt$、$d\sigma/dt$），以平滑噪声并增强信号检测能力。
• 聚焦于正导数值（$^{+}$）以隔离耀斑前的加热阶段，排除耀斑爆发时刻。
• 基于$d\text{EM}/dt^{+}$和$dT_{\text{max}}/dt^{+}$的分布，计算不同预报窗口（2、6、12、24小时）下的条件耀斑概率。
• 通过接收者操作特征（ROC）分析和条件概率指标，将DEM参数的预测能力与标准无符号磁通量预测因子进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 微分发射度（DEM）的时间演化能否作为M级和X级太阳耀斑的可靠前兆？
• RQ2 在耀斑爆发前，$d\text{EM}/dt$和$dT_{\text{max}}/dt$的正时间导数是否表现出增强值，表明耀斑前加热过程？
• RQ3 在2至12小时的短期耀斑预报中，$d\text{EM}/dt^{+}$的预测性能与无符号磁通量相比如何？
• RQ4 在不同预报窗口下，基于DEM的预测因子是否对C级、M级和X级耀斑的预测效果优于磁通量？
• RQ5 DEM参数在多大程度上反映了耀斑前的加热过程或小耀斑活动？

主要发现

• 在M级和X级耀斑发生前数小时内，发射度的正时间导数（$d\text{EM}/dt^{+}$）和最大DEM温度的正时间导数（$dT_{\text{max}}/dt^{+}$）通常表现出高值，表明存在耀斑前的加热和等离子体增亮现象。
• 对于M级和X级耀斑，当预报窗口缩短至2至12小时且阈值超过0.3时，基于$d\text{EM}/dt^{+}$的条件耀斑概率高于无符号磁通量预测结果。
• $d\text{EM}/dt^{+}$产生的条件耀斑概率高于$d\text{EM}/dt^{+}$，表明发射度对耀斑前加热的敏感性高于温度最大值。
• $d\sigma/dt^{+}$参数的分布重叠度高，难以有效区分耀斑与非耀斑情况，因此被排除在进一步分析之外。
• 基于DEM的预测因子在短期预报（2至12小时）中优于标准无符号磁通量预测因子，尤其在重大耀斑预测中表现更优。
• 结果表明，耀斑前的加热和小耀斑活动在DEM演化中有所体现，$d\text{EM}/dt^{+}$作为即将发生耀斑的可信短期前兆脱颖而出。