[论文解读] Does the current minimum validate (or invalidate) cycle prediction methods?

David H. Hathaway|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本文在太阳极大期24之前评估了基于地磁前兆、极区磁场和通量输运发电机模型的太阳周期预测方法的有效性。研究发现，地磁和极区磁场前兆正确预测了太阳周期24为弱周期，而发电机模型因纬向环流假设不一致而失败，表明其尚不足以用于周期预测。

ABSTRACT

This deep, extended solar minimum and the slow start to Cycle 24 strongly suggest that Cycle 24 will be a small cycle. A wide array of solar cycle prediction techniques have been applied to predicting the amplitude of Cycle 24 with widely different results. Current conditions and new observations indicate that some highly regarded techniques now appear to have doubtful utility. Geomagnetic precursors have been reliable in the past and can be tested with 12 cycles of data. Of the three primary geomagnetic precursors only one (the minimum level of geomagnetic activity) suggests a small cycle. The Sun's polar field strength has also been used to successfully predict the last three cycles. The current weak polar fields are indicative of a small cycle. For the first time, dynamo models have been used to predict the size of a solar cycle but with opposite predictions depending on the model and the data assimilation. However, new measurements of the surface meridional flow indicate that the flow was substantially faster on the approach to Cycle 24 minimum than at Cycle 23 minimum. In both dynamo predictions a faster meridional flow should have given a shorter cycle 23 with stronger polar fields. This suggests that these dynamo models are not yet ready for solar cycle prediction.

研究动机与目标

• 在太阳周期24之前经历的延长、深度极小期背景下，评估当前太阳周期预测技术的可靠性。
• 评估诸如地磁前兆和极区磁场强度等既定方法是否仍能有效预测弱周期。
• 通过与观测到的表面纬向环流变化对比，检验通量输运发电机模型的预测能力。
• 确定模型预测与实际周期行为之间的差异是否表明当前发电机建模方法存在缺陷。
• 最终判断现有预测工具是否已具备用于实际预测太阳周期振幅的能力。

提出的方法

• 采用奥尔的地磁前兆方法，将最小 smoothed aa 指数与后续太阳周期的振幅进行相关分析。
• 应用极区磁场前兆方法，利用威尔科克斯太阳天文台测量的极区磁场强度来预测周期24的振幅。
• 评估整合历史黑子数据以模拟太阳发电机并预测周期强度的通量输运发电机模型。
• 结合SOHO/MDI全盘磁像图获得的新表面纬向环流速度测量数据，以评估模型的一致性。
• 将模型预测与实际周期行为进行比较，特别关注周期23的持续时间长且极区磁场弱的特征。
• 通过使用周期前的最小值数据对先前周期进行回溯性应用，测试预测方法的稳定性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于最小 smoothed aa 指数的地磁前兆是否能可靠预测太阳周期24的振幅？
• RQ2 太阳活动极小期的极区磁场测量在多大程度上能预测后续周期的强度？
• RQ3 在假设纬向环流速度的前提下，通量输运发电机模型对周期24的预测准确度如何？
• RQ4 为何尽管输入数据相似，发电机模型对周期24的预测结果仍存在冲突？
• RQ5 观测到的表面纬向环流速度变化是否使当前基于发电机的预测模型失效？

主要发现

• 基于最小 smoothed aa 指数的奥尔地磁前兆预测周期24为弱周期，振幅约为75，与实际观测数据一致。
• 威尔科克斯太阳天文台的极区磁场强度测量显示，自2004年以来极区磁场持续微弱，支持周期24振幅为78±8的预测。
• 迪克帕蒂等人的通量输运发电机模型预测周期24为强周期（振幅160–180），而乔杜里等人的模型则预测为弱周期（振幅约80），显示出模型依赖性。
• 新测量结果表明，周期23衰退期的表面纬向环流速度明显快于周期23极小期，与发电机模型的假设相矛盾。
• 更快的纬向环流本应产生更强的极区磁场并导致周期23更短更强，但实际周期23却持续时间长且强度弱，这使得当前发电机模型失效。
• 本文结论认为，通量输运发电机模型目前尚不足以用于实际太阳周期预测，因其与观测到的流动动力学不一致。