[论文解读] The solar magnetic field since 1700: I. Characteristics of sunspot group emergence and reconstruction of the butterfly diagram

Jie Jiang, R. H. Cameron+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用 54

一句话总结

本文利用基于群黑子数（$R_G$）与黑子群属性（如纬度、面积、倾角和经度）之间统计相关性的半合成黑子群数据，重建了自1700年以来的太阳蝴蝶图。通过建模这些相关性，作者生成了时间分辨、统计一致的黑子出现重建结果，使长期研究太阳磁场演化成为可能，尤其适用于通量输运和辐照度建模。

ABSTRACT

We use the historic record of sunspot groups compiled by the Royal Greenwich Observatory together with the sunspot number to derive the statistical properties of sunspot group emergence in dependence of cycle phase and strength. In particular we discuss the latitude, longitude, area and tilt angle of sunspot groups as functions of the cycle strength and of time during the solar cycle. Using these empirical characteristics the time-latitude diagram of sunspot group emergence (butterfly diagram) is reconstructed from 1700 onward on the basis of the Wolf and group sunspot numbers. This reconstruction will be useful in studies of the long-term evolution of the Sun's magnetic field.

研究动机与目标

• 仅使用黑子数数据，重建自1700年以来太阳蝴蝶图的长期演化。
• 建立黑子群出现特征（纬度、面积、倾角、经度）与太阳周期特性（相位、强度）之间统计关系的模型。
• 生成用于长期太阳磁场建模的半合成黑子群出现数据集。
• 支持蒙特卡洛风格的太阳开放磁通、极区磁场演化及百年尺度辐照度变化研究。

提出的方法

• 以群黑子数（$R_G$）作为时间基准，重建自1700年以来的黑子群出现情况。
• 利用RGO、MWO和科度坎阿尔数据集，建立基于$R_G$推导的周期参数（强度、相位）与黑子群属性（纬度、面积、倾角、经度）之间的经验相关性。
• 将平均出现纬度建模为周期相位的二阶多项式函数，其振幅与周期强度相关。
• 利用幂律分布模拟小规模黑子群面积，大群体积则采用对数正态分布，且平均面积在周期极大期上升。
• 基于与周期强度和相位的观测相关性，整合倾角统计和经度分布。
• 通过从推导出的统计分布中抽取随机实现，结合$R_G$和$R_Z$时间序列，生成半合成蝴蝶图。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑子群的平均出现纬度和纬向展宽如何随太阳周期相位和强度变化？
• RQ2 黑子群面积分布与周期相位或周期强度之间的统计关系为何？
• RQ3 黑子群的倾角和经向分布如何与周期参数相关？
• RQ4 在仅使用$R_G$并结合经验相关性的情况下，蝴蝶图能在多大程度上被重建？
• RQ5 在1874年之前，$R_G$与$R_Z$之间的差异如何影响重建的蝴蝶图？

主要发现

• 黑子群的平均出现纬度随周期相位呈二阶多项式变化，强周期的平均纬度更高。
• 纬向展宽与平均出现纬度的比值系统性地随周期相位变化，表明太阳盘面活动分布不均匀。
• 黑子群面积分布跨周期保持一致，小群呈幂律依赖，大群呈对数正态分布。
• 在周期极大期，黑子群的平均面积显著增大，尤其在强周期中更为明显。
• 黑子群簇（黑子群集群）在周期极大期起主导作用，是群数观测峰值的重要贡献因素。
• 基于$R_G$和$R_Z$重建的蝴蝶图在1874年之前显示出微小但与周期相关的差异，体现在平均纬度和出现模式上，反映了两种黑子数系列之间的差异。