太阳活动周预报的物理基础和预报方法研究

Solar activities show a quasi-periodicity with a period of about 11 years. The amplitudes of different cycles have large variations. The understanding and forecast of solar cycle variations are of theoretical and practical significance. Due to the upcoming end of the ongoing cycle 24 and the current stage of the understanding of the solar cycle, it is timing and pressing to start a project on the understanding and forecast of solar cycles. It is also an opportunity in such a field for Chinese scholars. This project aims to study the modulations of solar cycles due to the nonlinearities and the stochastic effects based on long-term datasets of solar activities. The models will be developed to predict solar cycles based on the understandings of the solar cycle. Under the support of the project, the following subjects are expected to be developed by combining the observations, the surface flux transport modeling, and the Babcock-Leighton type dynamo modeling. We will deepen the understanding of the large-scale magnetic field during the past few cycles. The statistical probability and the properties of grand maxima and grand minima will be quantified. A semi-empirical prediction model to study the predictability of solar cycle over one cycle and a physics-based model to predict solar activity in about 1-2 years ahead will be developed. The main ideas of the proposal are based on the past studies of the applicant and on the cutting-edge subjects in this field.

太阳活动呈现约11年的周期性变化，每个活动周的强度都会有所不同。对太阳周强度变化的理解和预报有着重要的现实意义和科学价值，又鉴于当前的太阳周即将结束以及目前发电机理论发展的阶段，对太阳周的理解和预报研究具有较强的及时性和紧迫性。本项目由太阳活动长期历史数据、太阳周强度变化的物理原因和太阳周的预报方法三个互相关联的部分组成。总体研究目标是通过建立均质的长期太阳活动数据库，理解调制太阳周强度变化的物理机制，开发太阳周的物理预报模型，为实际应用服务的同时，检验我们对太阳周的理解。将以长期的太阳活动数据为基础，太阳表面磁通量输运模型和两维发电机模型相结合，研究非线性和随机性机制对太阳周强度变化的调制作用，并基于对太阳周的物理理解，开发半经验和物理预报模型，并实现基于半经验模型的、约15年尺度内的太阳周轮廓的概率预报和基于物理模型的较短时标的预报。通过本项目的实施，拟解决或进一步理解关于太阳周的以下三个关键科学问题：调制太阳周强度变化的非线性和随机性因素是什么样的？目前所理解的发电机过程是否还有缺失的关键环节？导致第23周深度极小的反常极性黑子的浮现是普遍还是偶然现象？

太阳活动呈现约11年的周期性变化，每个活动周的强度都会有所不同。本项目旨在研究太阳周强度变化背后的物理机制，并开发太阳周的半经验和物理预报模型。项目首次提出了复杂活动区对太阳周的特殊影响，给出了可以描述任意位形太阳活动区对极小年极区磁场贡献的代数方法，提供了一个对磁通量输运数值模拟的简洁而准确的替代，该方法为量化大尺度磁场的特征开辟了新的道路，这对于太阳活动周演化的研究和基于物理模型的活动周预报有重要的意义。项目首次基于观测，提出了调制太阳活动周强度变化的可能的非线性机制，论证了倾斜角淬火即黑子群倾角与太阳周强度的反相关性有较强的统计学意义，并解释了过去研究对于此关系有争议的原因。我们将其与将纬度淬火一起纳入发电机框架，发现长期被忽视的纬度猝火同倾斜猝火一样，在调节太阳周变化的过程中起着至关重要的作用。两种淬火机制对太阳周的调节解释了观测到的奇偶法则这一长期太阳变化规律。我们开发了新一代发电机模型，其工作在对流层主体，即环向场产生于对流层的主体，且不再依赖于差旋层的径向剪切作用，并利用此模型提出了纬度依赖的径向通量输运可以产生蝴蝶图的新机制。我们预报了第25太阳周的强度，结果表明第25太阳周将是一中等强度的周期，并比较了不同物理预报模型间的差别。此外，我们还将太阳活动周研究的方法应用于恒星磁活动周，将引入了径向磁泵的磁通量输运太阳发电机模型应用于恒星磁活动周的研究，我们首次很好地再现了对于自转周期大于15天的慢速旋转恒星观测到的周期-周期关系，即旋转越快的恒星，其磁周期倾向越短。我们的研究为以后研究其余恒星的磁活动打下基础。在本项目的支持下共有16篇SCI期刊文章发表，5次国际会议邀请报告。