太阳活动周的半球耦合模式及驱动机制的探索研究

Solar activity cycle and dynamo theories, which explain the temporal evolution and the physical origin of solar magnetic structures, are the fundamental and essential questions in the fields of solar physics. With the help of the historical data of hand-drawing sunspots and vector magnetic fields in China and the revisited sunspot data sets complied by various observatories all over the world, it is the best time to investigate the hemispheric coupling and the physical mechanism of solar magnetic acitivity on both hemispheres. This project is intended to carry out the investigation in the following contents: 1) to search the systematic regularities of the amplitude asymmetry and the phase asynchronism of hemispheric magnetic activities in different solar cycles; 2) to establish the statistical intercorrelation between the quasi-biennial oscillation (QBO) and Rieger-type periodicity (RTP) and the instabilities of magnetic Rossby wave in the solar tachocline; 3) to find the causal relationship among the coupling degree of hemispheric sunspot data, the speed of the meridional circulation, the asymmetric polar field reversals, and the secular trend of magnetic fields; 4) to inspect whether the increased level of hemispheric difference of solar activity is the forewarning indication of the grand minima, and to evaluate the reproducing probability of the grand minima similar to the Maunder minimum. From the statistical and theoretical studies, we expect that the analysis results could provide some valuable information for the potential coupling mechanism of hemispheric magnetic activities, and could promote and constraint the global dynamo theories.

太阳活动周和发电机理论是太阳物理最基本和最核心的前沿科学问题。我国太阳界陆续发布最新整编的手绘黑子和矢量磁场数据，国外多个观测台站近期也重新校准了历史时序数据，这为探究太阳活动在南北半球上的耦合模式和物理成因提供了一个绝佳的研究时机。本项目拟从发电机模型和数据统计的角度开展以下四个方面的工作:(1)寻找太阳半球活动在不同活动周的幅度不对称性和相位不同时性的系统性演化特征;(2)建立准双年振荡和类丽格尔周期的半球差异与强剪切层里的罗斯贝波不稳定性的统计相关性;(3)太阳半球活动的耦合程度增强或减弱与子午环流速度、极性反转时间和磁场变化趋势的因果关系;(4)考察持续增强的半球差异程度是否是孕育超级极小期的征兆指标，并对再现类似于蒙德极小期的可能性进行定量评估。通过统计和模拟研究，期望为探究太阳半球活动的潜在耦合机制提供有价值的观测证据，并对建立和检验更合理的发电机模型提供必要的约束条件。

太阳活动周和发电机理论是太阳物理最基本和最核心的前沿科学问题，但是太阳物理学家仍未彻底理解太阳内部的动力学演化过程。对太阳活动周的半球耦合模式和驱动机制的探索研究，不仅对深刻理解太阳磁场如何在对流层底部形成的，而且对太阳活动和空间天气的预报有着重要的指导意义。.本项目的研究内容和重要成果概括如下：（1）基于色球耀斑指数从1966年1月到2014年12月的观测数据，并采用时频分析技术对其进行时域和空域分析，得出南北半球的准双年振荡的幅度不对称性和相位不同时性的演化关系。色球耀斑指数的准双年振荡在南北半球上的相位关系十分复杂，没有明显的规律性。（2）基于极区光斑从1951年8月到1998年12月的观测数据，采用挤压小波变换对其进行时域和空域分析，得出了极区光斑的准双年振荡在南半球和北半球是调和的，但是幅度和相位在两个半球上存在明显的耦合性和差异性。对于11年周期成分，北半球领先南半球3个月，意味着不同尺度周期信号的产生机制是不一样的。（3）采用连续小波变换提取日冕绿线辐射强度的自转信号，然后对其趋势性变化进行拟合，最后使用自相关和互相关算法分析自转信号的周期特征及其与太阳活动演化之间的关系。从整体上来看，小于64天时间尺度的范围内，日冕自转的周期为27.5天且为唯一的典型周期。日冕自转的周期尺度是逐渐减少的，表明日冕的自转速度越来越快。日冕整体自转与太阳磁活动的相位演化特征，说明北半球和南半球的自转周期存在差异很可能影响到全日面的自转特性。 .本项目的大样本统计研究，对于深刻理解太阳磁场空间耦合的系统性演化规律与子午环流速度的幅度与模式、极性反转半球差异的关联过程，探索太阳半球活动的相位和幅度差异的持续增强导致或孕育超级极小期的前兆性特征，进而深化对行星际磁场的拓扑结构、改变日球电流片的位置及调制宇宙射线流量均有重要的科学意义。