地球物理学报  2013, Vol. 56 Issue (9): 2912-2917   PDF    
利用F10.7和Mg Ⅱ构建太阳极紫外辐射长时间序列
黄富祥1,2 , 江月3 , 黄光东3 , 张效信1,2     
1. 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081;
2. 国家卫星气象中心, 北京 100081;
3. 中国地质大学(北京), 北京 100083
摘要: 利用SOHO/SEM在1996-2008年的太阳EUV观测数据, 比较和评估F10.7和Mg Ⅱ作为EUV代理参数的代表性, 不能支持Viereck等关于Mg Ⅱ是比F10.7更好的代理参数的结论.通过比较对两种参数的多种回归计算结果, 确立双因子极大似然估计方法构建EUV计算模式, 通过模型计算结果与SEM观测数据比较, 表明该模型能够很好地重建EUV数据系列.利用该模式, 构建了1978年11月以来的太阳极紫外辐射数据序列.
关键词: 太阳EUV辐射      F10.7太阳指数      Mg Ⅱ太阳指数      线性回归分析     
Construction of long-time series of solar extreme ultraviolet radiation with F10.7 and Mg Ⅱ
HUANG Fu-Xiang1,2, JIANG Yue3, HUANG Guang-Dong3, ZHANG Xiao-Xin1,2     
1. Key Laboratory for Measurement and Calibration of Remote Sensing Satellite Radiation of China, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
2. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China;
3. China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: This paper compares and evaluates the representation of F10.7 and Mg Ⅱ as the proxies of EUV (Extreme Ultraviolet) using the observations of solar EUV from 1996 to 2008 of SOHO (Solar and Helospheric Observatory) /SEM (Solar EUV Monitor), and the results show that the conclusion put forward by Viereck et al., i.e., Mg Ⅱ is a better proxy than F10.7, cannot be supported. We have established the two-factor MLE (Maximum Likelihood Estimate) method to construct EUV calculation model through comparing the multiple regression calculation results of the two parameters, and the comparison between the calculated results using the model and the observations using SEM shows that this model could be used to reconstruct EUV data series. We have constructed the solar EUV radiation data set from November 1978 using this mode..
Key words: Solar EUV radiation      F10.7 solar index      Mg Ⅱ solar index      Linear regression analysis     
1 引言

太阳极紫外辐射EUV(Extreme Ultraviolet)是指波长在10~120 nm范围的太阳辐射.EUV对地球大气热量和能量收支,大气电离层、空间天气乃至地球气候都产生重要影响[1].但是,长期以来,由于缺少有效观测手段,人们难以获得EUV的直接观测数据,在各种分析计算中往往使用其他太阳参数作为EUV代理数据,F10.7和Mg Ⅱ就是其中两种广泛使用的代理参数[2-10].F10.7是一种地基观测太阳指数,从1947年开始,分为日、月、年不同时间尺度的多种数据序列[11].Mg Ⅱ则是1986年提出的一种参数,利用NOAA卫星紫外臭氧垂直探测仪SBUV(/2)(Solar Backscatter Ultraviolet)太阳光谱Mg280 nm中心发射线与278和282 nm附近h和k发射线比值计算得到的[12-15].

F10.7作为一种地面观测太阳辐照度参数,由于其数据序列久远,在一些早期的研究常常使用其作为太阳参数或代理参数[4-7];而Mg Ⅱ作为一种比较新的卫星观测太阳辐照度参数,在较近期的一些研究中得到更多的关注和使用[8-10].然而,作为EUV代理参数,F10.7和Mg Ⅱ究竟哪一种更好,却是一个争论不休的课题[16-17].在一个时期内,这些争论并没有可靠的依据,更多地是基于人们的应用偏好.直到1995年美国太阳和太阳风层探测卫星SOHO(Solar and Heleospheric Observatory)太阳极紫外辐射监测仪SEM(Solar EUV Monitor)的发射,才改变了这种状况,使不同类型代理参数的比较可以建立在与观测数据比较的基础之上[18-19].2001年Viereck等在地球物理研究快报GRL(Geophysical Research Letter)上发表论文,基于4年SOHO/SEM观测数据的比较,提出Mg Ⅱ是比F10.7更好的EUV代理参数[2].

本文利用1996-2008年SOHO/SEM观测数据,首先借鉴Viereck等的数据分析方法,对F10.7和Mg Ⅱ两种参数的代表性作了更进一步的对比和分析.在此基础上,通过采用不同回归方法、不同代理参数计算结果比较,确立拟合效果最优的EUV数据计算模型,并利用该模型构建了自1978年11月以来太阳EUV数据序列,为相关科学研究和应用提供比较完整的长时间EUV数据序列.

2 数据和方法

本文研究使用三种数据.一是SOHO/SEM获得的EUV观测数据,具体是He Ⅱ发射线日平均观测值数据(www.usc.edu/dept/space_science[2012-02-15]).美国SOHO卫星1995年发射,EUV观测数据由南加利福尼亚大学处理生成和发布,2000年9月发布V3版日平均数据经过日-地距离订正到1AU(Astronomical Unit),该数据量纲为光子每平方厘米每秒(photons·cm-2·s-1[15].二是F10.7指数序列,来自美国国家地球物理数据中心(www.ngdc.noaa.gov[2012-02-15]),数值量纲为太阳辐射单位SFU(Solar FluxUnits),1SFU=10-22 Wm-2·Hz-1.本文使用的日平均数据,经过日-地距离订正为1AU.三是Mg Ⅱ指数序列来自NOAA发布的数据库(www.swpc.noaa.gov[2012-02-15]),为2001年发布的V9.1版,该数据序列融合来自TIROS、NOAA-9、NOAA-11、GOME、NOAA-16等不同卫星平台SBUV(/2)数据,转换成统一标准的无量纲数据[14-15].在数据分析过程中,Mg Ⅱ数据缺失的日期,不参与数据计算和比较.

选取SOHO/SEM 1996年1月至2008年12月完整太阳第23周期EUV数据,采用与Viereck等相同的线性回归分析方法,比较F10.7和Mg Ⅱ两种参数与SEM数据之间的相关性指数,评估哪一种参数代表性更高.在此基础上,采用多种双因子线性回归方法,进一步考察利用F10.7和Mg Ⅱ两种参数计算EUV的方法,确定最优计算模式.

3 结果与分析 3.1 单因子回归分析结果与比较

图 1给出1996-2008年SEM观测值、F10.7和Mg Ⅱ三个数据序列比较情况,鉴于不同数据量纲差异,进行了归一化处理.

图 1 1996-2008年太阳EUVSEM观测值与F10.7和Mg Ⅱ日数据序列比较 Fig. 1 Comparison of normalized SEM measurements with F10.7 and Mg Ⅱ data set

图 1可见,在1996-2008年太阳第23周期,从总体上,SEM观测值与F10.7和Mg Ⅱ都呈现出较好的一致性变化趋势.三种数据在年间和年内都呈现出周期性变化特征,年际变化呈现出明显的太阳周期:从1996年开始逐年上升,到2001年初达到一个峰值,经过2001年短暂下降后,在2002年又回到上升趋势,2002年夏季达到另一个更高的峰值,然后逐年下降到2008年.从图中也可直观地看出,在1996-2001年EUV逐年上升阶段,Mg Ⅱ比F10.7更接近观测值,而在2002-2008年EUV逐年下降阶段,F10.7则比Mg Ⅱ更接近SEM数据.

Viereck等在研究中进行的单因子线性回归分析[2],可以用模型表示如下:

(1)

其中,X为因变量F10.7或Mg Ⅱ代理参数,Y为太阳极紫外辐射EUV,b0b1为回归系数,ε为误差变量.

Viereck等通过比较1996-2000年F10.7和Mg Ⅱ两种参数与EUV观测值之间相关系数差异,判断作为EUV代理参数的优劣性.首先采用与Viereck等相同的单因子线性回归,结果见表 1.

表 1 单因子线性回归 Table 1 Results of single factor regression

表 1利用13年数据回归分析比较可见,F10.7比Mg Ⅱ与EUV有更好的相关性.说明利用13年观测数据检验的结果,不能支持Viereck等利用4年数据得出Mg Ⅱ是比F10.7更好的EUV代理参数的结论.

图 2给出利用表 1中单因子回归模型计算的EUV数据与SEM观测值比较的情况.

图 2 利用单因子回归方程计算EUV数据与SEM观测值比较 (a)F10.7;(b)Mg Ⅱ. Fig. 2 Comparison between SEM measurements with calculated data using single factor regression models

图 2可见,尽管两种模型计算数据都与SEM观测值有较好的一致性,但是,在多数时刻F10.7比Mg Ⅱ计算数据与EUV观测值更吻合.该分析结果至少表明,Viereck等关于Mg Ⅱ是比F10.7更好的EUV代理参数的结论不充分.

3.2 双因子极大似然估计回归分析结果与比较

将F10.7和Mg Ⅱ作为双自变量,采用最小二乘法和极大似然估计方法,进行多元线性回归.表 2给出两种方法的回归分析结果.

表 2 双因子线性回归 Table 2 Results of two factors regression

表 2可见,利用最小二乘和极大似然估计两种方法进行双因子线性回归的结果,在相关性上存在较大差异.其中,利用极大似然估计方法建立的回归方程,可以很好地模拟SEM观测值.图 3给出利用极大似然估计回归模型计算数据与SEM观测值比较的情况.

图 3 利用极大似然估计拟合模型计算数据与SEM观测值比较 (a)1996-1999年;(b)2000-2003年;(c)2004-2008年. Fig. 3 Comparison of SEM measurements and calculated data using maximum likelihood estimated model

图 3按1996-1999,2000-2003,2004-2008年三个时间段给出模型计算数据与SEM观测值比较情况.从图中可见,在1996-2008年13年中,模型计算结果在绝大多数时间都与SEM观测值高度一致,模型相关系数达到0.9949,只在2007年9月下旬至11月初,以及2008年9月存在较大差异,这主要与该两个时间段Mg Ⅱ数据缺失比较严重有关.此外,2007年10月9日开始至2008年4月11日,以及2008年9月23日至2008年年末Mg Ⅱ数据大部缺失,造成这些时间段模型计算无从进行.

3.3 利用双因子回归模型构建EUV长时间序列数据集

由于SOHO/SEM EUV观测值从1996年才开始发布,此前的EUV数据只能依靠本文建立的F10.7和Mg Ⅱ双因子线性回归模型构建.图 4是利用自1978年11月7日Mg Ⅱ指数发布以来至1995年年底数据,结合同期F10.7数据计算生成的EUV数据序列.

图 4 利用极大似然估计拟合模型构建1979-1995年太阳EUV数据序列 Fig. 4 Construction of Solar EUV irradiance using the two factors regression model

从图中可见清晰的太阳第22周期后半段到23周期太阳EUV变化过程.由于在该时间段内缺乏EUV实测数据,因此,利用本文建立的双因子回归模型构建的该时间段EUV数据序列可以作为各种相关研究和计算的数据源.同时,也应该看到,在该时间段里,由于Mg Ⅱ数据缺失现象的普遍存在,尤其是1988年9月13日-11月13日、1991年2月28日-3月31日缺失,以及其他时间的零星缺失,对EUV数据序列连续性造成影响.

4 结论

本文利用1996-2008年SOHO/SEM获得的太阳EUV观测数据,对比分析了F10.7和Mg Ⅱ两种指数的代表性,得到如下结论:

(1) 利用13年数据分析结果不能支持Viereck等利用4年数据比较得出的Mg Ⅱ是比F10.7更好的EUV代理参数的结论.就单个代理参数与SOHO/SEM观测值的相关性比较,不是Mg Ⅱ比F10.7更优,而是正好相反.

(2) 对比计算结果表明,利用F10.7和Mg Ⅱ双参数拟合计算EUV辐射比采用单个参数计算具有更高精度.这个结果与Wit等关于太阳EUV代理参数计算多参数综合计算效果更优的结论吻合.

(3) 采用双参数极大似然估计线性回归方法,建立太阳EUV辐射计算模型,与SOHO/SEM观测值具有良好效果,相关系数R2达到0.9949.表明利用Mg Ⅱ和F10.7两种参数和本文模型计算EUV数据序列,与卫星EUV观测数据有着高度的一致性,可以应用于相关的各种研究和应用.

(4) 利用双参数线性回归模型,构建了1978年11月以来比较完整的太阳EUV数据序列,其中,1978-1996年缺乏EUV观测数据,本文计算建立的EUV数据序列可以在此期间发挥无可替代的作用.

需要指出的是,本文利用代理参数计算太阳EUV数据序列的模型,还需要得到更多实际观测的检验,此外,在1988-1991年Mg Ⅱ数据缺失严重的时期,如何保证EUV数据序列的完整性.这些问题都有待未来进一步研究解决.

参考文献
[1] Woods T N. Recent advances in observations and modeling of the solar ultraviolet and X-ray spectral irradiance. Advances in Space Research , 2008, 42(5): 895-902. DOI:10.1016/j.asr.2007.09.026
[2] Viereck R, Puga L, McMullin D, et al. The Mg Ⅱ index: a proxy for solar EUV. Geophys. Res. Lett. , 2001, 28(7): 1343-1346. DOI:10.1029/2000GL012551
[3] Tobiska W K. Revised solar Extreme Ultraviolet flux model. J. Atmos. Terr. Phys. , 1991, 53(11-12): 1005-1018. DOI:10.1016/0021-9169(91)90046-A
[4] Richards P G, Fennelly J A, Torr D G. EUVAC: A solar EUV flux model for aeronomic calculations. J. Geophys. Res. , 1994, 99(A5): 8981-8992. DOI:10.1029/94JA00518
[5] Hinteregger H E. EUV fluxes in the solar spectrum below 2000. J. Atmos. Terr. Phys. , 1976, 38(8): 791-806. DOI:10.1016/0021-9169(76)90020-9
[6] Hinteregger H E, Fukui K, Gilson B R. Observational, reference and model data on solar EUV, from measurements on AE-E. Geophys. Res. Lett. , 1981, 8(11): 1147-1150. DOI:10.1029/GL008i011p01147
[7] Warren H P, Mariska J T, Lean J. A new reference spectrum for the EUV irradiance of the quiet Sun: 1. Emission measure formulation. J. Geophys. Res. , 1998, 103(A6): 12077-12089. DOI:10.1029/98JA00810
[8] Thuillier G, Bruinsma S. The Mg Ⅱ index for upper atmosphere modelling. Annales Geophys. , 2001, 19(2): 219-228. DOI:10.5194/angeo-19-219-2001
[9] Lean J L, Warren H P, Mariska J T, et al. A new model of solar EUV irradiance variability 2. Comparisons with empirical models and observations and implications for space weather. J. Geophys. Res. , 2003, 108(A2): 1059. DOI:10.1029/2001JA009238
[10] 汪宏波, 赵长印. 不同太阳辐射指数对大气模型精度的影响分析. 中国科学(G辑:物理学力学天文学) , 2009, 39(3): 467–475. Wang H B, Zhao C Y. Analysis on the impact of different solar radiation indexes on atmospheric model accuracy. Science China (Series G: Physics, Mechanics & Astronomy) (in Chinese) , 2009, 39(3): 467-475.
[11] Tanaka H, Castelli J P, Covington A E, et al. Absolute calibration of solar radio flux density in the microwave region. Solar Phys. , 1973, 29(1): 243-262. DOI:10.1007/BF00153452
[12] Heath D F, Schlesinger B M. The Mg 280-nm doublet as a monitor of changes in solar Ultraviolet irradiance. J. Geophys. Res. , 1986, 91(D8): 8672-8682. DOI:10.1029/JD091iD08p08672
[13] Hedin A E. Correlations between thermospheric density and temperature, solar EUV flux, and 10.7 cm flux variations. J. Geophys. Res. , 1984, 89(A11): 9828-9834. DOI:10.1029/JA089iA11p09828
[14] Viereck R A, Puga L C. The NOAA Mg Ⅱ core-to-wing solar index: construction of a 20 year time series of chromospheric variability from multiple satellites. J. Geophys. Res. , 1999, 104(A5): 9995-10005. DOI:10.1029/1998JA900163
[15] Deland M T, Cebula R P. Creation of a composite solar ultraviolet irradiance data set. J. Geophys. Res. , 2008, 113(A11): A11103. DOI:10.1029/2008JA013401
[16] Woods T N, Chamberlin P C, Harder J W, et al. Solar irradiance reference spectra (SIRS) for the 2008 whole heliosphere interval (WHI). Geophys. Res. Lett. , 2009, 36(1): L01101. DOI:10.1029/2008GL036373
[17] Wit T D, Kretzschmar M, Boundarham J A, et al. Which solar EUV indices are best for reconstructing the solar EUV irradiance?. Adv. Space. Res. , 2008, 42(5): 903-911. DOI:10.1016/j.asr.2007.04.019
[18] Judge D L, McMullin D R, Ogawa H S, et al. First solar EUV irradiances obtained from SOHO by the CELIAS/SEM. Solar Phys. , 1998, 177(1-2): 161-173.
[19] Ogawa H S, McMullin D R, Gangopadhyay P, et al. The SOHO CELIAS/SEM EUV database from SC23 minimum to the present. Adv. Space. Res. , 2002, 29(12): 1963-1968. DOI:10.1016/S0273-1177(02)00251-X