2. 国家卫星气象中心, 北京 100081;
3. 中国地质大学(北京), 北京 100083
2. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081, China;
3. China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
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.
从图 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,b0和b1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.
从图 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.
从表 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.
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.
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