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1、摘要空间环境是航天技术和无线通讯技术研究中要考虑的重要因素之一，而扰动空间环境的驱使源是太阳活动，研究掌握太阳活动变化规律并对其进行准确预报具有重要的理论意义和广泛的应用前景。由于人类目前对于太阳活动的物理机制尚很有限，对于太阳活动的预测主要依赖于数学和统计学的方法。已有的统计类方法和函数描述类方法均旨在对太阳活动周期轮廓的整体预测，但是它们的共同缺点是预测缺少对知识信息的利用、预测提前期短及对周期峰值的预测效果差。统计先验类方法是对轮廓预测类方法的有效补充，该类方法旨在预测周期峰值。在轮廓预测类方法中结合统计先验类方法所提供的峰值预测，不仅可以提高预测精确度，而且可以将预测期提前。统计先验类
2、方法预测太阳活动周期峰值具有预测方法简便、预测提前期长等优点而被广泛采用，但是基于独立信息的统计先验类方法会在个别周期的预测中出现较大误差，以致人们对该方法预测结果的可靠性产生疑问。本文在国家“十五”项目的资助下，深入研究了基于综合信息的太阳活动周期预测方法。本文主要工作和创新点如下：1. 提出了基于综合信息的太阳活动周期峰值预测方法。在传统的基于地磁活动指标型信息的统计先验类方法中，加入太阳活动周期轮廓的隐含型信息和几何型信息，采用多元回归技术实现周期峰值预测。实验结果证明，基于该新方法的预测模型的预测精确度、适应性和稳定性均明显提高；提出了满足中、长期不同预测需要的预测模型。根据所利用信息
3、的可获得时间，归纳出分别适用于长、中、短期预测需要的预测模型。在轮廓预测方法中结合这些预测模型所做出的峰值预测结果，得到对完整太阳活动周期的较好预测。2. 利用粒子滤波技术对太阳活动周期进行跟踪、预测，在局部时间范围内取得成功，是该项技术在这一领域内的首次尝试。关键字 太阳活动周期 统计先验类方法 综合信息模型 峰值预测Statistical Prediction of Solar ActivityQin LeiDirected By Tu GuofangThe space environment is one of the key factor that needs to think abo
4、ut in the research of the space technology and the wireless communication technology , and the driving source that leads to the disturbance of the space environment is the solar activity. Studying and mastering the transition law of the solar activity and further making accurate prediction is of gre
5、at theoretical significance and wide application potential. As the moment the Human knowledge for the physical mechanism of solar activity is still very limited. The predicting for solar activity mainly rely on mathematical and statistical methods. Available statistical method and function descripti
6、on method were both designed to predict the overall solar activity cycle profile. But their common shortcoming is the lack use of information, short predicting lead time and the worse performance of predicting the peak of the cycle. Statistical precursor method can act as an effective complement to
7、the above two methods, which is designed to predict the cycle peak. The profile predicting methods in conjunction with the predicting result of the cycle peak provided by the statistical precursor methods can not only improve the accuracy of prediction but also advance the lead time.Statistical prec
8、ursor method to predict the solar activity cycle peak is simple, with long lead time and widely used. However, it will appear biggish error in a certain cycle prediction by this method of the type based on independent information, which makes people doubt the reliability of this methods predicting r
9、esults.The research work of this thesis, sponsored by The National 10th Five-Year. Project Foundation, study the new solar activity cycle prediction method based on multi-information.The major contributions of this thesis include:1. A synthesis prediction method based on multi-information is provide
10、d here. The new method is adding the hidden information and geometrical information of the solar activity cycle profile to the traditional statistical precursor method based on the geomagnetic activity indicators information, and making the cycle peak prediction using multiple regression technology.
11、 Its shown by the experiment results that the prediction accuracy, adaptability and stability of the new method have improved significantly. The different prediction models satisfying separately the medium-term and long-term prediction needs are provided here. According to the time when the informat
12、ion is available, we sum up the different prediction models satisfying separately the long-term, medium-term and short-term prediction needs. Using the profile prediction methods in conjunction with the cycle peak prediction results from these above different prediction models, we can get a better p
13、rediction for the complete solar activity cycle profile.2. Tracking and predicting the solar activity cycle profile by using particle filter technique, which is the first attempt in this research field, has been done and has made some progress in some local time range.KeywordsSolar activity cycle, s
14、tatistical precursor methods, synthesis information model, prediction of the amplitude目 录摘要1目 录IV第一章 绪论111 研究背景1111 太阳活动对人类的影响1112 太阳活动周期预报研究热点312 本文研究的内容413 本文的组织结构5第二章 太阳活动周期峰值预测方法概述62.1太阳活动和电离层扰动6211 太阳和太阳活动7212 电离层扰动82.2 太阳黑子时间序列102.2 时间序列分析方法132.3统计类方法152.4 函数描述类方法192.5 统计先验类方法232.6 本章小结39第三章 基
15、于先验信息的太阳活动周期峰值预测263.1 隐含型信息263.2 几何型信息303.2.1 周期轮廓的偏度信息303.2.2 周期上升期的最大斜率信息333.3 地磁活动指标型信息（geomagnetic activity precursor）3435 本章小结38第四章 基于综合信息的太阳活动周期峰值预测方法及模型394.1 预测模型性能评判标准394.2传统的统计先验类方法存在的问题404.3基于综合信息的太阳活动周期峰值预测方法424.4仿真结果与分析434.5中、长期预测模型454.6 本章小结46第五章 粒子滤波技术在太阳活动周期研究中的尝试475.1 动态系统和滤波器475.2粒子
16、滤波技术495.2.1时序重要性采样495.2.2 重采样505.3利用粒子滤波技术跟踪太阳黑子变化525.4 本章小结53第六章 总结及展望54参考文献55致谢58附录59第一章 绪论11 研究背景随着空间探测技术和无线通讯技术的发展，人们发现空间环境状态的变化影响和制约着这些技术的实验和实施。空间环境扰动的驱使源是太阳：太阳的X射线爆发会引起地球电离层突然骚扰，因而影响甚至中断短波无线电通讯，并且对长波通讯也有影响；太阳爆发发射的强高能带电粒子流到达地球附近时，会引起近地空间（卫星轨道附近）的强烈扰动，威胁人造卫星，卫星上的仪器、器件以及宇航员的生命，也会引起地磁扰动。太阳活动的长期变化也
17、影响着地球环境变化。目前大量航天器的使用给各国的政治、经济、军事带来极大的经济和社会效益。所以，经济实力较强的国家都非常关注空间环境。近十几年来引起地球空间环境最强烈的、灾害性变化的太阳活动发生在1989年3月1。3月初，日面上出现了一个大太阳黑子群，它的面积相当于几十个地球的面积。此黑子群发生的几十个强烈耀斑活动引起过39次强烈短波通讯突然骚扰，其中15次通讯部分中断，24次全部中断。这个黑子群发生的大爆发把大量的高能带电粒子抛向地球，在卫星轨道空间引起了一场灾难。据美国地球物理资料中心统计，1989年3月份，有46例卫星异常的记录。源于这个黑子群的太阳风暴到达地球，引起强烈地磁暴。这次强日
18、地活动使加拿大魁北克省的大部分地区停电达9小时以上，600万居民受到影响，使魁北克省电力公司损失19400兆瓦的电力。鉴于上述原因，不少国家非常重视对太阳活动对地球环境影响的研究。从60年代开始，纷纷成立日地空间天气的预报机构，进行相关研究和预报服务，并且成立了“国际空间环境服务中心”，总部设在美国。其下设有10个区域警报中心。有美国、加拿大、俄罗斯、日本、捷克斯洛伐克、法国、印度、澳大利亚、波兰和我国。随着我国航天事业的崛起和无线通讯事业的发展，我国从20世纪60年代末就开始了太阳活动预报的研究和服务，为我国的航天事业、国防通讯事业做出了有益的贡献。目前，我国正在组织有关单位制定“我国空间天
19、气战略计划”。随着我国科学技术的进步，日地空间环境预报和服务必将为我国的航天事业，国防通讯事业做出更大的贡献。111 太阳活动对人类的影响太阳活动对太阳系环境产生巨大影响，地球当然也不例外。太阳风暴是剧烈太阳活动及其在日地空间引起的强烈物理效应的通俗说法。太阳活动是太阳风暴的诱发因素。太阳活动主要类别包括黑子、耀斑、日珥爆发和日冕物质抛射。太阳风暴对地球气候和地球运动有长期影响，对于人类社会的高技术系统，如空间飞行器、飞行器上的仪器和宇航员、短波通讯、导航、遥感有很大的危害。因此，太阳风暴对人类生存环境产生重大的影响。太阳活动时会向它周围的空间输出电磁辐射和太阳风（即高速带电粒子流）。太阳电磁
20、辐射、太阳风、地球大气层构成了日地空间基本环境。太阳活动对日地空间环境的扰动方式主要包括2：（1）突然增强的电磁辐射 （耀斑）；（2）高能粒子注入日地空间 （耀斑或日珥爆发）；（3）大量的磁化等离子体冲击地球磁层（日冕物质抛射或日珥爆发）；这些扰动引起地球磁场激烈变动，电离层发生强烈骚扰，地球高层大气化学成分、密度和温度发生急剧改变。上述变化可能进一步引起如下灾害性事件：宇航员可能受到辐射伤害； 无线电传播受到强烈干扰；电磁遥感测量在磁暴期间常常发生错误；电波路径发生位移，GPS定位、导航产生误差；大磁暴使电网超载、造成输中断；卫星衰老并过早陨落，星载电子仪器受到严重损害。据统计,1971年2
21、月至1986年11月美国卫星出现的1589次异常事件中,70%与卫星所处的空间环境有关，空间环境直接诱发的异常事件占16.7%。卫星故障分析表明，在所有卫星故障中, 空间环境诱发的故障约占40%。近十几年太阳风暴造成的灾难事件（不完全统计）有2：1989年3月13-14日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电；全球无线电通讯受到干扰；日本一颗通讯卫星异常；美国一颗卫星轨道下降； 1991年4月29日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏；1994年1月20-21日，两个加拿大通讯卫星发生故障；1997年1月6-11日的日冕物质抛射 使AT&T公司通讯卫星报废；1998年5月19日美国银河
22、四号通讯卫星失效,同时德国一颗科学卫星报废；2000年7月14日欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到严重损害，日本的 ASCA卫星失控，AKEBONO卫星的计算机遭到破坏。2003年10月28日，欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，日本“回声”卫星失控。另外，统计结果也显示地球上旱涝灾害和地震灾害的发生次数呈现与太阳活动相似的周期性。这说明太阳活动对地球大气和地球运动有影响。从古树的年轮、极地冰层沉积和地层沉积的分析都可以发现太阳活动影响的证据，因此太阳活动长期影响人类的生存环境。112 太阳活动周期预报研究热点太阳活动与地
23、球、人类息息相关，太阳活动预报自然成为一大研究热点。由于人类对于太阳活动的认识水平还不够，目前太阳活动预报只能依赖统计预报方法。太阳上的活动现象分为缓变型和爆发型3。缓变型太阳活动包括太阳黑子兴衰、谱斑的增减、冕洞的生消、与之有关的紫外辐射的强度变化等。爆发型太阳活动包括耀斑、暗条/日珥爆发和日冕物质抛射等。其中，太阳黑子是最容易观测到的缓变的太阳活动现象，其变化规律与太阳活动变化规律一致，因此通常将太阳黑子相对数作为衡量太阳活动水平的指标。除了太阳黑子相对数外，可以大致表示太阳活动平均水平的指数还有每天的日面黑子总面积、谱斑总面积以及波长为10.7cm（2800MHz）的太阳射电流量，它们均
24、与太阳黑子相对数成正相关。不过，除了黑子面积的记录历史较长外，谱斑面积和10.7cm太阳射电流量只有几十年的记录可查。在研究太阳活动变化规律方面，最常用的仍然是太阳黑子相对数。太阳黑子相对数的系统记录已经积累了200多年，成为分析和研究太阳活动的重要资料，对其变化规律的研究及未来预测成为一大热点。已有的太阳黑子时间序列表明4，它是一个非平稳时间序列，即它的统计特性随时间推移而发生变化：通常所说的太阳黑子11年的变化周期只是一个平均值，其实际周期跨度从8年到15年不等；另一方面，如果令表示年太阳黑子数，显然在已有的数据中并不存在一个，使得对于每一个都有。传统的时间序列分析方法是将非平稳时间序列通
25、过变换转化为平稳时间序列，再采用经典的Box-Jenkins5-14方法处理。但是，由于太阳黑子时间序列复杂的非平稳特征，以及目前为止尚未找到理想的将该非平稳序列转化为平稳序列的方法，常规的时间序列分析方法只能得到太阳活动变化的大致走势而无法提供满意的预测精确度。几十年来，统计学、数学、天文学、信息科学等领域的科学家们在对太阳活动周期的预测方面取得了可喜的进展15。先后出现了以McNish-Lincoln16方法为代表的统计类方法和以HWR17方法为代表的数学类方法，这两类方法旨在对太阳活动周期的轮廓预测，适用于对周期下降阶段的太阳活动水平预测，但是对周期峰值的预测效果差且不稳健。以Ohl 1
26、8-19、Thompson20-21、Lantos22等人所提方法为代表的统计先验类方法是对轮廓预测类方法的有效补充，该类方法旨在预测周期峰值，可以克服轮廓预测类方法仅仅依赖于太阳黑子时间序列数据本身而缺少对知识信息利用的缺点，并且将预测有效期大大提前。统计先验类方法被认为是到目前为止在周期峰值预测方面最可靠的方法18-21，在轮廓预测类方法中结合统计先验类方法所提供的峰值预测，不仅可以提高预测精确度，而且可以将预测期提前，甚至可以在新周期到来之前。统计先验类方法主要是利用已知信息与待预测周期峰值的统计关联实现预测，所采用的已知信息主要分为隐含型信息、几何型信息和地磁活动指标型信息。相比其它两
27、类信息而言，地磁活动指标型信息与待预测周期峰值具有最高的统计相关性，因而被广泛用于周期峰值的预测中。但是，研究表明22，无论是哪一类先验信息，都会在对极个别周期的预测中产生显著误差（以偏离真实观测值20%为标准）。我们目前所处的第23太阳活动周期即出现了这样的情况，综合所有已发表的基于地磁活动指标型信息的预测结果，平均值为157，这样的结果与真实的观测结果120.7比较，显然预测是失败的。我们的研究表明，单纯利用某个地磁活动指标或者某些地磁活动指标的组合作为先验知识进行预测，都无法对第23太阳活动周期得出与实际观测值相符的预测结果，这就使人们对于统计先验类方法的预测可靠性提出质疑，需要探索新的
28、预测方法。12 本文研究的内容本文主要研究太阳活动周期的预测技术，研究重点是结合统计先验类方法中的隐含型信息、几何型信息和地磁活动指标型信息，综合预测太阳活动周期峰值，再将此峰值信息加入到轮廓预测类方法（如HWR方法）中，以得到对完整太阳活动周期的预测。以McNish-Lincoln方法为代表的统计类方法和以HWR方法为代表的数学类方法，均旨在对太阳活动周期的整体做出预测，其中McNish-Lincoln方法是目前唯一在实用中被采用的太阳周期预测方法。但是这两类方法存在的共同缺点是：一方面，预测仅仅依赖于太阳黑子时间序列数据本身，缺少对知识信息的利用；另一方面，只有当模型框架基本确立的情况下才
29、具备预测功能，也就是说其预测有效期通常是在周期开始后的三到四年之后，对周期起始时段及周期峰值的预测效果差且不稳健。以Ohl、Thompson、Lantos等方法为代表的统计先验类方法是对轮廓预测类方法的有效补充，该类方法旨在预测周期峰值，可以克服轮廓预测类方法仅仅依赖于太阳黑子时间序列数据本身而缺少对知识信息利用的缺点，在轮廓预测类方法中结合该类方法所提供的峰值预测，不仅可以提高预测精确度，而且可以将预测期提前。统计先验类方法主要是利用已知信息与待估计特征参量（这里指待预测周期的峰值）的统计关联实现预测，所采用的已知信息主要分为隐含型信息、几何型信息和地磁活动指标型信息。其中，隐含型信息是指隐
30、含于太阳黑子时间序列本身数据中的信息，几何型信息是指用以描述太阳黑子时间序列周期轮廓的几何信息，地磁活动指标型信息是指用以衡量地磁活动水平的指数信息。与隐含型信息和几何型信息相比，在用线性回归技术进行分析时，地磁活动指标型信息与周期峰值的线性相关性最强（当考察范围为第9至22太阳活动周期时，回归系数通常在0.90以上），因此在实际预测中被广泛采用，而隐含型信息和几何型信息由于与周期峰值间的线性相关性相对较弱，因而在需要一定精确度的周期峰值预测过程中往往被忽略。虽然，地磁活动指标型信息与太阳活动周期峰值通常是强相关的，但是，研究发现，无论是利用哪一种地磁活动指标型信息进行峰值预测，都会在极个别周
31、期的预测中出现不可接受的错误（以偏离实际观测值20%为限）。我们目前所处的第23个太阳活动周期即出现了这样的异常，统计已发表的基于地磁活动指标型信息的预测结果，其平均预测值为157，这样的预测结果与实际观测结果120.7比较，显然预测是失败的，偏离实际观测值超过30%。本文的研究旨在对统计先验类方法做出改进，提供一种可靠、稳健且实用的太阳活动周期峰值预测方法。本研究中综合利用隐含型信息、几何型信息和地磁活动指标型信息预测太阳活动周期峰值。结果表明，与单纯利用地磁活动指标型信息的峰值预测模型相比，利用基于彼此独立信息的综合信息模型对周期峰值进行预测，其模型的适应性、稳定性均明显提高。同时，文中提
32、出了满足长、中、短期不同预测需要的太阳活动周期预测模型和方法。13 本文的组织结构第一章简要介绍本课题的研究背景，太阳活动对人类的影响，太阳活动周期变化规律研究及预测方法的发展现状，以及本课题的主要研究内容和创新性，即基于综合信息的太阳活动周期峰值预测方法。第二章介绍了研究太阳活动周期的主要参考-太阳黑子时间序列及其复杂的非平稳特性、传统的时间序列分析方法及已有的三大类太阳活动周期预测方法，即统计类方法、函数描述类方法和统计先验类方法，同时介绍了这三类预测方法的特点及目标侧重点。第三章详细描述了基于先验信息的太阳活动周期峰值预测方法，即统计先验类方法。描述了该方法主要用到的三类先验信息（隐含型
33、信息、几何型信息和地磁活动指标型信息）和基于这三类信息的周期峰值预测方法的应用前景。第四章介绍了本研究中的创新点，对于单纯基于地磁活动指标型信息的统计先验类预测方法的改进，即基于综合信息的太阳活动周期峰值预测方法，通过实验分析、证明了该新方法的特点及性能改进，同时提出了满足长、中、短期不同预测需要的预测方法和模型。第五章介绍了粒子滤波技术，并利用该项技术对太阳活动周期进行了跟踪、预测尝试。第六章对本文工作进行总结，并对未来的深入研究进行了展望。第二章 太阳活动周期峰值预测方法概述对太阳活动周期的准确预测无疑是对太阳活动规律认识正确性的最有力证据。通常，一个描述自然世界中某一系统的理论被认为是正
34、确的条件就是：我们可以用该理论描述下的系统某个时间点的状态值去构建系统在其它时间点（包括过去的和未来的）的状态值。但是，要做到精确的回溯和预测往往是非常困难的，这是由于其中随机性的存在。理论中随机性的引入一般通过两种途径，一种是理论本身存在一定的随机性，另一种是由于客观条件的限制所造成的测量或观测误差。例如，人类虽然已经很好地掌握了行星运行轨迹的规律，但是由于上述随机性的影响，要实现对行星运行轨迹的精确预测是相当困难的。随机性的影响更突出的表现在对非线性系统的描述中，随着时间的推移，随机性误差被非线性系统逐渐放大，直到湮没系统的真实状态，导致系统的不可预测性。太阳活动对太阳系和地球环境产生巨大
35、影响。太阳活动与地球、人类息息相关，太阳活动预报成为研究热点。由于人类对于太阳活动的认识水平还不够，目前太阳活动预报只能依赖统计预报方法。本研究旨在通过建立太阳活动的统计模型以达到对未来太阳活动水平的有效预测。在统计模型中，物理系统的演变通常用一个时间序列来表示，而该时间序列反映了系统的状态或与系统状态紧密联系。与物理模型不同的是，创建统计模型不需要对系统的物理解释创建该模型的目的就是描绘出时间序列的结构，特别地，解释已有的时间序列并对未来做出预测。客观来讲，在人类对太阳活动的物理机制彻底地掌握之前，通过统计模型解释太阳活动是一条有效途径。科学家们长期研究发现，太阳活动有一定的规律性，最明显的
36、是具有11年左右的周期，也就是说每隔11年左右便会出现一次太阳活动周期，从1755年太阳活动谷年开始计算，目前正处于第23个太阳活动周的结束期。目前，人们所了解的太阳活动现象主要包括太阳黑子、光斑、谱斑、日珥、耀斑和日冕状态的变化等。其中，太阳黑子被认为是太阳活动的最典型例子。目前，人类对太阳黑子的观测数据已经积累了200多年，成为分析和研究太阳活动的重要资料，对其变化规律的研究及未来预测成为一大热点。几十年来，统计学、数学、天文学等领域的科学家们在对太阳活动周期的预测方面取得了重大的进展，主要形成了以McNish-Lincoln方法为代表的统计类方法、以HWR方法为代表的数学类方法和以Ohl
37、、Thompson、Lantos等方法为代表的统计先验类方法等几大类方法。2.1太阳活动和电离层扰动211 太阳和太阳活动太阳是一直径约为139万公里的气质高温球体，直径约为地球直径的109倍，其结构特征和地球类似，可分若干层次。根据目前人们对太阳的认识，太阳的中心部份是一个处于剧烈核反应，温度高达1500万度的核心区域，这是维持太阳向宇宙空间发射强大能量的源泉。这一高温区域之外是太阳的辐射区和对流层，再向外就是我们从地球上可以直接观测到的太阳大气层了。通常认为，太阳大气层包括光球、色球和日冕三层，光球层是一个温度约为6000度的气层，它的厚度约为500公里，这一层次通常也被称为太阳表面，我们
38、在地球上接收到的太阳辐射能基本上来自这个光球层。光球之外是色球和日冕，它们几乎都是透明的气体层，是真正的太阳大气层。色球的厚度约为1200014000公里，在色球层中温度随高度的增加而增加，在其层顶温度可达几万度。色球层是太阳大气中最重要的层次，是一充满磁场的等离子体层，由于磁场的不稳定性，在这一层内时常产生剧烈的耀斑爆发，同时还发射大量的紫外辐射、X射线和高能粒子流。人们关心的太阳活动以及对日地空间的影响主要取决于这一层次的特征。光球再向外便是日冕，这是太阳大气的最外层次，其厚度可达数百万公里，这层太阳大气的温度约为100万度，我们常提到的太阳风暴就发生在这一层次内。科学家们的长期研究发现，
39、就总体而言，太阳是一个相对宁静的炽热气体球，但太阳大气始终处于不断的活动状态，这就造成了太阳大气中的一系列复杂的扰动过程，在局部地区，这种扰动过程有时表现得非常强烈，这些扰动现象的总和被称为太阳活动。目前，人们所了解的太阳活动现象主要包括太阳黑子、光斑、谱斑、日珥、耀斑和日冕状态的变化等。太阳上出现结构复杂的黑子是发生太阳风暴的征兆。耀斑、日珥爆发和日冕物质抛射三种活动现象往往在强太阳风暴中全部出现，而在弱太阳风暴中则不一定。（1）太阳黑子 太阳光球层发生活动现象的主要标志是出现太阳黑子，太阳黑子实际上是发生在太阳光球层内的涡旋运动，其大小可以从直径数百公里到数十万公里，其温度一般比光球的其他
40、地区低1000至2000度，因此看起来呈现为较暗黑的斑块，这就是被称为太阳黑子的原因。造成太阳黑子低温的原因是太阳黑子中存在强磁场，每个黑子都有很强的磁场，其强度大约在10004000G之间，一般说黑子越大，磁场也越强，因此黑子本质上是太阳表面的局部强磁场区，低温和暗黑是磁场造成的后果。太阳黑子往往是成群发生的，因此被称为太阳黑子群，太阳光球内同时会有很多黑子群存在。黑子群及临近区域是太阳活动发生的地方，称为太阳活动区。太阳黑子的寿命长短不一，长的可能有两三个月，短的不过几小时。（2）光斑用白光观测太阳光球时，一旦出现小黑子，就能在其周围看到一些比宁静光球明亮的小片区，称为光斑。光斑是光球上明
41、亮的斑点，常出现在日轮的边缘，说明它存在于光球的上层，可能是光球上更炽热的气团。光斑一般环绕着黑子，与黑子有密切的关系。（3）谱斑 谱斑是在色球层中可以经常观察到的比周围明亮的大片明亮区域，处在光斑面上方。温度比周围高，常出现在黑子群和大黑子附近。其面积大小是太阳活动强强的一个标志。（4）日珥 在日全食时，太阳的周围镶着一个红色的环圈，上面跳动着鲜红的火舌，这种火舌状物体就叫做日珥，它像是太阳面的“耳环”一样。按运动情况来看，日珥可分为爆发型、宁静型和活动型这样三大类。宁静日珥，在观测时间内似乎是不动的，而活动日珥，则老在不停地变化着。它们从太阳表面喷出来，沿着弧形路线，又慢慢地落回到太阳表面
42、上。但有的日珥喷得很快、很高，它的物质没有落回日面，而是抛射入宇宙空间了，爆发日珥的高度可以达到几十万千米。1938年爆发的一个最大日珥，顷刻间上升到157万千米的高空。地球的直径不过1.3万千米。日饵是巨大的扭曲磁场拖曳着游离的气体所造成的变化情形可持续数小時到几周或几个月。（5）耀斑 太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中，所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是，日面上（常在黑子群上空）突然出现迅速发展的亮斑闪耀，其寿命仅在几分钟到几十分钟之间，亮度上升迅速，下降较慢。虽然它只是一个亮点，但一旦出现，就将是一次惊天动地的大爆发。这一增亮释放的能量相当于相当于上百亿枚百吨级氢
43、弹的爆炸；而一次较大的耀斑爆发，在一二十分钟内可释放1025焦耳的巨大能量。除了日面局部突然增亮的现象外，耀斑更主要表现在从射电波段直到射线的辐射通量的突然增强；耀斑所发射的辐射种类繁多，除可见光外，有紫外线、X射线和伽玛射线，有红外线和射电辐射，还有冲击波和高能粒子流，甚至有能量特高的宇宙射线。 212 电离层扰动地球上空的电离层位于距地面86800公里，温度随高度增加而迅速增加，因为空气非常稀薄，范围比较难以划定，一般认为顶部为800公里，也是由于空气甚为稀薄，空气容易被电离，因此该层自由电子颇为丰富。电离层根据电子密度的不同由低到高划分为：D层、E层、F1层、F2层。电离层有一种特殊的性
44、质，对于波长较短的电波可以完全通过，对于波长较长的电波完全被反射或者折射回去。因为无线电波的波长都比较长，因此可以在电离层和地表之间来回反射，靠电离层的反射和折射传播，无线电通信就是利用这个原理进行通信的。电离层状态偏离其常规形态的急剧变化，又称电离层扰动（ionospheric disturbance）。太阳活动是影响电离层状态的主要因素，可引起电离层扰动，进而严重影响电离层中无线电波的传播。 （1）电离层突然骚扰 一种来势很猛但持续时间不长(一般为几分钟至几小时)的扰动,它仅发生在日照面电离层的 D层。这种扰动由太阳耀斑引起，耀斑区发出的强烈远紫外辐射和X射线，大约8分钟后到达地球，使地球
45、向阳面电离层特别是 D层中的电子密度突然增大。这种现象称为电离层突然骚扰。当发生这种骚扰时，从甚低频到甚高频的电波传播状态均有急剧变化。例如,由于D层电子密度增大,经过D层传播的高频无线电波突然受到强烈吸收，常出现短波通信中断，称为短波消失现象。来自天外的宇宙噪声,由于D层吸收突然增加而强度突然减弱,称为宇宙噪声突然吸收。但从D层反射的长波和超长波信号突然变强，相位也发生突变，称为突然相位异常现象；而接收远处雷电产生的“天电干扰”的强度也明显增强，称为天电突增。甚高频低电离层散射传播信号也将增强。此外，耀斑期间，E层和F层底部的电子密度也突然增加，可引起短波频率突然偏离现象。 （2）电离层暴
46、持续时间为几小时至近10天的常与磁暴相伴的强烈电离层扰动。太阳局部扰动除爆发出大量电磁辐射外，有时还辐射出大量带电粒子流。粒子流到达地球一般要12天左右，它们与磁层和高层大气相互作用,可使正常电离层（特别是F层）状态遭到破坏,称为F层骚扰。这种骚扰有负相（临界频率下降）、正相（临界频率上升）和双相(临界频率有升有降)骚扰之分。骚扰时临界频率变化一般大于30。太阳质子事件或磁层亚暴期间，极区电离层电离激增，会引起急始吸收、极光带吸收、极盖吸收和长波相位异常等现象。极光带吸收是来自太阳扰动区的低能粒子流进入极区上空，使极光带或者比它略宽的环带(宽约 615)内低电离层电离增加而引起碰撞增加，高频电
47、波被强烈吸收。这时常伴随出现地磁场扰动和极光现象，在太阳活动峰年过后的两三年内它的出现最为频繁。极盖吸收是太阳扰动或磁层亚暴时所产生的高能粒子沿地球磁力线沉降在极区高层大气中，使磁纬64以上的极盖地区上空电离层D层的电离强烈增大，致使高频电波被强烈吸收而中断。它通常在形成太阳质子耀斑后几十分钟到几十小时以后才发生，这时不一定出现地磁场扰动和极光现象。持续时间通常为13天，最长可达10天之久，在太阳活动峰年频繁发生。在磁层亚暴主相期间，与粒子沉降相伴的强电场和电急流，使极区电离层发生极复杂的热力学扰动、电磁场扰动和磁流动力扰动，并能波及到全球电离层。这种电离层暴的全球形态尚不十分清楚。（3）电离
48、层行扰 电离层暴时极区激发的、向赤道方向以600700米/秒的速度水平传播的大气重力波扰动。周期为半小时至几小时,东西向水平尺度可达几千公里,传播上千公里后波形变化不大。它可发生使F2层偏离正常值2030的扰动，严重改变无线电波的传播环境。无线电波通讯主要取决于电离层的状态（即电子浓度或电离程度），太阳活动是影响电离层状态的最主要因素，对太阳活动周期变化规律的研究和预报进而实现对电离层状态的预测，对于有效地通讯预报是十分必要的。2.2 太阳黑子时间序列在各种太阳活动现象中，通常以太阳黑子数目的多少作为太阳活动强弱的标志，这是因为：一方面，太阳活动的其他现象基本上都与太阳黑子有关；另一方面，太阳黑子是最为醒目也最容易观测到的太阳活动现象。太阳黑子数少，表示太阳活动水平弱，通常被称为太阳宁静期；太阳黑子数多，表示太阳活动加强，被称为太阳活动期。太阳黑子数目最多的年份称为太阳活动“峰年”，黑子数目最少的年份则称为“谷年”。1843年，德国科学家Heinrich Schwabe通过对自己近20年的观测