Transcript Gorshkov
Семинар ИКИ РАН по механике, управлению и информатике Одномерные модели среднегодовых рядов чисел Вольфа В.А.Горшков Рассматриваются вопросы: 1. Рассматриваются одномерные модели среднегодовых рядов чисел Вольфа W (t ) f (W (t 1), W (t 2), W (t 3),..., W (t k )) 2. Приводятся результаты идентификации линейных моделей методом наименьших квадратов, процедурой Юла-Уокера, фильтром Калмана. 3.Рассматриваются модели Оля-Гневышева, циклы Гляйсберга, эффекты миграции циклов. 4. Приводятся результаты прогнозов максимального числа Вольфа в 24-м цикле. Среднемесячные показатели Зеленый цвет – отсутствуют от 1 до 10 наблюдений, желтый – 11 – 20, красный – более 20 Черный – ежедневные наблюднгия 24-й цикл Wmax=113,3 T= 2014 г. www.sidc.be/silso/yearlyssnplot В настоящее время работу по вычислению чисел Вольфа ведет Королевская обсерватория Бельгии. Таблицы и графики солнечной активности с 1749 года (месячные) и с 1818 г. (суточные) по настоящее время регулярно размещаются на сайте (http://sidc.oma.be/html/sunspot.html). r (k) 1 0.5 0 -0.5 0 14 28 42 56 70 k, сутки Среднемесячные числа Вольфа r(k) 300 250 200 1 0.5 150 100 0 50 0 1749 1760 1771 1782 1793 1804 1815 1826 1837 1848 1859 1870 1881 1892 1903 1914 1925 1936 1947 1958 1969 1980 1991 2002 -0.5 Год 0 48 96 144 k, месяцы 192 1700.5 1709.5 1718.5 1727.5 1736.5 1745.5 1754.5 1763.5 1772.5 1781.5 1790.5 1799.5 1808.5 1817.5 1826.5 1835.5 1844.5 1853.5 1862.5 1871.5 1880.5 1889.5 1898.5 1907.5 1916.5 1925.5 1934.5 1943.5 1952.5 1961.5 1970.5 1979.5 1988.5 1997.5 2006.5 2015.5 W среднегодовые 300 250 200 150 100 50 0 ПРОГНОЗ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ НЕЛОКАЛЬНОСТИ В.О. Сердюк, С.М. Коротаев, Ю.В. Горохов σW=5,2 Прогноз солнечной активности с заблаговременностью 39 сут. (тонкая линия) в сопоставлении с фактической кривой (жирная линия). Начало отсчета времени (в сут.) соответствует 21/3/1997. σW=1,96 Прогноз солнечной активности с заблаговременностью 123 сут. Начало отсчета времени 20/2/2003 2006 2009 2010 2015 М.Н.Храмова, С.А.Красоткин, Э.В.Канонович Twmax 23=2000 Wmax23=173,9 Tbegin23=1996 http://www.kosmofizika.ru/pdf/chramova.pdf 2001 г М.Н.Храмова, С.А.Красоткин, Э.В.Канонович Tbegin23=1996; Twmax 23=2000; Wmax23=173,9; Tbegin24=2008; Twmax 24=2014; Wmax24=113,3 http://www.kosmofizika.ru/pdf/chramova.pdf Published on Янв 1st, 2013 by Алекс Крит Прогнозы максимального значения W 24-цикла в 2006-2008 годах f(AWmax24) Geomagnetic (Feynman) 150 Sect. 2.3 Hathaway and Wilson (2006) 5-Geomagnetic (Ohl) 93 ± 20 Sect. 2.3 Bhatt et al. (2009) 6-Geomagnetric (Ohl) 101 ± 5 Sect. 2.3 Ahluwalia and Ygbuhay (2009) 7-Geomagnetic (interpl.) 97 ± 25 Sect. 2.3 Wang and Sheeley Jr (2009) 8-Field reversal 94 ± 14 Eq. 12 Tlatov (2009)* Extrapolation methods 9-Linear regression 90 ± 27 Sect. 3.1 Brajˇsa et al. (2009) 10-Linear regression 110 ± 10 Sect. 3.1 Hiremath (2008) 11-Spectral (MEM) 90 ± 11 Sect. 3.2 Kane (2007) Spectral (SSA) 117 Sect. 3.2 Loskutov et al. (2001) Spectral (SSA) 106 Sect. 3.2 Kuzanyan et al. (2008) Attractor analysis 87 Sect. 3.3.1 Kilcik et al. (2009) 12-Attractor analysis 65 ± 16 Sect. 3.3.1 Aguirre et al. (2008) 13-Attractor analysis 145 ± 7 Sect. 3.3.1 Crosson and Binder (2009) Neural network 145 Sect. 3.3.4 Maris and Oncica (2006) 14-Neural network 117.5 ± 8.5 Sect. 3.3.4 Uwamahoro et al. (2009) Model based methods 15-Explicit models 167 ± 12 Sect. 4.3 Dikpati and Gilman (2006) Explicit models _ 80 Sect. 4.3 Choudhuri et al. (2007) Explicit models _ 85 Sect. 4.3 Jiang et al. (2007) Truncated models _ 80 Sect. 4.4 Kitiashvili and Kosovichev (2008) References marked with * are to the basic principle used in the given prediction method while the actual numerical evaluation for cycle 24 was done by the author. The application for forecast purposes does not necessarily Метод фазовых средних 126± 30 первая половина 2011 0.16 L1 0.14 L2 L3 0.12 L4 L5 0.1 2009 L6 L7 0.08 L8 L9 0.06 L10 L11 0.04 L12 0.02 L13 L14 0 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 1-Minimax 80 ± 25 Eq. 10 Brown (1976); Brajˇsa et al. (2009)* 2-Minimax3 69 ± 15 Eq. 11 Cameron and Sch¨ussler (2007)* 3-Polar field 75 ± 8 Sect. 2.2 Svalgaard et al. (2005) 4-Polar field 80 ± 30 Sect. 2.2 Schatten (2005) L15 Модель авторегрессии-скользящего среднего (АРСС) Wt a1Wt 1 a2Wt 2 ... akWt p b0 nt b1nt 1 ... bk nt q nt, nt-1,…, nt-k – значения случайного центрированного и нормированного импульса типа «белый шум», - Идентификация Уравнение Юла – Уокера (АР) МНК Метод максимального правдоподобия Фильтр Калмана Прогноз Wˆt 1 a1Wt a2Wt 1 ... akWt p 1 b1et ... bk 1et q 1 СКО прогноза - eW b0 Wˆt k f (Wˆt k 1 , Wˆt k 2 , Wˆt k 3 ,..., Wˆt 1,Wt , Wt 1 ,..., Wt p k ) k eW еt - текущая и предыдущие ошибки прогнозирования Представление модели АР в пространстве состояния W (k p ) x p (k 1) a1W (k p 1) a2W (k p 2) ... a pW (k ) 1n(k ) x1 (k ) W (k ) x(k 1) Ax (k ) bn(k ) x2 (k ) W (k 1) x1 (k 1) x3 (k ) W (k 2) x2 (k 1) W ( k ) cT x ( k ) ... x p (k ) W (k p 1) x p 1 (k 1) W (k p) x p (k 1) x p (k 1) a1 x p (k ) a2 x p 1 (k ) ... a p x1 (k ) 1n(k ) Вектор переменных состояния Матрица системы Вектор наблюдения X(k+1) A X(k+1) C x1 (k 1) 1 0 ... 0 x1 (k ) 0 x (k 1) 0 1 ... 0 x (k ) 2 2 0 n(t ) ... 0 0 ... 1 ... ... x p (k 1) a1 a2 ... a p x p (k ) 1 Адаптивный фильтр Калмана для среднесрочного прогнозирования чисел Вольфа Т. Подладчикова, Рональд Ван дер Линден solarwind.cosmos.ru›txt/2011/conf2011thesis.pdf ОТСТУПЛЕНИЕ (перлы) Немного о теории моделей авторегрессии-скользящего среднего (АРСС) ft a1 ft 1 a2 ft 2 ... ak ft p b0 nt b1nt 1 ... bk nt q Дискретное преобразование Лапласа f ( s ) f (kT0 )e * ze skT0 sT0 k 0 f ( z ) a1z 1 f ( z ) a2 z 2 1 f ( z ) ... ak z b0 n( z ) b1z n( z ) ... bk z n(z) u (t ) av(t k ) u ( z ) az k v( z ) q p f ( z) n( z ) f(z) W (z) b0 b1z 1 ... bk z q B( z ) f ( z) n( z ) n( z ) A( z ) 1 a1z 1 a2 z 2 ... ak z p Обратимость модели скользящего среднего b0 b1z 1 ... bk z q B( z ) f ( z) n( z ) n( z ) A( z ) 1 a1z 1 a2 z 2 ... ak z p x( z ) 1 b1 z ......... bk z 0 1 k Условие обратимости zk 0 b0 b0 f ( z) n( z ) n( z ) 1 2 p 1 a1 z a2 z ... ak z ... A( z ) AP( p)CC (q) AP() Синтез управления предполагает наличие всех корне B(z) внутри ед.. круга Характеристическое уравнение 1 a1z 1 a2 z 2 ... ak z p 0 АР2 W ( z) b0 1 a1z 1 a2 z 2 I m1 z I m 1 1 1 R e1, 1 R e 2 I m 2 z1, 2 a1 a1 a2 1 2 2 1 a2 b02 (1 a2 )(1 a2 a1 )(1 a2 a1 ) 2 f 2 T arg tg ( ) z 1 2 2 rт(k) (Re=0,85; Im=0,5) (M=0,99;φ=0,53 рад.;Т=11,8) 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 0 2 4 6 8 10 12 14 Модели Бокса и Дженкинса (1770-1869 ???) Прогноз на 1 год Wt 1,32Wt 1 0,63Wt 2 14,9 nt Wt 1,37Wt 1 0,74Wt 2 0,08Wt 3 13,7 nt a(i) AP(1) AP(2) AP(3) AP(4) AP(5) AP(6) AP(7) a1 0.801 1.303 1.225 1.223 1.222 1.235 1.200 a2 -0.627 -0.465 -0.472 -0.478 -0.492 -0.438 a3 -0.124 -0.107 -0.137 -0.108 -0.136 a4 -0.014 0.063 0.165 0.183 a5 -0.063 -0.323 -0.240 a6 0.212 0.005 a7 0.168 CKOe 24.1 17.4 17.2 17.2 17.2 16.9 16.6 2 eW 23 17,2 2 eW 23 17,4 Прогноз на 1 год a(i) a1,a8,a15,a22 a2,a9,a16,a23 a3,a10,a17,a24 a4,a11,a18,a25 a5,a12,a19,a26 a6,a13,a20,a27 a7,a14,a21,a28 CKOe 1.148 -0.387 -0.239 0.347 -0.342 0.056 0.168 AP(28) -0.066 -0.045 0.160 0.001 0.051 0.120 0.047 -0.247 -0.087 0.080 -0.025 0.030 0.117 -0.164 15.1 CKO 30 25 20 15 CKO 10 5 0 0 10 20 k 30 0.182 -0.058 -0.083 0.118 -0.164 0.055 0.005 - факт 1997 1981 1965 1949 1933 1917 1901 1885 1869 1853 1837 1821 1805 1789 1773 1757 AR 3 AR2 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 - прогноз 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Прогноз на k лет 140 120 100 80 60 40 20 0 Среднегодвая солнечная активность Прогноз СКО среднесрочного прогноза b0 1 2 2 z z z ... 0 1 2 3 1 2 1 a1 z a2 z δi 0 b0 1 a1 0 2 a1 1 a2 0 3 a1 2 a2 1 ... k a1 k 1 a2 k 2 1 1,303 1,0708 09 0,5782 83 0,0821 06 -0,2556 0,3845 3 0,3407 8 0,2029 3 0,0507 6 0,0611 04 0,1114 43 0,1068 98 0,0694 13 CKO b0 (1 1 2 3 ...) 2 2 3 СКО 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Год прогноза 23-й и 24-й циклы 23-й цикл 1996,5 11,6 1997,5 28,9 1998,5 88,3 1999,5 136,3 2000,5 173,9 2001,5 2002,5 2003,5 2004,5 2005,5 2006,5 2007,5 170,4 163,6 99,3 65,3 45,8 24,7 12,6 24-й цикл 2008,5 4,2 2009,5 4,8 2010,5 24,9 2011,5 80,8 2012,5 84,5 2013,5 94 2014,5 113,3 2015,5 69,7 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 23-й 7 8 24-й 9 10 11 12 1996 Tbegin23=1996; Twmax 23=2000; Wmax23=173,9; Средний цикл W СКО 250 60.0 50.0 200 40.0 150 30.0 100 20.0 10.0 50 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 W N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 N12 N13 N14 N15 N16 N17 N18 N19 N20 N21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 N22 N23 N24 Средние Среднее W-t*s W+t*s 250 200 150 100 50 0 W-t*s W+t*s N24 Правила Оля-Гневышева и Капецкого «Четный цикл ниже следующего нечетного» Wнечет(i+1) Wчет(i+1) 200 200 150 150 100 100 50 50 0 0 0 50 100 150 200 Wчет(i) r 0.41 Уровень значимос n CKO r tr ти 11 0.30 1.36 0.21 0 50 100 Wнечет(i+1) 150 200 Gleissberg (1939) Garcia and Mouradian (1998) Hathaway et al. 1999) Rozelot, (1994) Ogurtsov et al. (2002) The Gleissberg Cycle a2 -0,103 0,242 0,134 a1 a0 0,390 79,169 0,235 30,71 39,61 1,40 18 4371 28234, CKO Wmax = 38,0 CKO e = 39,6: Т=10 (МНК) CKO e = 35,8; Т=7 (Ю-У) 200 150 100 50 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 W max W^ a1 a12 z1, 2 a2 2 4 Re Im Arg T 0,20 0,26 0,90 6,0 1761 1769 1778 1787 1804 1816 1830 1837 1848 1860 1870 1883 1893 1905 1917 1928 1937 1947 1957 1968 1979 1989 2000 1750 1760 1770 1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Связь Wmax c фазой 200 150 100 50 0 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 F (W max max -100) / 10 Связь Wmax c фазой W max W max 200 200 23 150 150 100 100 9 4 50 23 1 50 9 5 0 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -3 5 -2 -1 0 1 F F W 2min W 2min 2 3 4 15 15 1 10 10 5 5 23 0 0 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 9 23 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Значимость связи Wmax c фазой Оценка t-критерий Уровень CKO r Стъюдента значимости, α r n Wmax-F (1-23) -0,57 23 0,18 3,19 0,004 Wmax-F (9-23) -0,72 15 0,19 3,72 0,003 Wmax 24 16,2Fˆ 123 155 eWˆ max 17,7 Прогноз Wmax и Tmax по фазе Максимальное число Вольфа Wmax(24) 200 180 160 Несмещенная оценка Факт СКОWmax=17,7 140 120 Год СКОТmax=0,8 года 100 0 0.01 0.02 0.03 0.60 Прогноз TWmax 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 2015 2014 2013 2012 2011 0.00 НАСА (2006) - 2010 Обридько В.Н.(2008) – 2010 По фазе (2008) – 2013 Алекс Крит (2012) -2013 М.Н.Храмова, С.А.Красоткин, Э.В.Канонович (2001)- 2012 Выводы 1. Адекватных одномерных моделей долгосрочного прогноза среднегодовых чисел Вольфа в литературе не найдено. 2. Линейные модели авторегрессии – скользящего среднего не позволяют прогнозировать. Адекватный прогноз, возможно, может быть синтезирован на основе многомерных моделей, т.е. с учетом других физических характеристик и процессов. 3. СКО прогноза года и значения максимального среднегодового числа Вольфа в начале формирования текущего цикла составляют , соответственно.