Äîêóìåíò âçÿò èç êýøà ïîèñêîâîé ìàøèíû. Àäðåñ îðèãèíàëüíîãî äîêóìåíòà : http://hea-www.harvard.edu/AstroStat/Stat310_fMMIV/yaming_19apr2005.pdf
Äàòà èçìåíåíèÿ: Mon Jun 27 08:23:52 2005
Äàòà èíäåêñèðîâàíèÿ: Tue Oct 2 05:58:56 2012
Êîäèðîâêà:
Statistical Modeling of Sunspot Cycles

Yaming Yu Department of Statistics, Harvard University

sunspot numbers

April 19, 2005


Sunspots
What are they?

sunspot numbers



­ Sunspots appear as dark spots on the surface of the Sun. ­ Temperature lower than the surrounding photosphere.
Strong magnetic fields.

­ They typically last several days; some may live for weeks.
The longest directly observed index of solar activity

­ 1610: Galileo first viewed sunspots with his new telescope. ­ 1749: Daily observations were started at the Zurich Observatory. ­ 1849: Continuous (daily) observations were obtained with the addition of
more observatories.

April 19, 2005


Sunspot Number (SSN) Data
Sunspots occur in groups. Sunspot No. = No. of individual spots + 10 Center in Belgium. No. of groups
¡ ¡¡

sunspot numbers



­ The International Sunspot Number: compiled by the Sunspot Index Data ­ The NOAA sunspot number: compiled by the US National Oceanic and
Atmospheric Administration.

­ Top: monthly averages of the International Sunspot Numbers. ­ Middle: local smoother fit to sqrt(SSN). ­ Bottom: residuals.

April 19, 2005


sunspot numbers
250

· · · ·· · ····· · ·· · ···· ··· · · ·· · ··· · ·· · ·· · · · ·· ··· ·· ···· · · ·· · · ······ · ··· ··· · ·· ·· · ·· ·· · · · · ··· ·· ·· · ··· ·· · · · · ··· ·· ······ ·· · · ·· ···· · ·· · ···· ·· ·· ····· · ······ ··· · ·· ····· · · ·· · · ·· ·· ······ ···· · ·· ···· ··· · · · · ··· · · · · ·· · ···· ··· · · · ·· · · ··· ···· ·· ··· ·· ·· · ·· · ·· · · ··· ··· · · ·· · ··· · ·· ······ · ··· ·· · ·· · ···· ······· ··· · · ······· ····· ····· ·· ···· ········ · ···· · · ·· ···· · ·· · · ·· · ··· · ·· ·· · ··· · · ···· · · ·· ··· · · ·· · · ·· ···· · ··· ·· · · ·· ·· · ·· · ··· · · ··· · ·· ·· ·· ·· · ···· ··· ··· · ··· · ··· ········ ·· ········ · ······ ··· · ·· ·· · ·· · ···· ·· ···· · ····· ······· · ··· ····· · · · · ·· · · ·· · ···· · · ··· · ···· ·· ·· · ··· · ··· · · · ·· · · ······ ··· ·· ··· ··· ·· · · ··· ·· ······ ·· · ···· · · ···· · ···· ···· · · ······· · · ·· ······· ··· · · ·· · · ·· · ···· · ·· · ····· · ···· ······· ··· · ·· ·· · ····· · · · · ·· · ·· · ·· ·· · · · · ······· · ····· · · · · ···· · ····· ·· ····· ·· · · · ···· · ··· · · ····· ··· ··· ··· ·· · ··· ·· ······ ···· ··· ····· · ·· ······ · ·· ·· · ·· ··· ·· · · ···· ··· ····· · ······ ·· ··· · ·· · · · ·· ··· ·········· · ·· ·· ·· · ··· ······ · · ·· ····· ····· · ··· ·· · · · ····· · · ··· ·· ········· ··· ··· ········ · ··· ·· ···· ··· ······ · · ·· ···· ··· ···· · ···· · ···· ·· ······· ·· ··· ·· ··· ··· ···· · ·· ········· ·· ······ ·· · · · · ·· ···· ·· ··· ·· · · · · ·· · · ·· ···· · ··· ··· ······ · · ····· ···· · · ·· · ·· · ···· · ·· ·· · ······ ········ ·· ·· ···· ·· ····· · ···· ·· ·· ···· · · · · · ·· · ·· · ·· ·· ··· · ···· · ··· ··· · · ·· · · ··· · · ····· · ·· ··· · ···· · ·· ·· · ·· ·· · · · ·· · ·· · · ····· ···· ·· ·· · ··· · · ···· · · ··· · ··· ··· ······· ··· ····· ·· · ···· · ······ ······· ······· ··· ····· ··· ····· · ····· ·· ···· · ·· · · ··· ···· ·· · · · ·· ···· ·· ·· · ·· · ·· · · ·· ···· ·· ··· · ·· · ······ · ··· ·· ······ ··· · ·· ·· · · · ··· ·· ·········· ···· ·· ···· ·· ·· · · ············· ······· ··· ·· · ··· · · · ·· ···· ·· ·· ·· ···· ·· · · ·········· · ····· ·· · · · ···· · ·········· ···· · ·· ·· ··· ··· ·· ····· ·· · ···· · ··· ·· ····· ··· ·· · · ···· ·· ···· · · ···· ··· ··· ··· ·· · · ······· ··· · ·· · ·· · ·· ··· ··· · ······ · ···· ··· ······ · ···· ·· ··········· ·· ······· ·· · ····· ·· · ·· ········ · ·· ···· ····· ·· ······ · ·· ······· ·· · · · ····· ······ · ······ ········ ········· ····· ·· · ············ ·· ······ ············· ···· · ······ ····· ·· · ··· ···· · ·········· · ····· ··· ··· · ··········· ··· ·············· ···· ··· · ···· · ··· ·· ···· ············· ·· ····· · ·· ··· ·· · ·· ·· · ·· ···· ··· · · ·· · ····· ·· · ··· ···· · · · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

sunspot numbers

0

50

100

150

200

· · · · ······· ·· ·· ···· ·· ·· · · ····· ·· ·· · ·· · ·· · ···· · · ········ ·· · ·· ·· ··· · ·· · ··· ··· ··· ·· · ··· ··· · ······ · ··· ·· · ·· ···· · ·· ·· ·· ·· · ···· · ··· ·· · ·· ···· ······· · ······ · ·· · · ·· ····· · ·· ·· · · · ·· · ···· · ·· · ···· ·· ···· ·· ······ · ····· ·· ·· · ····· ··· ··· · · ··· ········ · ···· · ·· ·· ·· ······· · ···· ·· ········ ··· · ··· · · ····· · ···· ····· ·· ·· ··· · · ·· · · · ··· · · ··· · ·· · ·· ···· ··· ·· · ·· · ·· ···· ··· · · ·· · · · ·· · · ··· ·· · ·· · · ···· ··· ··· ···· ··· ··· · ··· · ·· ········ ·· ·········· ········ · · ·· · ·· · ·· · ····· ········· ·· ····· ·· · · ···· ·· · ·· · ···· ·· ·· ···· · ·· · ·· ··· · ··· ··· · ·· ···· · · · ·· ·· ··· ··· ··· ·· ···· · ·· · · · ·· ··· ···· · · ···· · ·· · · ·· ·· · ······· ···· · ··· · ·· ······· · ·· ·· · ····· ·· ·· ·· ·· · · · · ··· ······· · · ···· · · ········ ······ · · · ···· ·· ·· ········ ·· ········· · ····· ··· · ··· · · · ·· · · ·· · · · ···· · ··· · ·· ····· ··· · ·· ··· ·· · · · · ··· · · ····· · · · ·· · ·· · ··· · ·· ·· ··· ··· · ·· ·· ··· ··· · ·· · ··· · ···· ·· · ····· · ······ ·· · ·· ···· ·· ·· ·· · · ·· · ·· ·· ··· ··· · · ····· · ····· · · ·· ·· · ·· ····· · · ·· ··· ·· ·· ···· · ············ · ···· ····· ······ ·· ········ ··· ··· ··· ··· ·· · ····· ·········· ·· ··· · ·· · ·· · ·· · ········· ··· ···· ·· ···· · · ··········· ··· · ····· · ···· · · ···· ·· · ····· ·· ··· ·· ·· ·· ·· · ·· · ··········· · ··· ····· ·· ····· · ··· ·· ··· · ·· ·· · · ·· · ······ ········· ·· ·· ··· · ····· · ··· ·· · ····· ·· ·· ··· · ···· ·· · ···· · · · ···· · · ··· · ···· · ····· ··· ········ ·· ··· ··· ··· ·· ·· ·· · · ·· ·· · ·· · ·· ·· · ··· · · · ··· ··· · · ········ · ··· ·· · · · · ··· · · · ··· ·· ·· ·· ··· ·· · · · ··· · ···· ·· ····· · · · · ···· ·· · ·· · ······· ··· · ····· ··· ····· ·· ···· · ·· ·· ·· · · · ··· ·· ··· ·· ····· ·· ·· · ···· ··· · ··· ·· ··· · · · ·· ·· · · ····· · ·· ········ ···· · ··· ·· · ·· · · ············ ··· ···· ·· · ·· · · ··· · ·· · · ·· ·· · ········ ··· ·· · · ·· ··· · ········ · ··· · ·· · · ··· ·· · · · ·· ·· ·· · · ······ · ·· · · ··· · · ·· ····· · · ·· · ··· · ···· ·· ·· · · ·· · ·· ·· ·· · ···· ·· · ···· · · ·· · ·· ·· · · ·· ·· ······ · ···· ···· · ·· · ·· ··· · ·· · · ·· ·· · · · ·· ···· ··· ·· ···· ····· ·· ······· ·· ·· · ·· · · ·· ···· ··· · ·· · · ·· · ·· ·· · · · ·· · ·· · · ·· · ···· ·· ······ · · ·· · ·· ··· · ··· · · ······· · ·· · ·· ·· ·· · · · ··· · ······ · ···· · ·· · ·· · ···· ···· · · ···· · · ·· ···· ·· ······ · ····· · · ·· ············· ······ ··· ······· ··· · ·· · ···· ·· ···· ·· ·· ··· · · ·· ····· ·· · ·· ·· ··· ·· ··· · ····· ·· ···· ·· ·········· ·· · · ··· ·· ·· ······· ··· · ··· · ·· ·· · ··· · · ··· · ···· ··· ·· · ·· ··· ···· · ·· ·· ·· · ·· ··· · ··· ······ · ·· · ·· · ··· · ······ ·· ······· ·· ··· · · ······ · ··· ···· · ···· ···· ··· · ··· ······ · · ···· ··· ···· ·· ····· · ··· · · ···· · ·· · ·· · ·· ··· ·· · · · ··· ·· · · ··· ·· ··· ·· ·· · ··· · ·· ·· · · ·· · · · · · ·· ··· ···· ···· · ·· ·· ·· ·· ······· ·· ··· ·· ·· · · · · ········ · ·· ·· · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

sqrt sunspot numbers

6

0

5

10

15

residuals from local smoother

· · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· ·· · ·· · · ·· · · ··· · · ·· · ·· · · ·· ·· · ·· ·· · · · · ·· · · · · · · · ·· ·· · · ·· · · · · ·· · · ·· · · · ··· ·· · ·· · ··· · ·· · ·· · ·· · ·· · ·· ·· · ·· · ·· · ···· ·· · ···· ·· ··· · · · ·· · ··· · ·· · · ·· · ···· ·· · ··· · · ·· · · ··· ·· ·· · · · ··· · ·· · · ··· · · ·· · · ·· · · · · · · ··· ···· · · ·· ·· ····· ···· ·· ··· · · · · · · · ··· · ···· · ·· · ·· ···· ···· · · · · · ·· · · ···· ·· ·· · · ··· ····· ··· · · · ··· ··· ·· · ·· ·········· · · ··· ·· ··· ····· ·· · · ·· ·· ···· ··· · ···· ·· · ··· · ·· · · · · · · · · · · ·· ·· ···· ···· · ····· ·· ·· ·· ·· · · · · ···· · · · · · · · ·· ·· ·· · ··· · ·· · · ·· ···· · · · · ··· ·· · ··· ·· · · ·· ·· · ·· ·· · · ·· · ·· ···· · ··· · ·· ···· · ········ · · ······· · ·· ··· ···· · ········· ··· ·· · ·· · ·· ··· ·· ······ ······ ·· ···· ···· · ··· · ···· · · ·· ·········· · · · ···· · ·· ·· ···· ·· ····· · · ·· ········ ····· ·········· ···· ····· · · · · ······· · ·· · ·· · · ·· · ·· · · ··· · · · · ·· · · · ·· · · · ·· · ·· · ·· ·· · ·· ······ ····· ······· · · ···· · ·· · · ····· ··· ···· ··············· ·· · ····· ····· ··· · ·· ········· · · ········· ··· ····· ···· ··· ··· ········· ·· ··· ··· · · ·· ····· · ······ ··· ···· ·· ·· · ········· ····· ···· ···· ···· · · ··········· ·· ·· ·· ······ ·· · ······ ····· · ········ ··· · ··· ········· · ········ ·· · ·· ··· ···· · ··· · · ··· ····· ··· · ····· ·· · · · ··· · ·· ··· · ·· ·· · ·· · ·· ··· ·· · ·· ··· ·· · · · · · · · ·· ·· · ·· · ·· ·· ·· · · · ·· · · ··· · ·· · ······ ··· ············ ······· ··· ··· ········· ·· ········· ······· ··············· ·· ··················· ········ ········ ···· ·········· ···················· ········· ············ ······· ········· ·················· ··········· ······· ······················ ·· · ······ ········ ·· ······· ····· ·· ········· ····· ····· ·· ·· ······ ·· ······ ·· ··· ··· ··· ··········· ·········· ··········· ····· ·· ·· ·· ·· · ·· · · ····· · · ·· · ·· ··· ·· · · · ·· · ·· ····· · ··· ····· ······ ······· · · ·· ·········· ······· ········ · ····· ·· ·· ··· ······ ····· ······ · ··· ···· · ······ · ······ · ····· ·· · ··· ·· ···· ······ ···· ·· ········ ··· · ·· ··· ·· · ····· ·· · · ········ ···· ·· ···· · ······ ··· ·· ·· · ·· ·· · · · · ··· ·· · · · ·· · · · · · · · ·· · ·· · ········ · · ·· · · · · · ··· ···· · ··· · · ··· · · · · ·· · ·· · · · · ·· · ·· ···· · · ·· ·· · ··· · · · ·· ····· · · · ·· · ·· · ······· · · · ·· ·· · · · ···· · · · ··· · · · · · · · · · · · ·· · ·· · · · ·· · · · ······ ·· · · · · ·· ·· ··· · ········· · · · · ········· · · ···· ···· ·· · ···· · ·········· · · ······ · · ····· ·· ···· · ··· ·· · ······ · ··· · ·· ··· ··· ··· · ········· ······ ····· · ····· ···· · ··· ····· · · ············ ·· · ······ · · ······ ·· ···· ··· · · ·· ·· ····· · ··· ·· ·· · ··· · ·· ·· · ·· ·· · · · · ·· · · ··· ·· · · · · ·· ·· · · ·· ·· ·· · · ·· · ·· · · ·· ·· · ·· · · · ···· · ·· · · · · ···· · · ··· ·· · · · ·· · · · ···· · · ·· · · · ·· ·· · · · ·· ·· ·· ··· · · · · · · · ·· · · · · · · ··· · ···· ·· ·· ·· ··· · ···· · · · · ·· · ··· ···· ·· · · ·· · ·· · · ···· · · ······ · ·· · ·· · ··· · ···· ·· ·· · · · · ·· · ···· · ··· ··· · · · ·· · ·· · · ·· · ·· ··· · ·· · ·· · · ·· ·· · · ·· · ·· · · · · ·· · ··· · ·· · ··· ·· ·· · · · · · · ·· ·· · · ·· · · · · · · · · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

·

·

sunspot numbers

-4

-2

0

2

4

April 19, 2005


Sunspot Cycles
Features of the sunspot number data A lot of noise. Quasi-periodicity: average cycle length is 11 years (Wolf 1852). Asymmetry: rise to maximum is faster than fall to minimum (Waldmeier 1935, 1939). Waldmeier effect: stronger cycles tend to take less time to rise to maximum amplitude. Long-term (8­9 cycles) periodicity . . .


How to quantify the statistical significance?

sunspot numbers

April 19, 2005


Statistical Modeling of Sunspot Cycles
Physical models of the solar dynamo are unfortunately lacking/flawed. But we can build statistical models.

Cycle lengths vary; purely periodic models don't work. A Poisson model with a latent autoregressive process


sunspot numbers



Yt t
¤ ¤¤ ¸¢ ¸¸¢¢

ind
¦

Pois e0
§

1 t 2 cos 2t T t0
¨ ¨¨ ¨ ¨¨ ©

t


;

¨ ¨¨

¨ ¨¨

¥ ¥¥

t
¸¢

t


¤¤ ¤

N t
¸ ¸¸

1

2

¦ ¦¦



¥ ¥

Three posterior realizations

­ Left: data with fitted curve ­ Right: residuals



¤ ¤¤

¤ ¤¤

¥ ¥¥

April 19, 2005


250

· · · ·· · · ···· · · ·· ··· ·· ·· ·· · ··· ·· ·· · ·· · · · · ·· ··· ··· ···· · ·· ·· · ·· ···· ·· · ·· · · ·· ·· · ·· · ·· · · · ·· ···· ·· · ·· ·· · ·· · · ··· ·· · ·· ·· ··· ···· · ·· ··· · · ·· ·· · ·· ··· · ·· ··· ···· ···· ··· · ·· ··· · · ·· · · · · · · · · ·· ·· · · ·· · ··· · ··· ··· · · ·· · · ·· ·· · ··· ··· ···· · · ·· ··· ··· · ··· ····· · · ···· ·· · · ···· · · ·· ··· ···· ··· ··· ···· ·· ···· · ·· ··· · · · ··· · · ·· ··· ·· · · ·· · ·· · · · ·· · · · ··· ···· · ···· · · · ···· · · · ··· · ·· ···· · ···· ····· ··· ··· ··· ·· ·· · · · · ··· · ·· · · ·· · · · · · ·· ·· ···· ·· · · ·· ··· ··· ··· · · ·· ·· · ·· · · · ·· · · ··· ··· ·· ··· ···· ·· ·· ···· ·· ·· · ·· · · ··· · · · · · · ·· · ·· · ·· · ··· ···· ······ ···· ··· ···· ····· ·· ···· · ····· ···· · ·· · ·· ·· ·· · ··· · ·· ····· ··· ····· ··· ·· ·· · ·· · ·· · · · ··· · ·· · · · ·· · · ·· ···· · ···· · ···· · · ···· ·· · ··· · ··· · ·· · ·· ···· ···· ··· ·· · ·· · · · · · · ·· ·· · · ·· ·· ·· ·· ··· ······· ······ ·· · ···· ··· ···· ······· · ·· ··· ··· ······· ·· · ······· ····· ······· ······ ····· ·· ···· ··· · ·· · ···· · · · ·· ·· ·· ·· · · ··· · ·· · ··· · · ·· · ·· · ·· · · · ·· · ·· · ·· · · · · ·· ···· · ·· ·· ··· · · · · · ·· · ··· ······· ··· ··· · ·· · ····· ······ ···· ······· · ··· ··· ···· ·· ······· ·· ····· · ··· ······· ··· ··· ······ · ··· · · · ··· · ····· · ·· ·· · ·· · · ·· · · ·· ·· · · · · ····· ··· ··· · ······ ··· · ·· · ···· ······ ······ ···· ··· ·· · ···· · ··· · ··· ·· ··· · ···· ······ ·· ·· ·· ·· · ····· · · ·· · ··· ··· ·· · ·· · · ······ ·· · · · · ·· · ··· · · · · · ··· ·· ·· · ··· · ·· · ···· ·· · ·· · ·· ··· · · ·· · · ·· · · · · · · ·· · ·· · ·· · · · ·· ······ ···· ··· ··· ···· ·· · ·· ··· ·········· ··· ···· ·· · ··· ··· · ····· ··· ·· · ··· · ···· ····· ··· ··· ···· ····· ···· ···· · · · · · ·· ·· · ··· · ··· ·· ········ ··· ···· ······· ··· ··· ··· ··· ······· ····· ······· ···· ····· ····· ··· ··· ·· ··· ··· ···· · ·· ··· ·· ··· ······ ·· ·· ··· ·· ·· · ···· ···· ···· ···· ··· ·· ·· ·· ·· ··· ·· · · · ·· ·· · ·· ··· ·· · · ·· ·· · · · ·· ··· · ··· ·· ·· ·· · ···· ········ ··· · · ·· · ·· · · ··· ·· · · ··· ·· · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

200

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sunspot numbers

200

150

100

residuals

50

250

0

-100

0

100

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200

· · ·· · · ·· · ·· ·· · ·· ··· · ·· ·· ·· · ·· · ·· ···· · · ·· · · · ··· ·· · · · · ·· ·· · ··· ··· · ··· · · ·· ··· ··· ·· ··· ··· ···· ·· · ·· ··· ·· · ·· · ·· ·· · ·· ·· · ···· ·· ··· ··· ··· · · · ·· ·· ·· · · · ·· · · · · ··· · ·· ·· · ·· ··· · · ·· · ·· · · ···· ·· · ·· · · · ·· ···· ·· ··· ·· · ·· ·· · ·· · · ···· ·· · · · ··· ·· · ··· · · · · ···· · ·· · ·· ··· ·· · · · ·· ··· · ·· · · ·· ··· · · · ··· ······· ···· ···· ····· ······ ·· ··· ····· ······· ··· ···· ···· · · · ··· ······ · ·· ·· · ·· · ···· · · · · ·· · · ··· · · · ·· · · · ···· ····· ·· ··· ··· ···· · ·· ··· ··· ···· ··· ··· ······ ·· · ·· ··· · ··· ·· · · ·· · ······· · · · · ·· ····· ····· · · · · ···· ··· · ·· ·· · ··· · · · ··· · · ····· · · · ·· · · · ·· · · · · · ·· ·· ·· · · · · · ···· · · · · ·· ·· · · ··· · · ················· · ·· ·· ········ ···· ···· ·· ·· · ·· ···· ·············· ······ ·· ···· ····· ·· · ·· · · · ·· ·· · · ·········· ···· ·· ·· · · · ····· · · ······· ·· ···· ············· · ·· ······ ············ ······ ········ ····· · ··· ····· ··· ···· ········ ······ ········ ······· ·· · ·· · · · ··· · · ··· · · ·· · · · · · ·· · · · ······· ··· ·· ··· ·· · · · ···· · · · ····· ··· ·· ······ · · · ··· · ······ ·· ···· · ··· ···· ···· ········· ············ ·· ········· · · ·· · ·· ··· ······ ·· ····· ····· ······· ······ · ·· · ···· ····· ······ · · · ·· · ··· ·· ·· ·· · · ··· ····· ······· ···· ······· ······ · ··· ·· · · ··· ······· ····· ···· ···· ····· · ··· · · · · · · · · · · · · ·· ·· ·· · ·· ··· ·· ··· · · · · · · ·· ··· · ··· · ······· · · · · · · ······· · ·· ··· · ·· · ·· ·· ·· ··· ··· · ···· ··· ··· ··· · · ···· ···· ···· ··· ···· ····· · · · · ····· ··· · · ·· · · · · · ···· · ·· ·· ·· ··· · · · ·· ··· ·· ·· · ···· · ·· · · ··· · ··· · · ·· ··· ··· ·· · · · · ··· ·· · · · · · ·· · ··· · · ··· ··· ···· ··· ··· ·· ··· ··· ·· ·· ·· · · · · ··· ·· · ·· · ·· ·· ·· ·· ·· ·· · · ·· · ··· ·· ·· ··· ··· · ·· ·· ·· ·· · ·· · ·· · ·· · ·· ·· · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

sunspot numbers

200

150

100

residuals

50

250

0

· · · ·· · · ···· · · ·· ··· ·· ·· ·· · ·· ·· ·· · ·· ·· · · · ·· ··· ··· ···· · ·· ·· · ·· ···· · ·· · · ·· ··· · · ·· · ·· · · · · · ···· ·· · ·· ·· ·· ·· · · ··· ·· · ·· ·· ·· ··· · ·· ··· · · ·· · ·· · · · ··· ·· ··· · ·· ··· ···· ···· ··· · ·· ··· · · · · · ·· · · · · ·· ··· ··· ·· ·· ··· · · ·· ··· ···· · · · ·· · ·· ··· ··· ··· ·· ·· ·· ··· ·· ··· · · ··· ·· · · ···· ·· · ·· · · · ···· ·· · ··· · ·· ·· · ·· ··· · ··· · ··· ·· · ··· ···· · ··· ···· ·· · ·· · · · · ·· · · · · · · ··· ·· · · · ··· · ··· ····· ·· ···· ··· ·· ·· ·· ·· · · · · ·· ···· ·· · · · ··· ··· · · ···· ·· ··· ·· · ·· ··· ··· ···· ···· · · ····· · ··· · · ····· · · · ·· ·· ··· · ····· · · · ···· · · ·· · · ··· ··· ··· · · ·· ·· · · ·· ·· ··· ··· ··· ·· · · · ·· · ··· ·· ··· ·· ··· ·· · ···· ····· ·· ···· ····· ··· · · · ·· ·· · ·· · · ·· · ·· · · · · · · ·· · · ·· · ··· ····· · · ·· · ··· ······· ······ ·· · ···· ·· ··· ······ · ··· ··· ···· ······· ·· ·· ······ ····· ······ ····· ···· · ···· · ··· · · ·· ···· · ·· · ·· ·· · · ·· · · ··· · · · · ·· ···· · ·· ·· · · ·· ··· ····· ·· ···· ··· ··· ····· ·· ·· ··· · ·· · · ····· · ··· ····· ······ ···· ·· ·· ·· ·· · ·· · · · ·· ·· · ·· · · ·· ··· · · ·· · · · · ·· ··· ·· ····· ·· · · ···· ····· ··· ···· · ·· · ···· ····· ···· ······ · ······ ···· ·· ······· ·· ····· ·· ···· ········ ··· ··· ····· · ··· · · · ···· · ···· · ·· ·· · ·· · ·· · ·· · ··· · ·· · · · ·· ····· ···· ··· · · · ·· ··· · ···· · ·· · ··· · ·· ······· ·· ·· · ·· · ·· · · · ·· ·· · · · · · · · · · · ·· · · ·· · · ··· · · ·· ·· ·· ·· · ····· ··· ·· · · ··· ·· ······ ·· ·· ··· ·· · · · ·· · ·· · · · ··· · · · ·· · · ··· · ·· ··· · · ··· · · · · ·· ·· · ······ ···· ····· ····· ···· ·· ···· ·············· ···· ····· ·· · ····· ··· ·· · ····· ····· ·· ····· · ····· ····· ····· ··· ···· ····· ···· ···· · · · · ·· ··· · · ·· ··· · ·· ···· ····· · · · · ·· · ··· ·· ·· ··· ···· · · ··· · ·· ·· ··· ·· ·· · ·· · ·· · ····· · ···· ·· ······· ·········· ········ ··· ··· ···· ··· ······ ······ ······· ······ ····· ···· ···· ··· ·· ··· ··· ··· ··· ·· · ·· ·· ···· ······ ···· · ·· ·· ·· ·· ··· ···· ····· ·· ·· ··· ·· ·· · ·· ·· ·· · · ·· · · · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

-100

0

100

· · ·· ·· ·· ·· · ·· · · ··· · · ·· ·· ·· ·· · ·· · ·· ·· · ··· ·· ·· · · · ··· ·· ·· · ··· ·· ···· · ·· ·· ·· ·· · ·· ·· ··· · ···· ····· ·· ··· ·· ··· · ·· ···· ·· ·· · · ·· · · ·· ··· ·· · · ·· ·· · · · · · ··· · ·· · ·· ··· · · · · · ·· · ·· ·· · · ·· ····· ··· ····· ·· ··· ·· ·· ·· ·· · · ·· ··· ··· ···· ·· ·· ·· · ···· · ··· · ··· · · · ·· ·· ·· · ··· ·· ·· ···· ······ · · ···· · · · · ···· ·· ····· · ··· ··· · ··· · · · ·· ···· · ·· ··· · ·· · ·· · · ·· ·· ··· · ··· · ··· · ·· · · ·· ··· ····· ···· ·· ····· ···· · ·· ···· ··· · ·· ······ ····· · · ···· · ·· · · ···· · ··· · · ·· · ·· ··· ··· ·· · · ··· · ··· · · · ·· · · ···· ····· ······· ···· ···· ··· · ·· ··· · · · ·· · ··· · · · · · · ·· · ······· · ··· · ····· · · · · · ··· · · · ···· · ··········· · ·· · · ··· · ·· ··· ··· ··· ·· · ·· ··· ·· ·· · ··· · · · · · ·· · · · · ······ · ··············· · · ·· ·· ··· ······ ······· ·· ······ ········ ······· ······ ········ ····· ····· ······ ········ · ····· · · · ·· ··· ·· ·· · · · ·· · · · · · ·· ·· ··· ·· ·· · · ··· ··· · ·· ··· ·· · · · · · · ····· ··· · · · · · · ·· · · · · ··· · · ········ ··· ·· ······· ·· ··· ······ ········ ····· · ··· ····· · ····· ·· ··· · · ·· ······ · · · · · ·· · ············ · ····· ·· · · · ···· · · · ····· · · · ···· ·· · ·· ········· ····· ·· ···· ······ ·· ······ · ···· ··· ····· ····· · · ·· ·············· · ······· · · ············· ······· ·········· ··· ···· ····· · ·· ············· ······ ···················· ····· ·· ························ ····· ······ ······· ····· · ·· · · · · ······· ···· · · ········· ······ ··········· ·· ··· · ··· · · ··· · ·· ···· ·········· ····· ··· ·· · ······· ······ · ··· ····· ····· ······ ···· · · · ··· · · · ·· ·· ·· · ···· · ······· · ····· · ···· ·· · ··· · ·· · ······· ······· ····· ·· ·· ····· · · ·· ·· ···· ·· · · · ·· · · · · · · · · ·· · · · · · · · · ···· ··· ··· ·· · ·· · · ··· ·· ···· ··· ·· ·· · ··· · ··· ··· ····· ······· ··· ·· ··· ·· · ·· · ···· ···· ·· ···· · ··· ·· · · · ·· · ··· · ·· ·· ··· ··· · ·· · ·· ·· · ·· · · · 1750 1800 1850 year 1900 1950 2000

200

sunspot numbers

150

residuals

100

50

sunspot numbers

0

-50

0

50

100

150

200

·

April 19, 2005


Modeling Each Cycle by Simple Functions
PSfrag replacements Notation for cycle i

t0 : start of cycle i
©

i i

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

sunspot numbers



tmax : time at cycle maximum t0
©

i1

: end of cycle i

¨ ¨¨ ©



t0

i

tmax
©

i

t0

i1

¨ ¨¨ ©



2040

© ©©


2042

2044 year

2046

2048

2050

April 19, 2005


Rt : "average solar activity level" at time t ­ For the rising phase t tmax
© ©©

sunspot numbers



i

­ For the declining phase t Rt
i1 i
¨ ¨¨ ©

t0 ; cycle length = t0 i time to rise to maximum = t max amplitude = ci .
©© © ©©



Rt

ci 1


i tmax i tmax
©© ©

t
i t0
© ©©

1



;



tmax ci 1
©©

i

i t tmax i1 i t0 tmax
© ©© ¨ © ©© ©

2


t0 ;
©

i



1 2
¤ ¤¤

1 : the same shape parameters for all cycles.

April 19, 2005


A Nonlinear Regression Model
Model sqrt of sunspot numbers to stablize the variance:

sunspot numbers



Yt

ind
¦ ¦¦

N 0
¸

1 t

Rt 2
¤ ¤¤

" ""

"

Cycle-specific parameters

!

¥

­ T0 ­C

t0

i

i

01
¤ ¤¤ ¤ ¤¤

k;
¥ ¥¥

© ©©



­ Tmax


Total number of available cycles k

¸ ¸ ¸¸

tmax i
© ©©

i

¤¤

¤ ¤¤

¤ ¤¤

0

k

1;
¥ ¥¥

¤ ¤¤

¤ ¤¤

ci i
¤ ¤¤

¸ ¸¸

0

k

1

¤

¤

¥ ¥¥

24 .



April 19, 2005


Priors
flat on t0
i

i

1

k

1 and Tmax subject to t0
i

©



¤



sunspot numbers



¤

flat but with extra constraint on t0 standard prior on C
¤¤ ¤ ¤¤ ¥ ¥¥ ¸ ¸¸

¤ ¤¤

tmax
©

i

t0

i1

; 1 2 ;
¤¤ ¥ ¥¥ ¸ ¸¸

¨ ¨¨ © ©

0 1 , and 2 .

© ©©







0

t0 and
© ©©

k

©

¤ ¤¤



April 19, 2005


Model-fitting Procedure
Gibbs sampler with M­H steps. Lots of local modes in simulations.
¤ ¤ ¤¤ ¤ ¤¤ ¸ ¸¸ ¥

normal-inverse 2 . So
¤ ¤¤ ¤ ¸ ¸¸

Note: Given T0 Tmax and , posterior of C 2 follows standard update T0 Tmax one coordinate at a time according to its conditional
¥¥ ¤ ¤¤

sunspot numbers



density, but with C 2 integrated out;
¸ ¸¸ ¥ ¥¥ ¤ ¤¤ ¤ ¤¤ ¤ ¤¤ ¤ ¸ ¥ ¸ ¸¸ ¥ ¥¥

draw C 2 given T0 Tmax using OLS routines.

April 19, 2005


ents
MCMC chain 1
start pt of cycle 1 start pt of cycle 1

all 3 chains

85

80

75

0

200

400 iteration

600

800

1000

75

80

85

0

200

400 iteration

600

800

1000

175

max pt of cycle 1

max pt of cycle 1

165

155

145

0

200

400 iteration

600

800

1000

145

155

165

175

0

200

400 iteration

600

800

1000

2.4

1

1
0 200 400 iteration 600 800 1000

2.0

1.6

1.2

1.2

1.6

2.0

2.4

0

200

400 iteration

600

800

1000

1.4

2

1.2

2
0 200 400 iteration 600 800 1000

1.0

1.0

1.2

1.4

0

200

400 iteration

600

800

1000

sunspot numbers

April 19, 2005


Posterior Inference
Fitted model and residuals

­ Top: sqrt(SSN) with fitted values.
Vertical lines represent one posterior draw of T0 Tmax .
¤ ¸ ¥¥

sunspot numbers



­ Middle: residuals vs. time (year). ­ Bottom: residuals vs. fitted values.

April 19, 2005


· · · · ······ ·· ·· ···· ·· ·· · · · ····· ·· · · · · ··· · · · ········ ·· ···· · ··· ··· · ·· · ···· · ··· ·· ·· ···· ·· ··· ··· · ·· ······ · ·· ·· ·· ···· · ·· ····· · ····· ··· ·· · ·· ···· ········ · ······ · · · · ·· ······ · ···· · · · ·· ···· ·· ·· ·· ··· · · ·· ···· ··· ··· ·· ··· · ······· ·· ·· · · · ··· ·· · · ·· · ·· ·· ··· · ·· · ·· ·· · ···· · · ·· · ····· ···· · ·· ······· · · ·· ···· · ··· ·· ·· · · · ····· · ··· ······ · ······· ···· · · ·· ·· ······· · · ·· · · ·· ·· ··· · ·· ···· ·· · ·· · · · ·· · ·· ···· · ·· ···· ··· ··· · ··· · ·· ········ ·· ········ · ···· · ······ ··· · · ·· · ·· · · ····· ········· ·· ·· ······ ··· ···· ·· ·· ···· · ·· · ·· ··· · ··· · ··· · ···· · · · ·· · · ·· ·· · ······ ···· · · ··· · ···· ······· ··· ··· ······· · · · ···· ·· ···· ·· · ··· ·· · ··· · · · ·· ··· ·· · ·· · · · · · · · ··· ·· · · · · ·· ···· ········ ·· ···· · ····· ····· · ····· ··· · ·· · · ·· · ······ · ······ ··· ······· ·· ·· · ······ · ··· ····· ···· ··· ···· ·· · ·········· ··· · · · · ·· ······ · ·· ·· ·· ·· · · ··· · ·· ·· · ·· ·· ··· · ···· ···· · ·· ··· · · · ·· ···· · ····· ·· · ··· · ··· ·· ·· ··· · ··· ····· · ·· · ·· ·· ··· · ·· · ·· ···· · ··· · ···· ·· · ··· ·· ···· ·· ··· ··· ···· ··········· · ···· ····· ······ ·· ········ ··· ··· ·· · ··· ··· ·· · ····· · ··· · ·· ·········· · ·· ·· ···· · · ·· ···· ·· · ·· · ····· ········ ··· ···· ·· ··· · · ··· ······ ·· · ···· · ··· · · ····· · ·· · · ·· · ··· ····· ·· · ······ ········· ·· ·· ··· · ····· · ··· ·· ·· ··· ·· · · · ·· ·· ··· ·· ·· ····· ··· ·· · ···· · ····· ··· ········· ·· ··· ··· ··· ··· ·· ·· ·· ············ · ··· ·· · ·· · ··· · · ·· · · ···· · ···· ·· · ·· ·· · ··· ··· · ·· · ······· · ·· ··· ··