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


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

sqrt sunspot numbers

0

5

10

15

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

residuals

-4

-2

0

2

4

· · · · · · ·· · · ·· · · · · · · · ·· ·· ·· · ·· · ·· · · · ·· ·· · ··· ·· · · · · · ·· · · ·· · · · · · · ·· ·· · ·· · ·· · ·· · · · ·· · · · · ·· · · · · ·· · · · · · · · · · ·· · ·· · ··· · ·· · ·· · · · · · · · · · ·· · · · · · ·· · ·· · · ·· ·· · · ·· · · · ··· · · ·· ··· ·· · ··· ·· · · · · ·· · ·· · ·· · · ·· · · · · · · ·· · · · · · ·· ·· · ·· · · · · · ·· · · · · · · · · ·· · ·· · ·· · · ·· · · ··· · ········ · · ···· ··· ····· ······ · · · ···· ··· · · · · ·· · · ·· ·· · ··· · ··· ·· ···· ······ ···· ·· ··· ··· · · ······· ··· ··· ···· ······ · ··· ·· · · · · · · ··· · ··· · · ···· ·· · · ····· · ··· ······ · · · · · ·· ·· ·· ····· · · ·· · · ·· · · · · · · ·· · · · ·· · ·· · ·· · · ··· · · ·· · ·· ·· · · · ·· · ·· ··· · ·· · ··· · ··· · · ·· · ··· · · ·· ·· · ···· ·· · · ·· ·· · ·· · · ·· · ·· · ··· ···· · · · ····· · ·· · · ···· · · · ·· ·· ·· · ··· ···· · · · ·· ·· · ··· · ······ · ···· · · ·· ·· · ···· · ·· · · · · · ·· · · ··· ·· ·· · ·· ·· ·· · · ··· ·· · ·· ·· ·· · · · · ··· ·· ·· · ·· · ·· · · · · ···· ···· · · · ·· ···· ·· · · ·· ·· · · ·· ·· · ·· · ·· ·· ···· ······ ············ ·· ··· ········ ···· ···· ·········· · ····· ····· ····· ·· ··· ···· · ···· ·········· ·········· · · ····· · · ··········· · · ····· ···· ················ · ·· ··· ·· ···· ···· ······ ··· ·· ····· · · ···· · ··· ··· ·· ···· ···· ····· ··· ·· · ···· ·· ·· ··· · ·· · · · · · · ·· · · · · · · ·· · · · · · · · · · ·· · · · ·· · · · · ·· · · · · · ····· ·· ·· · · ··· ···· · ·· ····· ·· ··· · · · · ·· ··· · ·· · · · · · ·· · ·· ·· · · · ··· · ···· ····· · ······· ·· ·········· · ····· ··· ··· ·· ··· · ····· ···· · ·· · ·· ·· ··· ······· ······ · · · ················· ····· ······ · ···· ··· · ·· ······ ·········· ············ ·· ··· ······ ······ ······ · · ·· · ···· · · ·· · · ··· ·· ···· ··· · ·· · · ·· · · · · · · · ·· · ·· · ·· · · ·· ·· ·· · ·· ·· · ······ ·· · · ····· · ··· ·· ··· · ······· · ······· · ······· ···· · ········· ·· · ·· ··· · ················· ··· · ···· ········ ··· · ·· ·· ·············· ···· ······· ··········· ·········· ···· · ··· ··· · ····· ··· ····· · · ······· ··· ·· ··· ··· · · · · · · · · ·· · ·· · · · · · ··· · ···· ·· · · · ·· · · · · · ·· ···· · ·· ··· ·· ··· ····· · ·· · · · ·· ·· · · · ··· ·· ·· ······· · · · · ·· ··· · ······· ·· ·· ·· ····· · ··· ·· · · · ······ ···· ·· · · ···· ·· ·· ·· ···· ·· · ·· ··· · ·· ··· · · · · · ·· · ··· · · ··· · · · ·· ·· ·· ··· ··· · · · · · ··· ··· · ··· · ··· · ··········· ·· ····· ···· ·· ···· · · ·· ··· ··· ········ ·· ········ · ···· ··· · ····· ··· ········· ········· · ··········· ············· · ·· · · · ······ ········ ······ ··· ··· ········· · · ·· · ·· · · · · · · · ·· · ··· · ·· ·· ·· · · · · · ·· · · · · ·· · ·· · ···· ··· · · · · · · ···· ····· · ·· · · ·· ·· · · ·· ·· · · · · · ··· ···· · · · · · ··· ·· ·· · · ·· · · · ·· · ·· · · ·· · · · · ··· ·· ·· · ·· ·· · ··· · ·· · · ·· ··· ···· ···· ··· ·· ·· ··· ··· ··· ··· ·· ···· · ·· · · ···· ··· · · ·· · ····· · ·· ·· · ·· · · ·· · · · ······· · ··········· ········ ··· ··· ··· ··· ························ ·· ·· ··· ···· ···· ········· ··········· · ··········· · ······ ····· ·· ··············· ······· ······················ ·················· ···· ······························· ····· ·· · ·········· ··· ············· ······ ·· ···· ········ ·· ··· · ·· · · · · · ·· · · ·· ·· · · ·· · · ·· · · · · · · · · · ·· · ·· · · · · · 2 4 6 8 fitted values 10

4

abs(residuals)

3

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

·· · ··· ·· · ··

·

2

· · ·· · ··· · · ·· · · · · ··· · ·· ··· · ·· · 14

0

1

12

sunspot numbers

April 19, 2005


It's a fairly good fit. Much better than the local smoother. The fit is better for recent data (year the past. The 45 degree streak is an artifact caused by zero SSN observations.

sunspot numbers



1850 ) than for the less reliable data in

April 19, 2005


Posterior Inference: Shape Parameters 1 2
# ##

mean

PSfrag replacements

s.e. 0.10 0.05

2.5% 1.29 1.18

97.5% 1.66 1.36

1 2 Pr 2
¸ ¸¸

1.46 1.28

1

0Y
¢ ¢¢

0 94

0 100

1.2

1.4

1

1.6

1.8

0

200 400 600

300

300

2

100

1.30

1.15

1.25

2

1.35

1.15

0

sunspot numbers



¥ ¥¥





shape parameters

-0.6

-0.4

2

-0.2

1

0.0

0.2

· ··· · · · · · ····· ··· · · ····· · ·· · · · · ··· ·· ·· ·· · ···· ··················· ········· · · · · · ············ · ·· ·· ·· · · ········· ······· ······ ··· ·· · · · · ··· ·· · ···· ····· · ································ ·· ·· ··· ·· · ·· ·· · · ···· ······ ········· ·· · · · · ·· ····························· ·· · · · ·· · ·· · · · · ····· ·· ·· · ·· · · · ············································ · · · · ·································· · · ·· · ············· ······ ····· · · ·· ···· ········· · · ··· ·· ··· · · ··· ·· · ·· · · ···················· ········ · · · ·· ··········································· ····· · ·· ·· ·· ····· ····· · ·· ··· · ·· · ·· ··········································· · · ·· · · · · ·· · ···· ····· ···· ··· · · · · · ·· · · · ········································· ·· ·· ··· ·············· ··············· ··· · ·· · ······· ···················· · ·· ·· ·· · ·· ············· · · ·· · · · ·· · · · · ···· · · ·· ············ ········· ···· · · · · ·· ··· ·· ···· ···· · · · ···· ·· ·· · · · · 1.2 1.4

1


1.6

· ··· 1.8

April 19, 2005


Cycle Length Patterns
cycle length

years

9 10

12

0

5

10 cycle #

15

20

time to fall - time to rise
2468 -2

years

0

5

10 cycle #

15

20

sunspot numbers

April 19, 2005


Average cycle length is around 11 years ( 's mark posterior means) Error bars are small (Vertical bars represent the 50% marginal credible intervals) The cycle length has no apparent upward or downward trend. With few exceptions, cycles take more time to decline than to rise. Only about half of Cycle # 0 is observed, hence the large error bars.
¡

sunspot numbers



April 19, 2005


Cycle Amplitude Patterns
cycle amplitude
10 12 6
· · · · ·· · 0 5 · 10 cycle # 15 20 · · · · · · · · · · · · · · ··

amplitude

8

6

0

2

4

-0.1

0.0

0.1 slope

0.2

0.3

0.4

amplitude of current cycle

10 12

· · · 6 · ·

· · ·· · ·· · · · · 8 10 ·

· · · ·

6

8

12

0.0

1.0

2.0

·

0.0

0.5 slope

1.0

amplitude of previous cycle

sunspot numbers

April 19, 2005


Evaluating Statistical Significance
Wrong procedure: simple linear regression using the posterior mean as the true amplitudes. Ideally we should fit a hierarchical model. A two-stage simulation procedure:


sunspot numbers



­ Draw posterior samples of the cycle amplitudes (done). ­ For each sample, fit the regression model of amplitude vs. cycle #,
and then draw from the posterior of the regression coefficient. Because error bars are small, results (histogram) are nearly identical to those of simple linear regression (solid curve).

April 19, 2005


Relationship Between Cycle Length and Amplitude
a posterior sample
1.2
· ·

12

1.0

· · ·

12

· · ·

· · ·

·

· · · · · · · · · · · · · · · ·

0.8

10

amplitude

8

· · ·

· · ·

0.6

·

amplitude 6 8

·

·

· ·

·

·

· · 9 10 11 cycle length 12 13

0.2

6

0.4

·

10

·

0.0

· -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 slope -0.5 0.0 0.5 9 10 11 cycle length 12 13

a posterior sample
1.5
· ·

12

· · · · · ·

12

· ·

·

· · ·

· · · · · · · · · · · · · ·· ·

10

1.0

amplitude

·

8

· · · · ·

· ·

amplitude 0.5 6 8

· ··

·

6

·

10

·

0.0

· 2 3 4 time to rise 5 6

· -2.0 -1.5 -1.0 slope -0.5 0.0 2 3 4 5 6 7

time to rise

sunspot numbers

April 19, 2005


Row 1: amplitude vs. cycle length

sunspot numbers



­ Left: Scatterplot of the posterior means.
Vertical (horizontal) bars are 50% credible intervals for cycle amplitude (length).

­ Middle: Statistical significance of the regression slope.
Little difference between simple linear regression and two-stage simulation.

­ Right: A posterior sample and its regression line.
Row 2: amplitude vs. time to rise to cycle maximum

­ Middle: the error bars are large enough to make a (very small) difference.

April 19, 2005


Forecasting Problems
Predict the rest of a partially observed cycle Predict the length and amplitude of an unobserved future cycle

The amplitude-length (amplitude-period) relations: Length of the previous cycle is a fairly good predictor of the amplitude of the current cycle. Amplitude of the previous cycle has little correlation with the length of the current cycle.


sunspot numbers



April 19, 2005


prediction
amplitude of current cycle 10 12
· · ·· · ·· · · · · ·· · · · · · 9 10 11 12 13 · · · · · · · · · · · · 11 12 13 ·

2

4

residuals

0

8

· · ·

·

· ·· ·

·· ·

6

-2

·

·

9

10

length of previous cycle

length of previous cycle

prediction
length of current cycle
· · · · · · · ·· ·· · · · · · · · 6 8 10 12 · · · · · · ·

· · ·

residuals

12

9 10

· 6 8 10 12

amplitude of previous cycle

-2

· ·· ··

·

·

·

· · ·

·

· · ·

0

1

·

·

2

amplitude of previous cycle

sunspot numbers

April 19, 2005


Work in Progress
Data quality problems. Incorporating additional information, e.g., spatial location of sunspots, magnetic polarity information; joint modeling with 10.7cm flux, etc. A more elaborate model to link cycle length, time to rise, and amplitude through hyperparameters. Allowing the start of cycle i


sunspot numbers



1 to be slightly different from the end of cycle i .

Comparison with similar models in the literature. Better algorithms. More efficient computer code.

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April 19, 2005