Source Surface Height Optimisation for Improved Solar Wind Velocity Forecasting Across Solar Cycles 23, 24 and 25

Résumé technique : Optimisation de la hauteur de la surface source pour l'amélioration des prévisions de la vitesse du vent solaire à travers les cycles solaires 23, 24 et 25

Énoncé du problème
Le modèle PFSS (Potential Field Source Surface) est une composante fondamentale des cadres de prévision de la météo spatiale de pointe, servant d'entrée pour les modèles empiriques du vent solaire comme le modèle WSA (Wang–Sheeley–Arge). Le modèle PFSS repose sur un paramètre physique libre unique : la hauteur de la surface source (SS), traditionnellement fixée à 2,5 $R_\odot$. Bien que des études antérieures aient étudié l'optimisation de la hauteur de la SS à l'aide de divers ensembles de données et d'intervalles temporels, la plupart se sont concentrées sur des analyses à court terme ou des phases spécifiques du cycle solaire (SC). De plus, les efforts précédents visaient principalement à améliorer les estimations du flux magnétique ouvert dans l'héliosphère plutôt que les prédictions directes de la vitesse du vent solaire à L1. Il subsiste un manque d'investigation exhaustive et à long terme sur la manière dont la hauteur optimale de la SS varie à travers plusieurs cycles solaires (spécifiquement les SC 23, 24 et 25) lorsqu'elle est intégrée dans le cadre WSA pour la prévision de la vitesse du vent solaire. De plus, la performance de différents produits de magnétogrammes (GONG basé au sol vs SDO/HMI basé dans l'espace) et l'impact spécifique de la correction du zéro (ZPC) dans les cartes GONG sur l'optimisation de la SS nécessitent une clarification supplémentaire.

Méthodologie
Les auteurs ont mené une analyse exhaustive couvrant les cycles solaires 23, 24 et 25 (environ 2006–2026). L'étude a utilisé des cartes magnétiques synoptiques provenant de deux sources primaires :

1. Basées au sol : Cartes du Global Oscillation Network Group (GONG), comparant spécifiquement les versions Standard (STD) et Corrigées du Zéro (ZPC).
2. Basées dans l'espace : Cartes radiales synoptiques de l'instrument Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) de l'observatoire SDO.

Pour assurer la comparabilité, les cartes HMI de plus haute résolution (3600 $\times$ 1440) ont été sous-échantillonnées pour correspondre à la résolution de GONG (360 $\times$ 180). L'étude a couvert 254 rotations de Carrington (CR) pour les données GONG et 204 CR pour les données HMI.

Le cadre de modélisation a suivi un pipeline standard :

1. Extrapolation PFSS : Le champ magnétique coronal a été extrapolé des cartes photosphériques vers la surface source en utilisant le modèle PFSS. L'étude a testé huit hauteurs de SS discrètes allant de 1,5 $R_\odot$ à 3,25 $R_\odot$ par incréments de 0,25 $R_\odot$.
2. Modèle WSA : Les vitesses du vent solaire empiriques ont été estimées à la SS en fonction du facteur d'expansion ($f_s$) et de la distance angulaire par rapport au bord du trou coronal le plus proche ($\theta_b$).
3. Propagation HUX : Le modèle Heliospheric Upwind eXtrapolations (HUX) a propagé ces vitesses jusqu'au point de Lagrange L1.
4. Validation : Les vitesses du vent solaire modélées à L1 ont été comparées aux observations in situ de la base de données OMNI. La métrique principale pour l'optimisation était le coefficient de corrélation de Pearson ($cc$) entre les vitesses modélées et observées. La « hauteur de SS optimisée » a été définie comme la valeur produisant le $cc$ maximal pour chaque rotation de Carrington.

Contributions clés

• Portée à long terme : Cette étude représente l'une des investigations à plus long terme de la variabilité de la hauteur de la SS, couvrant près de trois cycles solaires (SC23–25) plutôt que des intervalles isolés ou des cycles uniques.
• Comparaison multi-sources : Elle fournit la première comparaison à long terme des cartes GONG ZPC (largement utilisées dans les modèles WSA) par rapport aux cartes HMI, spécifiquement pour l'optimisation de la hauteur de la SS dans le contexte de la prévision de la vitesse du vent solaire à L1.
• Échantillonnage granulaire : Contrairement aux études précédentes qui n'ont testé que quelques hauteurs de SS discrètes, ce travail a employé un échantillonnage plus fin (huit valeurs) pour mieux caractériser la distribution des hauteurs optimisées.
• Analyse par phase : L'analyse corrèle explicitement les hauteurs de SS optimisées avec les phases spécifiques du cycle solaire (minimum, ascension, maximum, descente) et distingue les périodes de haute et basse activité au sein de ces phases.

Résultats

• Dépendance à la phase du cycle solaire : Une relation claire existe entre la hauteur optimale de la SS et la phase du cycle solaire.
  • Phases de minimum/ascension/descente solaire : Des hauteurs de SS plus élevées ($\ge$ 2,5 $R_\odot$) produisent systématiquement de meilleures prédictions de la vitesse du vent solaire à L1. Par exemple, lors des phases de minimum des SC23 et SC24, la distribution des hauteurs optimisées penchait significativement vers des valeurs $\ge$ 2,5 $R_\odot$, avec 3,25 $R_\odot$ comme étant souvent le meilleur ajustement.
  • Maximum solaire : Pendant les phases actives, la tendance s'inverse. Des hauteurs de SS plus basses (< 2,5 $R_\odot$) fournissent généralement de meilleures prédictions. Lors du maximum du SC25, la distribution optimisée a fortement penché vers des valeurs plus basses (par exemple, 1,5–1,75 $R_\odot$ pour les cartes HMI/ZPC).
• Performance des magnétogrammes :
  • GONG ZPC vs STD : Les cartes GONG ZPC ont systématiquement surpassé les cartes GONG STD, particulièrement durant le SC24 et la phase ascendante du SC25. Les cartes STD ont montré une performance dégradée, probablement en raison de limitations observationnelles et de problèmes de qualité rapportés dans la littérature antérieure.
  • GONG ZPC vs HMI : Les cartes ZPC et HMI ont eu des performances similaires globalement. Cependant, lors du maximum solaire, les cartes HMI ont montré un biais plus marqué vers des hauteurs de SS plus basses par rapport aux cartes ZPC.
• Anomalies et nuances :
  • Durant le maximum du SC24, un intervalle spécifique d'activité solaire considérablement réduite (un « minimum local ») a montré une préférence pour des hauteurs de SS plus élevées, contrastant avec la tendance générale du maximum solaire. L'exclusion de cet intervalle a déplacé la distribution globale du maximum du SC24 vers des hauteurs plus basses.
  • La distribution de la hauteur de la SS optimisée présente une dispersion significative, particulièrement pendant le maximum solaire. Les auteurs attribuent cela à l'applicabilité limitée du modèle PFSS (qui suppose un champ potentiel) lors de périodes hautement actives et multipolaires, ainsi qu'à la nature non sphérique de la véritable surface source.

Signification et affirmations
L'article affirme que l'optimisation de la hauteur de la SS dans le modèle PFSS améliore significativement la performance du modèle de prédiction de la vitesse du vent solaire WSA à L1 par rapport à la hauteur conventionnellement fixée à 2,5 $R_\odot$. L'étude établit que la hauteur de la SS optimale n'est pas une valeur statique mais varie systématiquement avec la phase du cycle solaire : des valeurs plus élevées sont requises lors des conditions solaires calmes, tandis que des valeurs plus basses sont préférables lors des conditions actives.

Les auteurs soulignent que, bien que la hauteur absolue optimisée varie entre les cycles et les jeux de données, la tendance relative (SS plus haute au minimum, plus basse au maximum) est robuste. Ils concluent que ces résultats soutiennent l'interprétation physique selon laquelle la hauteur effective de la surface source est plus basse lors du maximum solaire (en raison de la diminution rapide de la densité d'énergie magnétique transverse dans un champ multipolaire) et plus haute lors du minimum solaire (champ dipolaire).

L'étude suggère que les cadres de prévision de la météo spatiale peuvent être affinés en adoptant une stratégie de hauteur de SS variable — spécifiquement en utilisant des hauteurs légèrement supérieures à 2,5 $R_\odot$ près du minimum solaire. Cependant, les auteurs notent modestement que les hypothèses du modèle PFSS limitent sa précision lors des périodes de haute activité et proposent que les améliorations futures pourraient nécessiter des modèles de surface source non symétriques et non sphériques pour rendre compte de la nature intrinsèquement non sphérique de l'atmosphère solaire.