Empirical Forecast of Corotating Interacting Regions and Geomagnetic Storms Based on Coronal Hole Information

In this study, we suggest an empirical forecast of CIR (Corotating Interaction Regions) and geomagnetic storm based on the information of coronal holes (CH). For this we used CH data obtained from He I $10830{\AA}$ maps at National Solar Observatory-Kitt Peak from January 1996 to November 2003 and the CIR and storm data that Choi et al. (2009) identified. Considering the relationship among coronal holes, CIRs, and geomagnetic storms (Choi et al. 2009), we propose the criteria for geoeffective coronal holes; the center of CH is located between $N40^{\circ}$ and $S40^{\circ}$ and between $E40^{\circ}$ and $W20^{\circ}$, and its area in percentage of solar hemispheric area is larger than the following areas: (1) case 1: 0.36%, (2) case 2: 0.66%, (3) case 3: 0.36% for 1996-2000, and 0.66% for 2001-2003. Then we present contingency tables between prediction and observation for three cases and their dependence on solar cycle phase. From the contingency tables, we determined several statistical parameters for forecast evaluation such as PODy (the probability of detection yes), FAR (the false alarm ratio), Bias (the ratio of "yes" predictions to "yes" observations) and CSI (critical success index). Considering the importance of PODy and CSI, we found that the best criterion is case 3; CH-CIR: PODy=0.77, FAR=0.66, Bias=2.28, CSI=0.30. CH-storm: PODy=0.81, FAR=0.84, Bias=5.00, CSI=0.16. It is also found that the parameters after the solar maximum are much better than those before the solar maximum. Our results show that the forecasting of CIR based on coronal hole information is meaningful but the forecast of goemagnetic storm is challenging.

코로나 홀을 이용한 CIR과 지자기 폭풍의 경험적 예보 연구

이 연구에서 우리는 코로나 홀(Coronal hole, CH)의 정보(위치, 면적)를 이용하여 CIR(Corotating Interaction Regions)과 지자기폭퐁(Geomagnetic Storm)에 대한 경험적인 예보를 수행하였다. 이것을 위해 1996년 1월 $\sim$ 2003년 11월까지의 미국 국립 천문대-Kitt Peak 관측소의 He I $1083{\AA}$ 영상으로부터 코로나 홀 자료를 얻고, Choi et al.(2009)로부터 확인된 CIR과 지자기폭풍 자료를 활용하였다. 지자기 폭풍을 일으키는 코로나 홀의 특성을 고려하여 코로나 홀의 중심이 $N40^{\circ}$와 $S40^{\circ}$ 사이, $E40^{\circ}$와 $W20^{\circ}$ 사이에 위치하고 태양 반구에 대한 면적 비율이 다음과 같은 세 가지 경우를 선택하였다: (1) case 1: 0.36% 이상, (2) case 2: 0.66% 이상, (3) case 3: $1996{\sim}2000$년 동안에는 0.36%, $2001{\sim}2003$년 동안에는 0.66% 이상. 우리는 각 경우에 대하여 예보의 성공 유무를 확인할 수 있는 예보 분할표(Contingency Table)를 만들고, 그들의 태양 주기 위상(Solar cycle phase)에 대한 의존성을 조사하였다 분할표로부터 우리는 PODy(the probability of detection yes), FAR(the false alarm ratio), Bias(the ratio of "yes" predictions to "yes" observations) 그리고 CSI(critical success index)와 같은 예보 평가 지수를 결정하였다. 이와 같은 예보에서 PODy와 CSI가 상대적으로 더 중요한 사실을 고려하여, 우리는 가장 좋은 후보가 case 3이라는 것을 발견하였다. 이 경우에 두 가지 예보에 대한 예보평가 지수는 아래와 같다: CH-CIR의 경우는 PODy=0.77, FAR=0.66, Bias=2.28, CSI=0.30이고, CH-storm의 경우는 PODy=0.81, FAR=0.84, Bias=5.00, CSI=0.16이다. 또한 태양 활동 극대기 이후 감쇄기간 동안의 지수들이 태양 극대기 이전의 값들 보다 훨씬 잘 예보되고 있음을 알 수 있다. 따라서 코로나 홀을 이용한 CIR의 예보는 충분한 가능성을 보여주고 있으나, 지자기 폭풍의 예보는 너무 많은 허위 예보로 인하여 다소 어려울 것으로 비상된다.