太陽活動影響氣候的放大過程之時空選擇性

肖子牛霍文娟，

（1 中國科學院大氣物理研究所，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029；2 中國科學院大學，北京 100049）

太陽活動影響氣候的放大過程之時空選擇性

肖子牛1霍文娟1，2

（1 中國科學院大氣物理研究所，大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室，北京 100029；2 中國科學院大學，北京 100049）

太陽是形成地球氣候的原始驅動力之一，但太陽活動變化對氣候的影響究竟有多大，其機制和途徑是什么，是否存在放大效應，一直是有爭議的一個問題。結合國家重大科學研究計劃“天文與地球運動因子對氣候變化的影響研究”一些研究進展，綜合歸納了太陽活動變化對氣候系統一些關鍵環節的影響和作用，闡述了氣候系統對太陽活動的響應具有顯著的時空選擇性。指出太陽活動通過季風活動通道，可能將太陽活動對極區和西太平洋熱帶對流區的影響放大，并最終影響全球氣候。

太陽活動，氣候，時空選擇性

0　引言

太陽進入目前所處的第24太陽活動周期以來，太陽活動異常平靜，全球溫度的變暖趨勢放緩，而同時全球許多地區出現異常嚴寒極端事件[1-3]。人們認為，這很可能與異常弱的太陽活動導致了北大西洋濤動（NAO）或北極濤動（AO）的異常有關系[1-6]。雖然IPCC 第五次評估報告已比較確定地將太陽總輻射（solar irradiance）波動對氣候系統的外強迫效應置于較低的水平，但同時也明確指出，太陽活動有可能通過一些放大過程對氣候變化產生顯著影響[7]。因此，也有人認為，太陽活動對當前全球氣候變化的影響是不可忽視的[8]，最近的低太陽活動可能是1998年以來氣候變暖減緩的原因之一[9-12]。但迄今為止，盡管人們在氣候系統的很多方面均發現了顯著的太陽活動信號，由于太陽活動對大氣的作用機制仍然不清楚，太陽活動對氣候影響究竟如何仍然是一個需要科學界繼續關注的未解難題。本文將圍繞太陽活動影響的時空差異性，綜合近年來的研究進展，從氣候系統對太陽活動變化的響應過程出發，探索太陽活動不同機制影響區域氣候和全球氣候的協同作用效應，提出太陽活動影響氣候系統及可能存在放大過程的途徑。

1　太陽活動影響氣候的時空差異性

太陽輻射變化影響全球氣溫的幅度是很小的，衛星監測數據顯示，近幾個太陽周，太陽總輻照度（total solar irradiance，TSI）的變化量僅為1.3W/m2，約占太陽總輻射的0.1%，其引起的地球表面溫度變化不超過0.1℃，不足以引起顯著的氣候變化[13]。但過去眾多的研究表明，太陽活動與氣候現象具有廣泛的聯系[14-23]。不過，太陽活動在全球的影響并不完全一致，具有很大的差異性，在一些特殊的地區和大氣環流系統中，對太陽活動的變化更為敏感。在這些關鍵的環節中，太陽活動變化可能具有放大的氣候效應。

1.1太陽活動對極地大氣環流的影響

一些研究表明，太陽活動與AO或NAO的相位有密切的聯系[24-25]，在太陽活動峰值及其隨后的幾年內，AO/NAO傾向增強，給大西洋和歐洲地區帶來顯著的氣候異常[26-27]，而太陽活動較弱的時期，往往伴隨著低指數的AO/NAO[28]，此時冬季大西洋東部阻塞高壓活動增強[29]。同時，太陽活動與極地環流型的關系存在非對稱性，在太陽活躍期，北半球海平面氣壓變化的空間結構更接近AO，具有半球特征，而在太陽非活躍期，信號被局限在大西洋地區，AO較弱，更像NAO型[26,30-33]。丁一匯等[34]指出，在年代際尺度上，AO和太平洋年代際振蕩處于負（正）位相，東亞冬季風偏強（弱），中國冬季氣溫偏低（高）。由于AO或NAO對北半球的氣候，尤其是東亞冬季風有重要的影響[35]，因此，AO或NAO對太陽活動的響應可能是太陽影響氣候異常的重要環節[25,36]。

Zhao等[37]研究發現，北半球冬季中高緯存在一種穩定的行星尺度的雪氣耦合模態——SNAO模態，統計檢測分析表明，該模態與前秋和后春的大氣環狀模和積雪之間存在密切的關系。利用近140年來的長時間序列資料，進一步檢測分析該模態與自然因子（AO、AAO、西伯利亞高壓、太陽周期活動和火山活動）同人類活動（溫室氣體等）的關系，可以發現，歐洲積雪異常和極渦異常分別是SNAO模態中的積雪和大氣中的關鍵因子。

王瑞麗等[38]利用10.7cm太陽射電通量資料研究分析了太陽活動變化與AO的關系，發現兩者的聯系主要體現在太陽活動強的時期，而在太陽活動弱的時期兩者并沒有顯著的關系（表1）。表1給出了太陽射電通量F10.7cm、東亞大槽ICQ和AO的相互關系，可以看到，AO對東亞冬季風的影響事實上也只有在太陽活動比較強的時候才是顯著的，而有可能最終在太陽活動強的時期，太陽活動射電通量與東亞冬季風活動（用東亞大槽ICQ表征）具有了高度相關的關系，其信度超過了99%顯著性水平。因此，太陽活動強、弱時期其變化與東亞冬季大氣環流的聯系具有顯著的非對稱性特征，太陽活動變化與東亞冬季氣候的顯著相關性僅存在于太陽活動較強的時期。

表1　1959—2013年期間HS年（強太陽活動時期）和LS年（弱太陽活動時期）F10.7cm、ICQ、AO的相關系數Table 1 Correlation coefficient between F10.7 cm， ICQ， and Arctic Oscillation （AO） in HS and LS years for the period of 1959—2013

圖1　冬季平均近地面氣溫場與F10.7cm的相關系數空間分布：（a）HS年，已略去絕對值小于0.3的等值線；（b）LS年，等值線間隔為0.1。實線表示正相關，虛線表示負相關；淺色和深色陰影區域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 1 Correlation coefficients between the near-surface air temperature averaged for DJF and F10.7 cm： （a） HS years，only contours with the absolute values more than 0.2 have been plotted； （b） LS years. Contour interval is 0.1， and solid/ dashed lines indicate positive/negative correlation. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels， respectively

在年際尺度上，太陽活動對冬季東亞氣候的影響主要體現在AO的強弱以及中高緯度環流型形態，當強太陽活動時期，隨著太陽活動的增強，高緯地區E-P通量輻散增強，平流層-對流層耦合導致中高緯度西風及AO出現一致的正異常響應，冬季東亞中高緯對流層中層的大氣環流傾向緯向型，東亞大槽減弱，冷空氣活動較弱，東亞大部分地區氣溫顯著偏高，中高緯降水增多；而在弱太陽活動時期，太陽活動的年際差異對東亞冬季大氣環流并沒有顯著影響。當然，太陽活動對東亞冬季氣候的影響，除了對中高緯度的環流型的作用途徑以外，對熱帶西北太平洋海表溫度影響是另外一個重要的途徑。強太陽活動時期，熱帶西北太平洋海溫傾向異常偏冷，海陸熱力差異縮小，也會使得東亞冬季風偏弱，東亞冬季風活動地區氣溫偏高。

對東亞冬季風典型區域的冬季氣溫的年代際差異的分析，也顯示了其與太陽活動有密切關聯。冬季中國東北地區氣溫年代際偏低階段（1976—1988年）平均太陽通量10.7cm為130.55，冬季東北氣溫年代際偏暖階段（1988—1999年）平均太陽通量10.7 cm為140.35。數值模擬試驗結果的分析也發現，太陽黑子數峰（谷）年，北太平洋中緯度海溫易呈現偏暖（冷），北太平洋中緯度海溫正（負）異常使得東亞—太平洋中緯度出現異常反氣旋（氣旋）性環流，從而有利于東北地區冬季溫度呈現正（負）異常。宋燕等[39]統計分析了太陽活動參數與青藏高原冬春季積雪深度和積雪日數的多時間尺度相關特征，發現在年代際尺度上春季積雪日數與太陽活動在各時間尺度上無論是同期還是滯后都有顯著和穩定的相關關系，而積雪深度從正相關到負相關的年代際轉折與太陽活動的周期相吻合。

Wei等[40]統計了工業革命之前的上萬年間，太陽黑子數（SSN）與南極Vostok臺站局地溫度的千年周期分量的變化，可見二者之間存在穩定且持續的負相關關系，太陽活動強時Vostok臺站溫度低，反之亦然；分析二者之間的相關系數隨黑子數領先溫度時間的變化，發現當黑子數領先溫度變化30～40年時，二者之間的相關性最強，相關系數可達-0.85。考慮到南極局部溫度的變化與全球趨勢是相反的，因此至少在工業革命以前（無近代溫室氣體影響），太陽活動是驅動全球氣候變化的重要自然驅動力之一。

1.2太陽活動對熱帶海氣系統的影響

大氣和海洋的耦合是氣候系統中最重要的物理和動力過程，其中熱帶海氣系統對全球氣候具有最為重要的影響。研究太陽活動對熱帶海氣系統的調制作用，有助于理解太陽活動對氣候變化的作用機制。

中高緯度大氣系統在冬季對太陽活動的響應最為明顯，與此不同，熱帶大氣系統與太陽活動在夏季有更顯著關聯。Li等[41]系統研究了太陽活動與西太平洋副熱帶高壓的關系，發現在太陽活動的峰值年和谷值年，夏季西太平洋副熱帶高壓的強度和位置有所不同。與太陽活動谷值年相比，在太陽活動峰值年，副高脊線偏南、西伸脊點偏西、面積偏大。

Xiao等[42]系統分析研究了太陽活動強度對北半球夏季熱帶西太平洋對流活動的影響。分析發現熱帶西太平洋OLR對于10.7cm太陽輻射通量指數逐月資料（F10.7）存在1～2年的顯著滯后相關。相對于太陽活動低值年，在太陽活動高值年之后的1～2年，熱帶西太平洋-海洋性大陸的對流異常表現出東正西負的偶極子模態（圖2），這種相關關系也是夏季顯示出更高的相關性。在去掉ENSO信號后，該地區OLR場的EOF的第一模態也為類似的分布型，而且這種分布型的周期分析顯示了和太陽活動類似的準11年的顯著周期。進一步分析表明，由于熱帶太平洋海氣系統的耦合作用，海洋中的太陽活動信號有利于激發滯后的海洋性大陸—西太平洋對流偶極型。

圖2　去除ENSO信號后，北半球夏季平均OLR與F10.7的相關系數分布圖（a）同期相關；（b）OLR 滯后F10.7指數1年；（c）OLR 滯后F10.7指數兩年。淺色陰影通過了95%信度檢驗，深色陰影通過了99%信度檢驗Fig. 2 After removing ENSO signal， the correlation coefficients between JJA mean F10.7 index and OLR. （a）Contemporaneous correlation coefficients； （b） OLR lags F10.7 by one year； （c） OLR lags F10.7 by two years. The areas with light shadings exceed the 95% confidence level，heavy shadow exceed the 99% confidence level. Blue shaded areas indicate negative values and red shaded areas indicate positive values

對地球氣候而言，太陽輻射是一個外源強迫加熱，因此，氣候系統對太陽10年以上長周期的外強迫變化有很好的滯后相關是容易理解的。Friis-Christensen等[43]發現，每個太陽周的時間長度和全球地表溫度有密切聯系。最近，Maliniemi等[44]指出，北半球的冬季氣溫異常型在太陽周的不同相位（谷值期、上升期、峰值期和下降期）有顯著的差異，尤其在下降時期有明顯的一致性特征。我們對熱帶太平洋海溫分布型的年代際變化分析發現，其年代際變化與太陽活動周所處的相位有較好的關聯，分析海洋熱含量（OHC）與TSI的關系，發現在熱帶太平洋存在東、西兩個相關系數相反的區域，最大相關出現在OHC滯后TSI兩年，且該區域內的OHC具有顯著的11年周期。利用7年低通濾波去除年際變化的信號后，熱帶西太平洋OHC在太陽活動的上升位相表現為正異常，而在中東太平洋呈現為負異常的OHC分布；而在太陽活動周的下降位相期間，OHC異常型分布型顯示出幾乎完全與之相反的異常模態（圖3）。

圖3　太陽上升位相（上圖）和下降位相（下圖）熱含量異常（單位：1018J）。打點區域代表通過95%的信度水平（t檢驗）Fig. 3 Composite OHC anomalies during the ascending phase （top） and declining phase （bottom） of TSI cycle（unit： 1018J）. Black dot shade regions represent theconfidence level above 95% （student’s t test）

1.3太陽活動對ENSO氣候影響的調制作用

ENSO是氣候系統中最重要的氣候異常信號之一，ENSO事件具有明顯的年際和年代際變化特征。在ENSO事件發生期間，熱帶太平洋海溫異常通常會產生一個PNA的異常波列，從而對太平洋和北美的大氣環流和氣候產生重要的影響。Haigh等[45]曾經指出，增強的太陽活動可以引起 ENSO系統發生變化。進一步研究工作顯示，當太陽活躍時輻射作用使熱帶太平洋趨向于暖海溫[46]，而太陽活動很可能是通過改變云和輻射的反饋作用影響 ENSO的[47-48]。

利用太陽輻射通量F10.7的觀測資料以及NECP/ NCAR再分析資料，發現太陽活動對Ni?o3.4的海溫與PNA環流異常型的關系具有明顯的調制作用。當太陽輻射通量偏強時，Ni?o3.4與PNA的聯系將得到加強，且在對流層高層更為明顯。此外，在太陽輻射通量強弱不同的時期，PNA對Ni?o3.4的響應空間分布型也有所不同（圖4）。當太陽輻射通量較強時，500hPa高度場的異常響應主要出現在東北太平洋和北美大陸；而當太陽輻射通量較弱的時期，異常響應場主要位于北太平洋、北美大陸和大西洋。由于太陽活動對對流層大氣的影響可能存在不對稱性，其影響主要表現為強太陽活動對環流的影響，而弱太陽活動時期影響不明顯。由于太陽活動的影響表現為一個弱的類似PNA模態，但其空間分布與Ni?o3.4的影響有所不同，在ENSO暖事件年，太陽活動強年加強了東北太平洋地區對Ni?o3.4的響應，而在ENSO冷事件年，太陽活動強年則加強了北美大陸南部地區對Ni?o3.4的響應。太陽活動主要通過對高層緯向風場的影響，調制了熱帶海洋ENSO異常與中高緯度PNA的聯系，并進一步影響中高緯度地區冬季的氣候。

圖4　赤道東太平洋冷、暖時期太陽活動強、弱年冬季500hPa異常高度場Fig. 4 Geopotential height anomaly during Northern hemisphere winter in （a） High solar and warm eastern equatorial Pacific period （HS-WE）； （b） Low solar and warm equatorial Pacific period （LS-WE）； （c） High solar and cold eastern equatorial Pacific period （HS-CE）； （d） Low solar and cold equatorial Pacific period （LS-WE）

分析太陽活動與熱帶海溫和對流活動的關系后發現，熱帶太平洋是太陽活動影響氣候系統的關鍵區域，而熱帶海氣系統對太陽活動的響應具有明顯的滯后效應。即在強太陽輻射期之后，中東太平洋海溫呈現正異常。對比這種異常海溫的空間結構可以注意到，這種海溫異常型不同于傳統的El Ni?o-like事件中的東太平洋增暖，而類似于El Ni?o Modoki 事件。事實上，太陽活動強弱的變化確實與El Ni?o Modoki指數（EMI）存在顯著的相關性，并在滯后兩年達到最大的相關關系。進一步的周期分析顯示，EMI指數也存在著顯著的準11年周期特征。分析統計EMI>0.7的El Ni?o Modoki事件，發現在太陽輻射峰值當年或之后1～2年，存在有利于El Ni?o Modoki 事件發生的條件（圖5）。

圖5　太陽輻射峰值當年（a）及之后1～3年（b，c，d）的SST距平合成圖（單位：℃），其中打點區域為通過90%的信度水平（t 檢驗）Fig. 5 Composites of annual sea surface temperature anomaly （SSTA） during the peak year （a） and following 1， 2， 3 year （b， c， d） （unit： ℃）. Black dot shade regions represent the result in these areas is above the 90% confidence level（student’s t test）

2　太陽活動影響氣候放大機制的可能途徑

盡管人們一直在試圖解釋太陽活動影響氣候的放大機制，但迄今為止，仍然難以有明確答案。但可以肯定的是，氣候系統的一些特殊的區域和環節，確實可以檢測到顯著的太陽活動的信號，其變率強度和振幅，遠遠大于我們通常用輻射強迫得到的氣候效應。也就是說，太陽活動影響氣候的放大機制，可能是通過氣候系統中復雜的非線性作用實現的。同時，可以注意到，氣候系統對太陽活動在中高緯度的響應通常是發生在冬季，而在夏季氣候系統的響應更多地來自熱帶低緯度地區，而全球重要的季風系統有可能是太陽信號在赤道和極地間傳播的通道。

圖6給出了太陽活動影響氣候可能途徑的綜合框圖。如果以北半球冬季為季節的時間參考，通過各種獨立的研究分析已經知道，當冬季太陽活動偏強的時候，通過對AO的調制作用，北半球中高緯度地區緯向環流加強，中緯度季風地區地面溫度偏高，熱帶海溫和地面溫度偏低，東亞冬季風減弱。與此同時，熱帶對流偏弱將使得另一個半球的Hadley環流減弱，南半球中高緯度夏季風極向推進弱，中高緯度云量減少，溫度升高，從而造成季風區全球中高緯度溫度異常偏高。而在另外一個方面，在隨后夏季熱帶海溫將繼續偏低，對流偏弱，逐步形成熱帶西太平洋對流活動東強西弱的偶極模態，西太平洋熱帶對流中心偏東，有利于產生CP型的El Ni?o暖海溫異常型，使得最終熱帶低緯度溫度偏高。綜上兩個方面，較強的太陽活動將在當年和滯后2～3年，造成對全球大范圍氣候的影響，有利于形成異常的偏暖。

圖6　太陽活動影響氣候的可能途徑Fig. 6 Possible approaches of solar activity affecting Earth's climate

這樣一個太陽活動影響全球氣候的框架模型是否合理，還需要多方面的研究和驗證。但已有的研究結果說明，太陽活動對季風活動和與之相關的熱帶對流、副熱帶高壓和Hadley環流等系統有重要的影響和調制作用。例如，印度季風[21,49]、Hadley環流、Ferrel環流和副熱帶急流[50~53]，在太陽高年傾向于向極地偏移或擴展，而在太陽低年傾向于向赤道偏移。這些系統位置的偏移，會直接導致系統邊緣地區氣候的急劇變化[52,54]。Wang等[55]的研究也表明了東亞季風對太陽活動的響應往往在其邊緣處更為顯著，但太陽活動較強時，東亞夏季風的北界將推進到更北的緯度。

3　小結

通過對最近一些研究成果的梳理，可以發現，太陽活動對氣候的顯著影響具有很強的時空選擇性。在空間上，太陽活動對極地大氣環流和熱帶海氣系統具有明顯的影響，表現為太陽活動較強時期強AO 活動的氣候影響，以及對熱帶對流與ENSO事件氣候影響的調制作用。在時間上，太陽活動對氣候系統的影響具有不對稱性特征，其影響主要是在強太陽時期得以體現，在太陽活動較弱的時期則基本上難以監測到太陽信號。其中，對中高緯度地區的影響主要在冬季，對熱帶低緯地區的影響主要在夏季。考慮到以上時空特征，我們認為顯著的太陽信號主要包含在季風區以及和季風相關的氣候子系統中，季風活動區是太陽活動影響地球氣候的主要區域和放大傳播的通道。同時，由于太陽活動對氣候系統的影響具有明顯的滯后效應，多時間尺度影響的相互作用使得其影響的氣候效應非常復雜，其對全球氣候的影響，還需要進一步的研究和驗證。

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lnfluences of Solar Activity on Climate： the Spatiotemporal Selectivity of the Amplification Process

Xiao Ziniu1, Huo Wenjuan1,2
（1 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics， Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029 2 University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049）

Solar is one of the original driving forces for the earth climate formation， however， how much influence does the solar activity on the earth climate? What are the mechanisms and modes involved in the progresses? And the amplification effect proposed by predecessors is still on debate. Based on the advances in the national basic research program of China that “a study of impacts of astronomical and earthly motility factors on climate change”， this paper provides an overview of the influence and effect of solar variability on some critical components of climate system. The spatio-temporal selectivity in the climate system responses to solar activity forcing is described. We point out that the solar activity effect on polar region and convective region over tropical Pacific Ocean can be amplified by the monsoon activity， and ultimately affect the global climate.

solar activity, climate, spatio-temporal selectivity

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.019

2016年2月18日；

2016年3月29日

肖子牛（1965—），Email: xiaozn@lasg.iap.ac.cn

資助信息： 國家重大科學研究計劃項目（2012CB957804）