太陽活動對高原積雪和東亞夏季風調制影響的回顧和進展

宋燕李智才，張菁肖子牛

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 山西氣候中心，太原 030006；3 沈陽市氣象局生態與農業氣象中心，沈陽 110168；4 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029）

太陽活動對高原積雪和東亞夏季風調制影響的回顧和進展

宋燕1李智才1，2張菁3肖子牛4

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 山西氣候中心，太原 030006；3 沈陽市氣象局生態與農業氣象中心，沈陽 110168；4 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029）

回顧了太陽活動、高原積雪和東亞季風之間關系的研究，指出了國內外有關積雪對太陽活動響應研究的匱乏性和必要性，以及太陽活動對高原積雪與東亞季風關系調節作用研究的前景和價值，并討論了未來相關研究的難點和方向。高原積雪對太陽活動響應的不同時間尺度相關分析表明，在年代際時間尺度上兩者可能存在較為顯著的滯后相關，太陽活動對高原積雪與中國夏季降水的關系存在值得關注的調節作用。

太陽活動，高原積雪，東亞夏季風，多時間尺度相關，回顧和進展

0　引言

青藏高原是地球上面積最大、海拔最高的高原，素有“第三極”之稱，它對東亞氣候乃至全球氣候都有深遠的影響。研究表明，青藏高原動力和熱力作用在亞洲季風爆發[1-6]、東亞季風降水年際和年代際變化[6-8]中扮演著重要的角色。高原積雪可以通過影響太陽輻射反照率而改變地面和大氣的加熱狀況，進而引起東亞地區大氣環流異常，調制亞洲與其周邊海域的海陸熱力差異，最終影響東亞季風和中國夏季降水[8-14]。在全球變暖背景下，與全球溫度一致上升不同，青藏高原積雪于1960—2000年呈現出明顯增加的趨勢[8,11]。但是，從2000年開始進入減少階段（圖1）。顯然，隨著全球溫度的升高，高原積雪并沒有一直減少，而是有自身獨特的年代際振蕩特征，這是導致中國東部夏季雨型從20世紀60—70年代到20世紀80—90年代出現“北澇南旱”向“南澇北旱”轉變的直接原因[8]。由此可見，青藏高原積雪是預測我國夏季降水年代際變化的重要物理因子。

圖1　1961—2013年青藏高原冬季雪深標準化序列年代際變化（9年滑動平均）Fig. 1 Interdecadal change of standardized winter snow depth over Tibetan Plateau for 1961-2013 （9-yr running mean）

太陽是地球氣候系統能量的主要來源，全面客觀地認識太陽活動對地球氣候系統的影響，是做好氣候預測和氣候變化歸因的重要環節。盡管全球變暖主要由人類活動引起[15]，但自然因子在其中所起的作用并沒有被研究清楚，IPCC第五次評估報告所采用的諸多模式也只考慮了太陽總輻射度對氣候系統單方面的影響，并沒有考慮不同的太陽活動參數對氣候系統在不同時間尺度上的影響，更沒有考慮氣候系統某些分量響應太陽活動后對大氣產生的反饋放大作用，這種放大機制很有可能存在[16-17]，而考慮了放大作用后的結果很可能會有所不同。

迄今為止，對太陽活動的研究主要集中在太陽活動數據與氣候參數之間的相關分析上面，例如宇宙射線、紫外線、太陽總輻射量、地磁指數或者太陽黑子數等與地表溫度、云、遙相關或者環流型之間的相關分析[18]，這些研究結果證明了太陽活動是驅動地球氣候系統變化的重要因子[19-21]，但仍缺乏相應的物理過程研究。目前，國際上對太陽活動的研究還停留在初級階段，進一步探索太陽活動對氣候系統各分量影響的物理過程很有必要。青藏高原積雪作為影響東亞氣候的重要物理因子[22]，對太陽活動響應的相關研究至今幾乎為零，因此，開展相關研究非常有價值。

高原積雪一方面可以直接地響應太陽活動的影響，另一方面，可以通過熱力作用影響東亞季風和雨帶分布，而這種影響在不同的年代際背景不盡相同[15]。造成這種差別的原因何在？這是目前人們一直在探索的問題，太陽活動對兩者之間關系的調節作用是什么？是否造成這種差別的主要外強迫因子？這值得去研究。本文回顧了高原積雪對東亞夏季風影響以及太陽活動對東亞夏季風影響的相關研究，指出了未來研究高原積雪對太陽活動的響應、太陽活動調節高原積雪與東亞季風之間關系的可能性和必要性。

1　太陽活動與高原積雪和東亞夏季風關系的研究回顧

1.1積雪對季風和降水的影響

青藏高原地區積雪的消融期較晚[6]，高原積雪可以增加地表的反照率，降低高原的地表溫度；而且，融化積雪消耗更多的熱量從而使地表面降溫，融化的雪水還可以增加土壤的濕度，使土壤變為“濕土壤”，“濕土壤”增強了對積雪的“記憶”，改變青藏高原和太平洋附近對流層中上層大氣溫度和位勢高度，從而影響陸海之間大氣溫度的差異，進而對亞洲夏季風產生重要影響[14,23-25]。由于青藏高原積雪對中國氣候異常有明顯的影響，因而，高原積雪對東亞夏季風和降水在年際時間尺度上的影響研究得到廣泛的關注[10,14,23-28]。這些研究結果可以總結為，冬春季高原積雪多（少）的年份，東亞夏季風或南海夏季風爆發遲（早），東亞夏季風弱（強），江淮流域偏澇（旱），雨帶呈“南澇北旱（北多南少）型”分布。可以解釋為，前期冬春季高原積雪偏多（少）的年份，由于增加（減少）了土壤的濕度，進入夏季后，濕土壤對積雪偏多的記憶減小（增加）了高原地區和海洋之間的溫度對比，造成東亞夏季風偏弱（強），江淮地區降水偏多（少），而華北地區降水偏多（少），雨帶呈“北少南多型（北多南少型）”分布。

高原積雪和東亞夏季風都具有顯著的年代際變化特征[22]。近年來，年代際時間尺度上積雪與東亞夏季風關系的研究越來越受到重視。有的學者認為近幾十年來東亞夏季風的減弱與青藏高原積雪的增多有關聯[12]，青藏高原冬春季積雪的年代際異常對中國東部地區夏季雨型的改變起著重要作用[6,8]。

研究表明，在年代際時間尺度上，積雪與季風之間的關系并非一直穩定不變。自1884年Blanford[29]提出喜馬拉雅山冬春積雪和印度夏季降水的反位相關系之后，Walker[30]認為可以將積雪作為季風降水的預報因子。但是，在以后的幾十年里，積雪和季風之間的關系變得很弱，積雪喪失了作為預報因子的作用[31]。還有，Hahn等[32]、Dey等[33]發現歐亞大陸春季雪蓋和印度夏季風之間存在負相關關系，Dickson[34]、Sankar-Rao等[35]驗證了這一關系。然而，歐亞春季積雪與全印度夏季降水之間這種相關特征于1970s中期發生了改變[36]。這些研究說明積雪作為預報季風降水的物理因子，它與降水的關系會發生改變。宋燕等[22]的研究證明，在不同的年代際背景下，高原冬季雪深與中國夏季降水的相關分布型具有較大的差異。以上研究表明，高原積雪與季風的關系會受到其他物理因子的影響，從而使兩者之間的關系變得不穩定，這值得進一步探究。太陽是地球氣候系統重要的外強迫因子，有研究表明太陽活動與東亞在夏季風和雨帶之間有較為密切的關系，那么，太陽活動是否會對兩者關系有調節作用呢？這值得深入研究。有一點可以肯定，在某些年份，利用高原積雪作為預報因子預報東亞夏季風和中國降水需要同時考慮其他強迫因子的影響。

1.2太陽活動對東亞夏季風的影響

太陽活動對季風有較為明顯的影響[37-41]，季風降水的長期變率可能受到太陽強迫的影響，而在不同時期有所差別[42]。數值模式結果顯示，在太陽活動偏弱的小冰期，全球季風降水總體偏弱；而中世紀暖期，全球季風總體偏強[43]。太陽活動活躍期，Hadley環流擴大，副熱帶干旱區向北擴展，北半球季風位置偏北，全球大多數陸面地區由于季風加強而降水偏多[44-49]。由于敏感地區對太陽活動的響應往往比全球響應大一個量級，并且水循環對太陽驅動的響應更為敏感[50]。因此，區域性降水對太陽活動的響應信號應該更強。

最近的研究顯示，亞洲季風強度受到太陽活動周期的控制[51-52]，東亞夏季風爆發期，季風區雨帶緯度位置的年代際變化依賴于太陽黑子周期位相，長江以南和以北地區的降水量與太陽周期關系相反，應用初夏西南季風強度和北界位置與太陽黑子周期的年代際鎖相關系可以解釋這個現象[53]。另外，東亞廣義梅雨季是東亞季風雨帶緯度（MLRB）與太陽周之間最強相關系數所對應的時段。在太陽活動的高年，這一梅雨雨帶偏北1.2°，并且具有更大的年際變率[38]。另外，太陽活動11年周期對東亞降水演變與ENSO關系、春季NAO與東亞夏季降水關系以及東亞冬季風與隨后夏季風關系等具有調制作用[54]。在太陽活動偏低年，ENSO與東亞冬季風的關系更為密切，東亞冬季風與隨后夏季風的關系在太陽活動偏低年要比偏高年更緊密。這些結果表明了太陽活動周期對海氣相互作用和大氣內部系統之間的相互作用的顯著影響。高原冬春季積雪與東亞夏季風及中國夏季東部雨帶都有顯著的相關關系，那么，這種關系是否受到太陽活動的調制呢？這值得進一步探討。

1.3高原積雪對太陽活動的響應

國內外關于積雪對太陽活動響應方面的研究成果非常少，主要集中在不同波段的太陽光譜對積雪反照率和融化率的影響方面[55-57]。而高原積雪對太陽活動的響應及其放大作用機制方面的研究是一個空白，有關領域的研究工作亟待開展，這對研究中國夏季氣候異常的原因和高原積雪與東亞夏季風的關系具有重要價值。

作者前期工作表明，近50年來高原冬季積雪在年代際時間尺度上對太陽活動有較為顯著的滯后響應[58]，并且太陽活動與東亞冬季風和北極濤動也具有較為顯著的年代際滯后相關，高原積雪與后兩者也有顯著的年代際相關，這表明了太陽活動與高原積雪以及東亞氣候之間可能存在某些關聯，揭示其中的物理過程對提高中國氣候預測水平和氣候變化歸因有所幫助。研究表明，太陽活動可以通過調節紫外線而影響平流層臭氧含量和分布，改變平流層大氣熱力平衡狀態和熱帶平流層大氣溫度場，然后向極向下傳播，調整北半球地面環狀模，導致北半球一些地區氣候發生異常[59]。由此推斷，高原積雪在某種程度上可能確實存在著對太陽活動的直接或間接響應，并且進一步影響東亞地區的大氣環流和天氣氣候。

2　太陽活動與高原積雪和東亞夏季風的研究進展

2.1太陽活動與高原積雪的多時間尺度相關

作為研究青藏高原積雪對太陽活動響應的第一步，就是檢驗兩者之間有無顯著的統計相關關系，然后再探索其中可能存在的物理過程。在此，采用國家氣象信息中心提供的逐日地面積雪深度站點數據資料（1951—2011年），消除青藏高原地區單站的日積雪深度觀測資料的不連續現象，對原始資料進行篩選和適量的插補，最后得到51個站點1961—2011年逐月連續積雪資料，青藏高原冬季雪深（WSD）定義為本年12月與次年1、2月積雪深度累加。

表征太陽活動的參數有多個，其中，10.7cm太陽射電通量（SRF）和太陽黑子數（SSN）較為常用，SRF與太陽活躍區的磁性以及紫外線關系密切，而SSN反映了太陽磁場的強弱，雖然不能直接表示太陽輻射的大小，但是可以反映太陽活動的強弱。表1和表2分別計算了SRF和SSN與高原WSD之間的多時間尺度相關，其中原始序列相關的顯著性檢驗采用Pearson顯著性檢驗，9和11年滑動平均序列采用Monte-Carlo顯著性檢驗，具體方法詳見參考文獻[58]。

從表1和表2可以看出，盡管滑動平均后兩者的相關有明顯的提高。但是，在不同時間尺度上，冬季高原雪深與太陽活動并不存在顯著的同期相關。高原積雪與SRF和SSN之間在不同時間尺度上的相關分布規律非常相似，說明積雪對太陽活動不同參數的響應規律接近，有可能存在相同的物理過程。計算表明，高原積雪與SRF的原始序列不存在非常顯著的相關關系，只有在滯后6～7年（SRF）和6年（SSN）時才存在通過0.1顯著水平的顯著相關；9年滑動平均后的序列不存在顯著相關；但是，值得注意的是11年滑動平均在滯后SRF（SSN）2～6年（3～6年）時出現了顯著相關，其中滯后SRF 4年時的相關通過了0.05的顯著水平檢驗。說明在年代際時間尺度上高原積雪與太陽活動之間存在某種較為顯著的滯后關系。功率譜分析表明（圖略），經過11年濾波后的積雪和太陽活動都存在顯著的32年周期信號，表明在較長的年代際時間尺度上，高原積雪可能跟太陽活動存在某些聯系，這種關系經過時間滯后的積累效應以后逐漸變強，呈現出較為顯著的相關。

表1　高原冬季雪深（WSD）與太陽射電通量（SRF）之間的多時間尺度相關Table 1 The contemporary and time-lag correlation coefficients between SRF and WSD on multi-time scale from 1961 to 2011

以上研究初步表明了在年代際時間尺度上高原積雪對太陽活動的響應可能通過一種滯后效應實現，經過幾年的積累后這種響應機制的累加效果達到最大。但是，其中的物理過程還需要進一步的工作來說明。

眾所周知，表征高原積雪的因子不僅僅是冬季雪深一個，高原積雪日數和積雪面積也是在研究和業務中常用的積雪因子，而且，又分為冬季積雪因子和春季積雪因子，其他的積雪因子是否同樣存在對太陽活動的顯著響應呢？這也值得進一步探討。同樣，表征太陽活動的參數也不只是射電通量和黑子數，所以，若想進一步研究高原積雪對太陽活動的響應，必須普查不同高原積雪因子與不同的太陽活動參數之間的多時間尺度相關關系，從中選取對太陽活動響應較為敏感的因子加以著重研究，能更加準確地描述高原積雪對太陽活動響應的物理過程。

2.2太陽活動對高原積雪影響東亞夏季風的調節作用

高原積雪是影響東亞夏季風和中國汛期雨帶的重要物理因子，也是國家氣候中心常用的預測因子。圖2給出冬季高原雪深與中國夏季降水的相關分布，其中黑點代表超過0.05顯著水平的區域。圖中顯示正相關顯著區域主要分布在長江流域和廣西地區，通過顯著性檢驗；而淮河地區呈現負相關，但是沒有通過顯著性檢驗。這說明高原積雪多（少）的年份，長江流域和廣西地區降水偏多（少），而淮河地區降水偏少（多），這與大多數的研究結果一致。

表2　高原冬季雪深（WSD）與太陽黑子數（SSN）之間的多時間尺度相關Table 2 The contemporary and time-lag correlation coefficients of SSN with WSD on multi-time scale from 1961 to 2011

圖2　高原冬季雪深與中國夏季降水的相關（1961—2011年）（陰影區黑點表示超過0.05顯著水平）Fig. 2 Correlation of the winter snow depth over Tibetan Plateau with summer precipitation in China for 1961-2011（black dots in shadow indicate significance level above 0.05）

圖3　太陽射電通量（SRF）的標準化時間序列Fig. 3 Time series of standardized Solar Radiation Flux（SRF）

圖4 太陽活動強年（a）和弱年（b）高原冬季雪深與中國夏季降水的相關（1961—2011年）（陰影區表示超過0.05顯著水平）Fig. 4 Correlation of the winter snow depth over Tibetan Plateau with summer precipitation in China for 1961-2011 in high solar years （HS）（a）and in low solar years （LS） （b） （black dots in shadow indicate significance level above 0.05）

圖3給出太陽射電通量SRF的標準化時間序列，可以看出，太陽活動有著11年周期的顯著信號。選取太陽活動較強的年份為：1955—1959，1966—1970，1978—1982，1988—1992和1998—2002年；太陽活動較弱的年份為：1960—1965，1972—1977，1983—1987，1993—1997和2003—2008年。分別計算SRF強年與弱年高原積雪與中國夏季降水的相關（圖4）。可以看到，在太陽活動強的年份（圖4a），與圖2相比，顯著正相關的區域從長江流域北移到了江淮地區（圖中黑色方框），華北北部到內蒙古東部地區（紅色方框地區）呈現顯著的負相關，東北呼倫貝爾高原到大興安嶺一帶（紫色方框）有顯著的正相關。說明在太陽活動強的年份，如果前期高原積雪偏多，則江淮地區降水偏多，而華北北部到內蒙古東部地區降水偏少。在太陽活動弱的年份（圖4b），高原積雪與降水的相關分布與圖4a相比有較為明顯的差異，江淮地區的正相關區域明顯偏南，顯著的正相關區域南移到了貴州、江南至長江中游地區（黑色方框），華北北部到內蒙東部地區（紅色方框地區）呈現顯著的正相關區域，河套東部地區也呈現顯著的正相關，長江以南的福建和浙江地區存在顯著的負相關，東北的呼倫貝爾高原地區也存在較弱的負相關，這些現象與太陽活動強的年份相差很明顯。說明在太陽活動弱的年份，如果前期高原積雪偏多，則江南至長江中游地區降水偏多，華北北部到內蒙古東部地區降水也偏多，而江南東部地區降水偏少。以上分析說明，在太陽活動11年周期不同的位相，即太陽活動強的年份與弱的年份里，高原積雪與中國夏季降水的相關分布存在較大的差異，太陽活動周期對兩者關系存在顯著的調節作用，在太陽活動較強的年份里季風雨帶偏北，主要在淮河流域地區；而在太陽活動較弱的年份里季風雨帶偏南，在長江中游至江南地區。這些結論與Zhao等[38,53]的研究結果相一致，但是本文考慮了高原積雪對雨帶的影響，其中的機理和物理過程還需要進一步的研究。

3　小結和討論

本文回顧了前期高原積雪在年際和年代際時間尺度上對東亞夏季風的影響研究，指出了積雪與夏季風在年代際時間尺度上關系的不穩定性，這種不穩定性很可能是受到了其他物理因子的影響，太陽活動也可能是造成兩者關系不穩定的因子。還回顧了太陽活動對東亞夏季風影響的研究，指出太陽活動對東亞夏季風雨帶的進退有調節作用。

對冬季高原雪深與太陽活動不同參數之間的多時間尺度相關進行了分析，表明高原冬季積雪對太陽活動的響應在年代際時間尺度上存在較為顯著的滯后正相關關系，當太陽活動較強時，高原冬季積雪偏多。這種滯后相關機制至今還處于研究階段，不能給出定論和相應的物理過程，需要進一步的探索。

一些研究表明，太陽紫外輻射異常對平流層臭氧可以產生較為顯著的影響，由此破壞平流層大氣熱平衡從而改變溫度分布，造成環流的變化[16,60]。同樣，對流層大氣中也存在較為顯著的太陽活動信號[16,60]。中高層大氣與對流層大氣可以發生耦合的相互作用，使得對流層大氣環流發生變化[37,60]。太陽活動還可以通過非線性機制放大對氣候系統的作用[60]，一些研究發現在熱帶海洋循環和El Ni?o的變化中存在太陽強迫的間接放大作用，這些被放大后的作用很可能通過再次強迫大氣從而第二次改變大氣環流。因此，高原積雪對太陽活動的滯后響應機制很可能是通過一種積累放大效應產生的。

太陽活動影響高原積雪的途徑初步推測為兩種：一種是較短時間尺度（如季節時間尺度），屬于較快的過程，太陽活動強弱通過影響平流層大氣熱平衡而改變大氣環流，然后再經過平流層與對流層大氣之間的相互作用改變對流層大氣環流狀況，從而影響高原積雪；第二條路徑是較長時間尺度，屬于慢過程，太陽活動通過改變海洋熱力狀況（如熱帶太平洋海溫），經由海-氣相互作用，再進一步改變大氣環流狀況，導致高原積雪異常。這個過程可能需要幾年的時間。以上兩種物理過程的物理圖像可用圖5體現。高原積雪對太陽活動響應研究的問題和難點基本上可以歸納為以上兩類，這是未來研究的主要方向。

圖5　高原積雪響應太陽活動并影響東亞夏季風的物理圖像Fig. 5 Physical sketch-map of response of the snow over Tibetan Plateau to solar activity and influence on East Asian Summer Monsoon

本文初步研究了太陽活動對高原積雪和東亞夏季風/中國夏季雨帶相關的調節作用，發現在太陽活動強的年份和太陽活動弱的年份，高原積雪和中國夏季降水的關系有較大的差異，這意味著兩者之間的關系很可能受到了太陽活動的調制作用，需要進一步地研究其中的物理過程。研究顯示，太陽活動強的年份，高原積雪導致的中國汛期主雨帶的位置偏北，而太陽活動弱的年份雨帶偏南。這也提示在應用高原前期積雪因子預測東亞夏季風和中國夏季降水時，需要適時考慮太陽活動的調節作用。

總之，太陽活動對高原積雪與東亞夏季風/中國汛期降水的調制作用非常值得進一步探討，有較為廣泛的研究和應用前景。

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Review of Progress in Modulation Effects of Solar Activity on Snow depth over the Tibetan Plateau and East Asian Summer Monsoon

Song Yan1, Li Zhicai1,2, Zhang Jing3, Xiao Ziniu4
（1 Training Centre， China Meteorological Administration， Beijing 100081 2 Shanxi Climate Centre， Taiyuan 030006 3 Zoology and Agricultural Meteorological Centre of Shenyang Meteorological Administration， Shenyang 110168 4 Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029）

Research on influence of solar activity on global climate system is gradually paid more attention in recent years. This paper reviewed studies of solar activity, snow over the Tibetan Plateau and East Asian Summer Monsoon, then pointed out the lack and necessity of explores on response of snow and East Asian Summer Monsoon to solar activity, and explored and demonstrated simultaneously the difficulty and direction of researches in this scientific area. Multi-time scales analysis indicated that the winter snow over the Tibetan Plateau had significant time-lag correlation with solar activity on interdecadal time scale. It should be paid more attention on effect of solar activity's modulation on the winter snow over the Tibetan Plateau and summer precipitation in China.

solar activity, snow over Tibetan Plateau, East Asian Summer Monsoon, correlation on multi-time scales, review and progress

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.020

2015年9月5日；

2016年3月21日

宋燕（1965—），Email: songyan@cma.gov.cn

資助信息： 國家自然科學基金項目（41575091）；國家重大科

學研究計劃項目（2012CB957803，2012BC957804）