太陽活動11年周期與南極海冰的可能聯(lián)系

周群 陳文

(1 自然資源部國家海洋環(huán)境預(yù)報中心,北京 100081;2 中國科學(xué)院大氣物理研究所季風(fēng)系統(tǒng)研究中心,北京 100190)

提要 本文利用1979—2018年NCEP-DOE 再分析資料、Hadley 中心提供的全球海冰密集度格點資料以及反映太陽活動11年周期變化的太陽黑子數(shù)資料,研究了太陽活動與南極海冰變化的可能聯(lián)系和其中涉及的物理過程。結(jié)果表明,太陽活動偏強年,南極半島-威德爾海海冰密集度增加,羅斯海外圍海冰密集度減少,反之亦然。通過定義一個反映上述變化的南極海冰偶極子指數(shù),我們發(fā)現(xiàn)其與南極濤動(Antarctic Oscillation,AAO)的變化具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與AAO 密切相聯(lián)系的繞極急流的非對稱性結(jié)構(gòu)在這一過程中起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)AAO 強度較強時,西風(fēng)急流在南極半島-威德爾海一帶向南偏轉(zhuǎn),在羅斯海附近向北偏轉(zhuǎn),引起暖空氣易于進入南極半島-威德爾海,而更多的冷空氣進入羅斯海外圍,從而造成海冰分布的偶極子結(jié)構(gòu)。而當(dāng)AAO為負(fù)位相時,情況與上述相反。對流層AAO 模態(tài)對太陽活動的響應(yīng),可能在太陽活動與南極海冰兩者的聯(lián)系中起到了橋梁作用。進一步的研究揭示出太陽活動影響AAO的信號很可能源于平流層溫度的響應(yīng),再通過對流層的平均經(jīng)圈環(huán)流的調(diào)整,大氣質(zhì)量得以重新分布,在太陽活動偏強年,對流層低層易于出現(xiàn)負(fù)的AAO型響應(yīng)。

0 引言

南極海冰作用區(qū)是地球氣候系統(tǒng)主要的冷源之一[1],一方面,海冰具有較高的反照率,有效地減少了地球表面吸收的太陽輻射；另一方面,海冰能夠隔離海洋與大氣之間的熱量和水汽交換。因此,南極海冰的變化能顯著地影響極地大氣冷源的強度,進而影響全球大氣環(huán)流[2-3]。自20世紀(jì)70年代起,基于極軌衛(wèi)星提供的被動微波影像資料,許多學(xué)者開展了針對南極海冰變化的研究工作,這些分析發(fā)現(xiàn)南極威德爾海和羅斯海海區(qū)的海冰最多、變化最大,指出南極海冰不僅在年際時間尺度上存在明顯的變化,而且在年代際時間尺度上具有10年左右的準(zhǔn)振蕩周期[4-5]。通過定義具有蹺蹺板式變化特征的南極海冰濤動指數(shù),大量研究證實了南極海冰的變化不僅對南極大陸氣象、氣候有重要的影響[6],而且與我國夏季氣溫及降水均都有著密切的聯(lián)系[7-9]。已有的工作考察了影響南極海冰變化的外強迫因子,如太平洋海溫[10]、西印度洋海溫[11]、南半球環(huán)狀模[12]等。南半球環(huán)狀模或南極濤動(Antarctic Oscillation,AAO)是大氣內(nèi)部的一種模態(tài),表征了南半球熱帶外大氣在年際尺度上的主要變化[13]。觀測分析及模式模擬均已揭示出威德爾海和羅斯海的海冰、感熱通量等的變化對AAO的偶極子式響應(yīng),這可以歸因于與AAO 有關(guān)的動力和熱力強迫的綜合作用[14-15]。

太陽輻射是全球地-氣系統(tǒng)的基本能量來源,所以太陽活動周期變化造成的輻射強度的改變會對地球天氣、氣候產(chǎn)生重要影響[16-20]。太陽活動存在周期為11年左右的循環(huán)變化,衛(wèi)星觀測發(fā)現(xiàn)在一個活動周期中太陽總輻射的變動在1%以內(nèi),但其中紫外光譜波段的差異能達(dá)到6%～8%,這對于平流層臭氧含量及其分布的變化是至關(guān)重要的[21-22]。大量研究發(fā)現(xiàn)太陽活動產(chǎn)生的紫外輻射的變化通過臭氧吸收會引起平流層溫度場的改變,進而造成風(fēng)場的垂直變化,而風(fēng)場的分布直接關(guān)系到大氣準(zhǔn)定常行星波的傳播,通過波流相互作用,太陽活動能夠調(diào)節(jié)對流層南、北半球環(huán)狀模的強度及變率,進而影響更廣泛區(qū)域的天氣、氣候[23-30]。這些研究普遍認(rèn)為太陽活動對平流層上層和中層的影響是直接的(通過臭氧吸收紫外輻射),而對平流層下層—對流層的環(huán)流異常則是間接/動力影響的結(jié)果[31-36]。近來的工作指出通過對垂直經(jīng)圈環(huán)流的調(diào)制,太陽活動能夠引起低層AAO型的響應(yīng),進而對越赤道氣流的建立和我國南海夏季風(fēng)的爆發(fā)產(chǎn)生重要影響[37]。

從以上的回顧不難發(fā)現(xiàn),一方面,太陽活動能夠通過平流層-對流層耦合作用影響對流層低層南、北半球環(huán)狀模的空間結(jié)構(gòu),另一方面,AAO與南極海冰變化規(guī)律緊密相關(guān),那么,太陽活動能否影響南極海冰的變異就成為一個亟待探討的科學(xué)問題。為此,本文將考察太陽活動與南極海冰變化之間的可能聯(lián)系,分析AAO 在此過程中起到的關(guān)鍵作用,揭示太陽活動影響南極海冰變化的物理過程。

1 資料與方法

文中所使用的數(shù)據(jù)資料包括:(1)NCEP/DOE全球大氣月平均再分析數(shù)據(jù)集(https://psl.noaa.gov/data/grdded/data.ncep.reanalysis2.html),該資料垂直方向從1 000 hPa到10 hPa 共17層,水平網(wǎng)格距為2.5°×2.5°,使用到的氣象要素包括海平面氣壓、經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、氣溫以及垂直速度；(2)全球月平均海冰密集度數(shù)據(jù)集,取自英國氣象局Hadley 中心,其水平分辨率為1°×1°；(3)比利時皇家天文臺(http://www.sidc.be/silso/datafiles)提供的年平均太陽黑子數(shù)資料(Sunspot Number,SSN)。本文選用1979—2018年共計40年的資料進行統(tǒng)計分析,采用的方法主要是線性回歸和相關(guān)分析,并利用t檢驗來驗證其顯著性。

計算年平均SSN 與同期太陽總輻射(數(shù)據(jù)取自NOAA 國家環(huán)境信息中心,https://www.ngdc.noaa.gov/stp/solar/irrad.html)的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.97(圖略),也即太陽黑子周期活動與太陽總輻射的變動高度相關(guān),表明兩者變化十分一致,這也與已有的研究結(jié)果相吻合[38],因此,本文利用SSN 作為表征太陽活動強弱的指數(shù)。

2 太陽活動對南極海冰變化的可能影響

圖1a是年平均的海冰密集度與SSN指數(shù)的回歸分布,陰影區(qū)表示通過90%置信度檢驗的區(qū)域,可見,顯著的正值區(qū)位于南極半島-威德爾海附近,負(fù)值區(qū)主要位于羅斯海外圍以及戴維斯海附近。大氣環(huán)流診斷顯示,整個極地高緯度地區(qū)為海平面氣壓的正異常覆蓋(圖略),主要的反氣旋式環(huán)流異常有三個,分別位于南極半島附近、羅斯海外圍以及戴維斯海附近(圖1b)。值得注意的一點是,南極半島附近的異常反氣旋中心位置偏北(65oS 以北),導(dǎo)致威德爾海上空為自極地而來的偏南風(fēng)異常；而羅斯海及戴維斯海的反氣旋中心位置相對偏南(65oS 以南),造成上述區(qū)域上空為中緯度而來的偏北風(fēng)異常。這里的結(jié)果表明,太陽活動對南極海冰的異常分布存在影響,太陽活動偏強年,南極半島-威德爾海海冰密集度顯著增加,而羅斯海外圍海冰密集度明顯減少,海冰的異常與低層環(huán)流異常帶來的冷、暖空氣密切相關(guān)。

圖1 南極海冰、大氣環(huán)流場與太陽黑子數(shù)(SSN)指數(shù)的回歸分布型.a)年平均的海冰密集度(等值線,間隔:1.5×10?2)與SSN指數(shù)的回歸分布型;b) 850 hPa 風(fēng)場(矢量,單位:m·s?1)與SSN指數(shù)的回歸分布型.淺、深色陰影分別表示通過90%、95%置信度檢驗的區(qū)域;圖a中實線(虛線)表示正值(負(fù)值),紅色(藍(lán)色)梯形框表示選定的典型的正值(負(fù)值)區(qū)Fig.1.Regressed distributions of the sea ice concentration and atmospheric circulation over the Antarctic on the sunspot number (SSN) index.a)regressed anomalies of annual mean sea ice concentration (contours,interval:1.5×10?2) on SSN index;b) regressed anomalies of 850 hPa wind (vectors,units:m·s?1) on SSN index.Heavy and light shadings denote the regions at the 95% and 90% confidence levels,respectively.Solid (Dashed) contours indicate the positive(negative) values and red (blue) trapezoid denotes the chosen typical area with positive (negative) values in figure a

為了系統(tǒng)地研究與南極海冰變化有關(guān)的南半球大氣環(huán)流特征,我們將年平均的南極半島-威德爾海(圖1a中紅色梯形框所示區(qū)域,70oS～55oS,25oW～85oW)與羅斯海外圍(圖1a中藍(lán)色梯形框所示區(qū)域,75oS～60oS,160oE～150oW)區(qū)域平均的海冰密集度之差定義為南極海冰偶極子(Sea Ice Dipole,SID)指數(shù)。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的SID指數(shù)與SSN指數(shù)的年際變化在圖2中給出,可見,SID指數(shù)存在明顯的年際和年代際變化,而SSN 則主要呈現(xiàn)顯著的準(zhǔn)11年周期性變化。我們將這SID指數(shù)的兩種時間尺度進行分離,對SID指數(shù)進行5年滑動平均處理,以滑動平均值代表年代際變化[39]。分別將原始的、5年滑動平均的SID指數(shù)與SSN指數(shù)序列計算相關(guān)系數(shù)(0.38、0.37),結(jié)果均能超過95%置信水平,也即1979—2018年期間年平均SID指數(shù)與SSN指數(shù)之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。此外,本文定義的SID指數(shù)與程彥杰等[6]、卞林根和林學(xué)椿[9]為反映羅斯海外圍與南極半島附近的別林斯高晉海海冰蹺蹺板式變化規(guī)律而定義的南極海冰濤動指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為?0.79,超過 99%置信度檢驗),因此,本文定義的SID指數(shù)不僅能夠很好地反映太陽周期活動對南極海冰變化的主要影響,同時也對南極關(guān)鍵區(qū)海冰年際變化具有一定的指示意義。

圖2 經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的年平均SSN(灰色陰影)指數(shù)和南極海冰偶極子(SID)指數(shù)(紅色實線表示原始數(shù)據(jù)；黑色實線表示5年滑動平均后的數(shù)據(jù))的時間變化序列Fig.2.Normalized time series of the annual mean SSN index (grey shadings) and Antarctic sea ice dipole (SID) index (raw:red line;5-year running mean:black line)

前人的工作指出AAO 與南極羅斯海和威德爾海海冰的相反變化有密切的關(guān)系[14],為此,我們將年平均南半球熱帶外地區(qū)的海平面氣壓場回歸到SID指數(shù)(圖3a)。整體而言,在極區(qū)及較高緯度地區(qū)為顯著的海平面氣壓正異常,在中緯度地區(qū)則為明顯的海平面氣壓負(fù)異常,這與AAO負(fù)位相的分布特征較為一致。事實上,將1979—2018年期間年平均南半球20oS 以南的海平面氣壓場進行經(jīng)驗正交函數(shù)分解,第1模態(tài)(方差貢獻31.8%)就表現(xiàn)為緯向?qū)ΨQ、而經(jīng)向上是極區(qū)和中緯度地區(qū)的偶極形態(tài),反映的是大氣質(zhì)量在南半球中、高緯度之間的反向變化,也即AAO的強度變化(圖3b),故本文將第1模態(tài)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時間系數(shù)定義為AAO指數(shù)。已有的研究證實了自20世紀(jì)70年代以來,AAO表現(xiàn)出明顯的年代際增強趨勢[40],這種變化趨勢主要由溫室氣體的增長和平流層臭氧損耗所導(dǎo)致[41]。因此,圖3c給出的是去掉線性趨勢后的標(biāo)準(zhǔn)化AAO指數(shù)與SID指數(shù)的時間演變序列,可以看出兩者基本呈反位相變化,計算1979—2018年期間AAO指數(shù)與SID指數(shù)原始序列的相關(guān)系數(shù)為?0.52(通過99%置信水平),去掉線性趨勢后兩者的相關(guān)系數(shù)為?0.34(通過95%置信水平),這說明AAO 與SID之間具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 SID指數(shù)與南極濤動(AAO)指數(shù)的關(guān)系.a)年平均海平面氣壓(SLP) 回歸到SID指數(shù)的分布型(等值線,間隔:0.5 hPa);b)年平均海平面氣壓(SLP)做EOF 分解展開的第一模態(tài)空間分布(等值線,間隔:0.5 hPa)；c)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理并去掉線性趨勢后的第一模態(tài)對應(yīng)的時間系數(shù)(定義為AAO指數(shù),灰色陰影)和SID指數(shù)(紅色實線)的時間變化序列.a)和b)中紅色(藍(lán)色)陰影分別表示正(負(fù))值通過95%置信度檢驗的區(qū)域Fig.3.Relationship between the SID and the Antarctic Oscillation (AAO) index.a) regression pattern of the annual mean sea level pressure (SLP,contours,interval:0.5 hPa) on the SID index;b) the first EOF mode of the SLP field (contours,interval:0.5 hPa);c) the corresponding normalized time coefficients (defined as the AAO index;light grey shadings)and normalized time series of SID index (red solid line) after removing the linear trends.Red (Blue) shadings indicate the positive (negative) values exceeding the 95% confidence level in a) and b),respectively

Lefebvre 等[14]的工作指出繞極急流對AAO影響南極海冰變化起到了關(guān)鍵作用,所以圖4a、4b 將海冰密集度及850 hPa 風(fēng)場分別回歸到SID指數(shù)、AAO指數(shù)上進行比較分析。可以看到,無論是海冰密集度還是低層環(huán)流異常,圖4a和4b均呈現(xiàn)出截然相反的響應(yīng)。SID指數(shù)為正時,繞極西風(fēng)減弱,別林斯高晉海-威德爾海外圍一帶風(fēng)向具有偏北的分量,造成更多的冷空氣進入該區(qū)域,引起海冰密集度增加；其余地區(qū)風(fēng)向具有偏南的分量,有利于暖空氣的流入,導(dǎo)致海冰密集度減少。與此相反,AAO 強度偏強時,繞極西風(fēng)急流明顯增強,別林斯高晉海-威德爾海外圍一帶西風(fēng)具有偏南的分量,給該區(qū)域帶來由中緯度地區(qū)而來的暖空氣,其余地區(qū)西風(fēng)大都具有偏北的分量,導(dǎo)致極地而來的冷空氣易于流入,這與別林斯高晉海-威德爾海外圍一帶海冰密集度減少,其余大部分地區(qū)海冰密集度增加的分析結(jié)果一致。

圖4 南極海冰、大氣環(huán)流場分別與SID、AAO指數(shù)的回歸分布型.a)年平均海冰密集度(等值線,間隔:2×10?2)、850 hPa風(fēng)場(矢量,單位:m·s?1)與SID指數(shù)的回歸分布型;b)年平均海冰密集度(等值線,間隔:2×10?2)、850 hPa 風(fēng)場(矢量,單位:m·s?1)與AAO指數(shù)的回歸分布型.紅(藍(lán))色陰影表示正(負(fù))值通過95%置信度檢驗的區(qū)域Fig.4.Sea ice concentration and circulation anomalies regressed on the SID index and AAO index,respectively.a)regressed sea ice concentration (contours,interval:2×10?2) and 850 hPa wind anomalies (vectors,units:m·s?1) on the SID index;b) regressed sea ice concentration (contours,interval:2×10?2) and 850 hPa wind anomalies (vectors,units:m·s?1) on AAO index.Red (Blue) shadings indicate the positive (negative) values exceeding the 95% confidence level

圖5 年平均南極半島-威德爾海(紅色實線)、羅斯海外圍(藍(lán)色虛線)區(qū)域平均的850 hPa 溫度平流以及兩者差值(灰色陰影,南極半島-威德爾海平均減去羅斯海外圍平均)的時間變化序列.所有序列均為經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果Fig.5.Normalized time series of the annual mean 850 hPa temperature advection over the Antarctic Peninsula-Weddell Sea (W,red solid line),the Ross Sea (R,blue dashed line) and the differences between the two areas (W minus R,grey shading)

分別計算本文所選兩個關(guān)鍵區(qū)區(qū)域平均的850 hPa 溫度平流,發(fā)現(xiàn)南極半島-威德爾海與羅斯海外圍的溫度平流表現(xiàn)出相反的變化趨勢(圖5)。1979—2018年期間兩者差值(南極半島-威德爾海減去羅斯海外圍)隨時間的演變與AAO指數(shù)的變化高度一致(相關(guān)系數(shù)為0.49,能通過99%置信度檢驗),也即AAO 能顯著地作用于所選關(guān)鍵區(qū)的溫度平流。當(dāng)AAO 強度偏強時,南極半島-威德爾海有暖平流,羅斯海外圍有冷平流,這可以很好地解釋威德爾海附近海冰密集度減小,羅斯海外圍海冰密集度增加的現(xiàn)象。因此,與AAO密切相關(guān)的西風(fēng)急流的非對稱性結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的溫度平流異常,可能是聯(lián)系太陽活動與南極海冰變化過程中的重要環(huán)節(jié)。

3 太陽活動影響南極海冰的物理過程

太陽活動通過何種途徑影響對流層大氣環(huán)流一直是學(xué)者們探討的熱點問題,許多研究指出太陽活動通過平流層臭氧吸收紫外輻射而影響平流層上層的熱力狀況,在Brewer-Dobson 環(huán)流調(diào)整和平流層-對流層動力耦合的作用下,信號逐步下傳到平流層下層—對流層[23-24,32-36]。那么,首先我們考察一下大氣熱力狀況對AAO 及太陽活動變化具體有著怎樣的響應(yīng)信號。圖6是將南半球緯向平均氣溫分別回歸到AAO指數(shù)與SSN指數(shù)的垂直剖面,可以清楚地看到,在太陽活動偏強年,平流層下層—對流層上層存在氣溫正異常,而對流層中、下層為相對較弱的氣溫負(fù)異常占據(jù)(圖6b)；AAO 對溫度場的影響與此相反,當(dāng)AAO強度偏強時,從地面到對流層中層顯著偏暖,對流層高層—平流層低層明顯偏冷(圖6a)。熱力結(jié)構(gòu)的改變必然引起風(fēng)場垂直結(jié)構(gòu)的變化[29],由于高緯度地區(qū)平流層冬半年盛行西風(fēng)而夏半年盛行東風(fēng),于是,圖7a、b分別是計算南半球冬半年(5—10月平均)緯向平均緯向風(fēng)與AAO指數(shù)、SSN指數(shù)的回歸結(jié)果。一般而言,AAO 具有垂直方向的準(zhǔn)正壓結(jié)構(gòu),在對流層和平流層均有明顯的特征,可以通過南半球中高緯度地區(qū)的緯向平均緯向風(fēng)的南北振蕩表現(xiàn)出來[13]。從圖7a中可以看到,緯向平均風(fēng)在0～30°S 之間幾乎為一致的負(fù)距平,而在60°S 附近存在明顯的正距平,且風(fēng)場回歸的異常信號能夠向高空延伸直達(dá)平流層。相反,緯向平均緯向風(fēng)對SSN的響應(yīng)信號則基本表現(xiàn)為低緯為正、高緯為負(fù)的偶極分布,尤其是在平流層下層這種偶極振蕩形勢更為明顯(圖7b)。使用南半球夏半年(11月—次年4月)的緯向風(fēng)數(shù)據(jù)重復(fù)上述計算(圖略),結(jié)果與之類似,SSN 與AAO 在對流層—平流層下層的信號呈反向變化。綜合圖6和圖7的分析結(jié)果,太陽活動對平流層下層—對流層上層氣溫及風(fēng)場的影響與AAO的信號在空間分布上十分類似,但符號相反。在太陽活動偏強年,AAO 強度受到抑制,而太陽活動偏弱年,AAO 則更為活躍。太陽活動對低層AAO模態(tài)的調(diào)制與平流層-對流層的耦合作用有關(guān),并且太陽活動的影響最初很可能來源于平流層臭氧對紫外輻射的吸收和Brewer-Dobson 環(huán)流的改變[32-36]。

圖6 緯向平均氣溫分別與AAO指數(shù)、SSN指數(shù)的回歸分布.a) 將年平均的南半球緯向平均氣溫(等值線,間隔:0.2℃)回歸到AAO指數(shù)的氣壓-緯度剖面分布；b) 將年平均的南半球緯向平均氣溫(等值線,間隔:0.2℃)回歸到SSN指數(shù)的氣壓-緯度剖面分布.深、淺紅色(藍(lán)色)陰影分別表示正值(負(fù)值)通過95%、90%置信度檢驗的區(qū)域Fig.6.Regressed anomalies of the zonal-mean temperature on the AAO index and SSN index.a)regression distributions of the annual mean zonal-mean temperature (contours,interval:0.2℃) on the AAO index;b) regression distributions of the annual mean zonal-mean temperature (contours,interval:0.2℃) on the SSN index.Heavy and light red (blue) shadings denote the regions with positive (negative) values at the 95% and 90% confidence levels,respectively

圖7 緯向平均緯向風(fēng)分別與AAO指數(shù)、SSN指數(shù)的回歸分布.a)將南半球冬半年(5—10月)緯向平均緯向風(fēng)(等值線,間隔:0.2 m·s?1)回歸到AAO指數(shù)的氣壓-緯度剖面分布;b)將南半球冬半年(5—10月平均)緯向平均緯向風(fēng)(等值線,間隔:0.2 m·s?1)回歸到SSN指數(shù)的氣壓-緯度剖面分布.深、淺紅色(藍(lán)色)陰影分別表示正值(負(fù)值)通過95%、90%置信度檢驗的區(qū)域Fig.7.Regressed anomalies of the zonal-mean zonal winds on the AAO index and SSN index.a)regression distributions of the austral wintertime (May-Oct) zonal-mean zonal winds (contours,interval:0.2 m·s?1) on the AAO index;b) regression distributions of the austral wintertime (May-Oct) zonal-mean zonal winds (contours,interval:0.2 m·s?1) on SSN index.Heavy and light red (blue) shadings denote the regions with positive (negative) values at the 95% and 90% confidence levels,respectively

太陽的能量輸入是一個全球信號,太陽活動可以通過對氣候模態(tài)的調(diào)制,進一步作用于不同區(qū)域的天氣、氣候異常[25-30],已有的工作認(rèn)為半球尺度上的對流層經(jīng)圈環(huán)流的調(diào)整是太陽活動影響低層大氣環(huán)流的關(guān)鍵過程[37,42]。圖8a給出了氣候態(tài)(1979—2018年多年平均)的南半球平均經(jīng)圈環(huán)流的分布情況,可以清楚地看到南半球的三圈環(huán)流特征,主要的上升支位于赤道地區(qū)及60°S 附近,下沉支位于副熱帶地區(qū)及極區(qū)附近(圖8a)。將垂直經(jīng)圈環(huán)流回歸到SSN指數(shù)上,我們發(fā)現(xiàn)太陽活動影響下的南半球副熱帶地區(qū)及極區(qū)附近為異常的上升運動,而赤道地區(qū)及60°S 附近則為異常的下沉運動(圖8b)。這表明太陽活動偏強年,南半球?qū)α鲗咏?jīng)向三圈環(huán)流明顯減弱,這將引起大氣質(zhì)量的重新分布,進而導(dǎo)致低層出現(xiàn)AAO 活動較弱的空間結(jié)構(gòu)；與此相反,太陽活動偏弱年,南半球?qū)α鲗咏?jīng)圈環(huán)流顯著增強,低層易于出現(xiàn)較強的AAO 空間分布型。隨后在西風(fēng)繞極急流的作用下,太陽活動最終影響南極半島-威德爾海與羅斯海附近海冰的偶極子變化,這是太陽活動影響南極海冰的主要物理過程。

圖8 南半球經(jīng)圈環(huán)流的氣候態(tài)分布及其與SSN指數(shù)的回歸分布型.a)緯向平均垂直速度的氣候態(tài) (1979—2018年多年平均,單位:3×10?2 Pa·s?1)分布;b)緯向平均垂直速度的SSN指數(shù)的回歸分布型(等值線,間隔:0.25×10?2 Pa·s?1).b)中淺、深色陰影分別表示通過90%、95%置信度檢驗的區(qū)域Fig.8.Climatological distributions of the meridional circulation and the regressed meridional circulation anomalies on the SSN index.a) Climatological (1979—2018 averaged,units:3×10?2 Pa·s?1) distributions of the zonal-mean vertical motion;b) Regression patterns of the zonal-mean vertical motion (contours,interval:0.25×10?2 Pa·s?1) on the SSN index.Heavy and light shadings in (b) denote the regions at the 95% and 90% confidence levels,respectively

4 結(jié)論

利用1979—2018年NCEP/DOE 再分析逐月資料、Hadley 中心提供的海冰密集度以及太陽黑子數(shù)等數(shù)據(jù),本文考察了太陽活動與南極海冰變化的可能聯(lián)系。結(jié)果顯示太陽活動對南極海冰變化有明顯影響,太陽活動偏強年,南極半島-威德爾海海冰密集度增加、羅斯海外圍海冰密集度減少。通過定義一個反映上述海冰反向變化的南極海冰偶極子(SID)指數(shù),我們發(fā)現(xiàn)其與AAO 存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。環(huán)流診斷分析揭示了與AAO密切相聯(lián)系的西風(fēng)急流的非對稱結(jié)構(gòu)以及隨之變化的冷暖平流,可以很好地解釋南極海冰的偶極子式分布特征。AAO 偏強時,繞極西風(fēng)急流在南極大陸-威德爾海一帶向北偏轉(zhuǎn),而在羅斯海外圍向南偏轉(zhuǎn),導(dǎo)致極地而來的冷空氣更易于進入羅斯海外圍,而中緯度而來的暖空氣則更易于進入南極半島-威德爾海一帶；AAO 偏弱時,情況與上述相反。

進一步的考察揭示了太陽活動是通過怎樣的途徑影響對流層低層AAO的分布型。太陽活動偏強年,整個南半球?qū)α鲗由蠈印搅鲗酉聦映室恢滦栽雠?緯向風(fēng)異常表現(xiàn)為南北振蕩的分布形勢,對流層的南半球平均經(jīng)圈環(huán)流顯著減弱,在對流層低層形成負(fù)的AAO型環(huán)流響應(yīng)。太陽活動對AAO的這一影響可能源于平流層上層由于臭氧吸收紫外輻射而導(dǎo)致的熱力結(jié)構(gòu)的變化[35]。隨后,再通過與AAO密切相關(guān)的繞極西風(fēng)的變化,最終引起南極威德爾海附近海冰密集度增加、羅斯海外圍海冰密集度減少,也即本研究揭示了太陽活動影響下的南極海冰年際變異主要是由大氣環(huán)流異常所驅(qū)動的。

本文的結(jié)果強調(diào)了太陽活動通過影響AAO能夠?qū)δ蠘O海冰變化特征產(chǎn)生重要作用。一方面,由于太陽黑子活動具有比較規(guī)律的準(zhǔn)11年周期,這對南極海冰的氣候預(yù)測有一定的實際意義；另一方面,就太陽活動影響南極海冰進行系統(tǒng)性研究,有助于更好地理解南極下墊面與大氣環(huán)流之間的相互作用,為未來在氣候數(shù)值模擬中考慮太陽輻射與南極海冰下墊面特征的聯(lián)系提供了參考依據(jù)。