王瑞麗肖子牛趙亮周立旻張慶云

（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 成都信息工程學(xué)院，成都 610225；3 總參氣象水文空間天氣總站，北京 100081；4 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；5 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

天氣氣候中太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)的敏感區(qū)域

王瑞麗1,2肖子牛1趙亮3周立旻4張慶云5

（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 成都信息工程學(xué)院，成都 610225；3 總參氣象水文空間天氣總站，北京 100081；4 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062；5 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

太陽(yáng)活動(dòng)是地球氣候形成的重要驅(qū)動(dòng)因子，與地球氣候變化有密切的聯(lián)系，但研究分析發(fā)現(xiàn)，地球氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)變化的響應(yīng)具有較大的空間差異，地球上某些區(qū)域的天氣氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)更加敏感。主要介紹了對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)變化特別敏感的三個(gè)響應(yīng)區(qū)域，即極地—北大西洋區(qū)域、熱帶地區(qū)和季風(fēng)區(qū)的天氣氣候變化與太陽(yáng)活動(dòng)變化的聯(lián)系。從不同的時(shí)間尺度上總結(jié)了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)極地—北大西洋區(qū)域的影響事實(shí)和可能機(jī)制，指出了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)云微物理過(guò)程/平流層—對(duì)流層耦合的調(diào)制在其中扮演重要角色，回顧了熱帶地區(qū)對(duì)流活動(dòng)、海表溫度以及ENSO循環(huán)中明顯的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)，歸納了亞洲季風(fēng)系統(tǒng)活動(dòng)的邊緣地區(qū)變率對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)。最后提出了未來(lái)關(guān)于天氣氣候中太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)的敏感區(qū)域研究中需要關(guān)注的一些科學(xué)問(wèn)題。

太陽(yáng)活動(dòng)，天氣氣候，敏感區(qū)，北大西洋濤動(dòng)（NAO），ENSO，亞洲季風(fēng)

1 引言

太陽(yáng)是一顆基本穩(wěn)定的恒星，但同時(shí)，觀測(cè)事實(shí)[1-4]也表明它一直處于變化中，即存在“太陽(yáng)活動(dòng)”。太陽(yáng)活動(dòng)是太陽(yáng)大氣層中一切活動(dòng)現(xiàn)象的總稱，主要包括太陽(yáng)黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。作為太陽(yáng)系唯一的恒星，太陽(yáng)是地球氣候系統(tǒng)主要的能量來(lái)源，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球天氣氣候變化的影響一直廣受關(guān)注[5-8]。長(zhǎng)久以來(lái)，人們對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和地球氣候的關(guān)系開展了大量研究，揭示了太陽(yáng)活動(dòng)影響天氣氣候變化的大量事實(shí)[8-10]。與此同時(shí)，人們注意到太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候系統(tǒng)的影響在空間上是不均勻的，存在一些敏感區(qū)域[7,11]，這可能與氣候系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的反饋過(guò)程有關(guān)[12]。

近年來(lái)，人們分析發(fā)現(xiàn)，地球氣候系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)在極地—北大西洋、熱帶以及季風(fēng)活動(dòng)區(qū)域相當(dāng)明顯，這三個(gè)區(qū)域即我們關(guān)注的太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)敏感區(qū)。太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)與北大西洋濤動(dòng)（North Atlantic Oscillation，NAO）和北極濤動(dòng)（Arctic Oscillation，AO）有極為密切的聯(lián)系[11,13]。在極地和北大西洋北部，一方面，由于受到地磁極的影響，來(lái)自宇宙的高能帶電粒子會(huì)在這里發(fā)生復(fù)雜的物理及化學(xué)變化，最終通過(guò)復(fù)雜的云微物理過(guò)程調(diào)節(jié)云量而影響到北大西洋氣旋的活動(dòng)；另一方面，這里是平流層—對(duì)流層耦合最活躍的地區(qū)，由太陽(yáng)紫外輻射變化引起的平流層異常信號(hào)可通過(guò)平流層—對(duì)流層的動(dòng)力耦合下傳到對(duì)流層，調(diào)節(jié)對(duì)流層AO、NAO的強(qiáng)度及變率，進(jìn)而影響更廣泛區(qū)域的天氣氣候[13-15]，因此，極地—北大西洋區(qū)域可以看作是太陽(yáng)影響地球天氣氣候的“敏感區(qū)域”之一。其次，熱帶地區(qū)的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)主要體現(xiàn)在熱帶對(duì)流活動(dòng)和海溫的變化中[16]，在熱帶平流層，由于高臭氧含量，其溫度和環(huán)流對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)很敏感，太陽(yáng)活動(dòng)引起的平流層異常信號(hào)也可向下傳播影響到熱帶對(duì)流層環(huán)流、熱帶海洋熱容量、熱帶輻合帶的活動(dòng)以及ENSO等系統(tǒng)，這使得熱帶太平洋成為太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候的另一“敏感區(qū)域”。最后，最近的一些研究表明，季風(fēng)活動(dòng)區(qū)和氣候類型的邊緣地帶（尤其是降水異常和旱澇帶位置）包含有明顯的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)，其年代際變化可能受到太陽(yáng)活動(dòng)周期的影響和調(diào)制[17-18]。確證這些特殊氣候敏感區(qū)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程，并探索這種敏感響應(yīng)的原因，不僅有助于理解氣候變化的原因，對(duì)氣候預(yù)測(cè)也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在“敏感區(qū)域”內(nèi)，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)區(qū)域氣候的影響可能通過(guò)大氣內(nèi)部動(dòng)力作用（如遙相關(guān)等）傳遞到全球。因此，“敏感區(qū)域”可能是太陽(yáng)活動(dòng)影響全球氣候的“中轉(zhuǎn)站”，研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)這些區(qū)域的影響具有重要意義。

有關(guān)天氣氣候中太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)的敏感區(qū)域的研究由來(lái)已久，本文首先總結(jié)回顧了太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)極地—北大西洋區(qū)域的影響，并從不同的時(shí)間尺度介紹了影響事實(shí)和可能機(jī)制（第2節(jié)），之后在第3、第4小節(jié)分別討論了熱帶地區(qū)、季風(fēng)活動(dòng)區(qū)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)，最后在第五部分給出了全文的總結(jié)和討論。

2 極地—北大西洋區(qū)域天氣氣候中的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)

2.1 極地—北大西洋地區(qū)中太陽(yáng)信號(hào)的觀測(cè)事實(shí)

諸多研究[19-21]表明，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)極地—北大西洋地區(qū)具有不可忽視的影響，該區(qū)域不僅是天氣氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)響應(yīng)的敏感區(qū)還是關(guān)鍵區(qū)，太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)可能通過(guò)該區(qū)域傳遞到整個(gè)北半球。因此，為了更好地把握太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響，有必要明確認(rèn)識(shí)太陽(yáng)活動(dòng)在不同時(shí)間尺度上影響極地—北大西洋區(qū)域的事實(shí)。

最近的一些研究[22-25]發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)活動(dòng)可能在天氣尺度上直接對(duì)極區(qū)—北大西洋大氣低層的狀況和環(huán)流產(chǎn)生影響，分析到兩者之間直接關(guān)聯(lián)的證據(jù)可以說(shuō)明這一點(diǎn)。黃靜等[26]對(duì)冬季太陽(yáng)風(fēng)短時(shí)降速與AO等北半球中高緯度環(huán)流指數(shù)的時(shí)序進(jìn)行重疊分析，發(fā)現(xiàn)短時(shí)太陽(yáng)風(fēng)降速會(huì)導(dǎo)致向亞極光帶沉降的輻射帶高能電子通量顯著下降，同時(shí)，AO出現(xiàn)迅速的響應(yīng)。該現(xiàn)象預(yù)示了太陽(yáng)風(fēng)與北半球中高緯大氣環(huán)流可能存在快速的聯(lián)系鏈。進(jìn)一步分析關(guān)鍵天前后的地表氣壓差值場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在冬季，北半球極區(qū)是地面氣壓對(duì)太陽(yáng)風(fēng)速度變化響應(yīng)的敏感區(qū)域。

在年際尺度上，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)速度、太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)、太陽(yáng)輻射（含紫外線）的檢測(cè)表明[26-27]，太陽(yáng)風(fēng)速度變化與北半球冬季中高緯度環(huán)流有密切聯(lián)系，且與另兩者的聯(lián)系模式有明顯差異。我們的工作也表明，太陽(yáng)風(fēng)速度與對(duì)流層的聯(lián)系最為密切，超過(guò)信度檢驗(yàn)的區(qū)域最大在極地和北大西洋上空，且隨著高度的增加高相關(guān)區(qū)域逐漸收縮，說(shuō)明太陽(yáng)風(fēng)速度的影響可能是直接作用于對(duì)流層的。Lu等[28]指出在太陽(yáng)極大期，12月—次年1月的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)力氣壓（PswDJ）與中、后冬的北半球環(huán)狀模（Northern Hemisphere Annular Mode，NAM）有顯著的正相關(guān)，這種強(qiáng)相關(guān)從地面一直延伸到20hPa，這說(shuō)明極渦增強(qiáng)，Brewer-Dobson（B-D）環(huán)流減弱，平流層—對(duì)流層耦合增強(qiáng)。而在太陽(yáng)極小期，PswDJ與NAM呈負(fù)相關(guān)，且這種相關(guān)僅出現(xiàn)在春季平流層。此外，Boberg等[29]的研究也表明太陽(yáng)風(fēng)通過(guò)地磁活動(dòng)影響地球環(huán)境、太陽(yáng)風(fēng)電場(chǎng)與NAO存在某種物理聯(lián)系。Bochní?ek等[30]則從不同的物理量（氣壓、溫度、盛行風(fēng)分布）上都證實(shí)了太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)對(duì)冬季NAO的影響，其中地磁活動(dòng)強(qiáng)（弱）年常常與NAO正（負(fù)）位相聯(lián)系在一起。Kodera[31]研究表明，在北半球冬季，NAO的空間結(jié)構(gòu)受到太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制，在太陽(yáng)活躍期，NAO具有半球特征，且這種特征從對(duì)流層一直延伸至平流層，這種空間結(jié)構(gòu)與AO類似，而在太陽(yáng)非活躍期，NAO信號(hào)被局限在對(duì)流層北大西洋（圖1）。Keckhut等[32]的研究部分驗(yàn)證了該結(jié)論，但更傾向于認(rèn)為NAO在太陽(yáng)活動(dòng)低年（非最小年）較弱。此外，Ogi等[33]認(rèn)為，在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年，冬季NAO與春、夏季氣候有相當(dāng)好的相關(guān)關(guān)系，

冬季的NAO會(huì)影響到春季歐亞大陸的雪蓋以及巴倫支海的海冰，夏季NAO仍呈現(xiàn)出半球尺度的特征，而在太陽(yáng)活動(dòng)弱年，這種從冬至夏的聯(lián)系則很弱。即在年際尺度上，無(wú)論是在空間結(jié)構(gòu)還是在時(shí)間持續(xù)性上，極地—北大西洋氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)的變化都相當(dāng)敏感。

綜上所述，無(wú)論是在天氣尺度還是在年際尺度上，極地—北大西洋天氣氣候都會(huì)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)，且靈敏程度在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱年并不是對(duì)稱的，這可能與其作用機(jī)制和作用過(guò)程有關(guān)。有關(guān)作用機(jī)制的研究是目前重要的研究熱點(diǎn)，下面我們將討論機(jī)制研究中的一些新進(jìn)展。

圖1 1959—1997年間的太陽(yáng)活躍期（a）和太陽(yáng)非活躍期（b）12—3月平均NAO指數(shù)與海平面氣壓（SLP）相關(guān)圖。等值線間隔0.1，絕對(duì)值低于0.5的等值線省略，正（虛）線表示正（負(fù)）值[31]

2.2 太陽(yáng)活動(dòng)影響極地—北大西洋的可能機(jī)制

目前在太陽(yáng)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣候變化的機(jī)制中，空間天氣機(jī)制是唯一能在短時(shí)間尺度上引起氣象要素（如氣壓、降水等）變化的機(jī)制，該機(jī)制認(rèn)為太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)影響空間天氣（主要影響空間環(huán)境中的各種粒子通量），通過(guò)對(duì)特定區(qū)域（如北大西洋區(qū)域）云微物理過(guò)程的影響，導(dǎo)致云層宏觀特征變化，引起全球輻射平衡變化，最后驅(qū)動(dòng)氣候變化[28,34]。Tinsley等[35]對(duì)1953—1985年間太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejection，CME）事件引起的“福布希下降（Forbush Decrease，F(xiàn)D）” 事件與同期北半球高緯度冬季氣旋的渦度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，研究表明, 在40°—60°N海洋上的冬季氣旋渦度變化與FD事件有很好的相關(guān)性，冬季氣旋渦度變化的強(qiáng)度與FD的強(qiáng)度成反比。近年來(lái)，有諸多研究關(guān)注[24-25]高能太陽(yáng)質(zhì)子事件（Solar Proton Event，SPE）在北大西洋地區(qū)的大氣響應(yīng)。Veretenenko等[24-25]的研究表明，SPE事件期間的北大西洋冬季氣旋渦度對(duì)太陽(yáng)能量粒子通量變化有顯著的響應(yīng)，即隨能量粒子通量上升氣旋渦度明顯的增強(qiáng)。SPE事件加劇會(huì)引起平流層格陵蘭島南部東海岸等壓面的顯著下降，同時(shí)伴隨著北大西洋氣旋渦度的增長(zhǎng)，從而影響氣旋的發(fā)展和再生，其物理機(jī)制可能涉及輻射強(qiáng)迫和云量變化。

直接用太陽(yáng)輻射的微小變化來(lái)解釋太陽(yáng)變率對(duì)極地—北大西洋年代際變化的影響存在很多困難，這迫使人們尋找一種合理的信號(hào)放大機(jī)制來(lái)解釋太陽(yáng)活動(dòng)是如何驅(qū)動(dòng)氣候變化的，太陽(yáng)紫外輻射—臭氧機(jī)制無(wú)疑是一種很好的途徑。首先，在一個(gè)黑子周期內(nèi)，太陽(yáng)紫外輻射有較大變化，因此臭氧濃度也隨之變化[36]，通過(guò)正反饋?zhàn)饔?，這種太陽(yáng)活動(dòng)引起的輻射—光化學(xué)過(guò)程會(huì)被進(jìn)一步放大，并在平流層溫度場(chǎng)和環(huán)流場(chǎng)上產(chǎn)生顯著的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)，尤其是在熱帶平流層的上部和下部[37]。其次，平流層—對(duì)流層存在活躍的動(dòng)力耦合：無(wú)論是觀測(cè)和模式，均表明通過(guò)行星波活動(dòng)引發(fā)動(dòng)量傳輸，位于平流層中上層的異常信號(hào)可向極和向下傳播[38-41]，從而作用于對(duì)流層極地—北大西洋區(qū)域。這兩個(gè)事實(shí)把太陽(yáng)—平流層關(guān)系和平流層對(duì)流層耦合過(guò)程串聯(lián)起來(lái)，能合理解釋極地—北大西洋對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的敏感響應(yīng)。正如前文所述，在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年NAO較活躍，這體現(xiàn)了更強(qiáng)烈的北半球平流層—對(duì)流層耦合。對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年平流層—對(duì)流層耦合更加活躍的原因，以Kodera為代表的一批國(guó)外學(xué)者展開了系統(tǒng)地研究，認(rèn)為行星波活動(dòng)和傳播的異常起到了重要作用[38,42-43]。認(rèn)識(shí)平流層環(huán)流季節(jié)演變特征是理解這一問(wèn)題的基礎(chǔ)：在平流層的冷季，大氣環(huán)流存在輻射控制和動(dòng)力控制兩個(gè)階段，冬季早期平流層環(huán)流呈輻射控制特征，由于太陽(yáng)輻射不

均勻引起的經(jīng)向溫度梯度較大，在副熱帶平流層頂產(chǎn)生一支急流；隨著季節(jié)的推移，隆冬和后冬階段太陽(yáng)輻射加熱作用減弱，此時(shí)平流層西風(fēng)急流的強(qiáng)弱變化主要由對(duì)流層上傳的行星波強(qiáng)度調(diào)節(jié)，稱為動(dòng)力控制階段[36]。太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年強(qiáng)的平流層—對(duì)流層耦合與輻射控制階段的顯著延長(zhǎng)有關(guān)，季節(jié)演變的推遲使得冬季副熱帶平流層頂西風(fēng)增強(qiáng)，嚴(yán)重阻礙了來(lái)自對(duì)流層中高緯行星波的垂直傳播。眾所周知，冬季來(lái)自對(duì)流層向上傳播的行星波具有兩支波導(dǎo)，分別具有明顯的水平分量和垂直分量[44]，當(dāng)垂直傳播受到阻礙時(shí)，在西風(fēng)急流對(duì)波的折射作用下，行星波水平傳播活躍，由此產(chǎn)生的強(qiáng)烈的Eliassen-Palm（E-P）通量散度對(duì)緯向平均緯向風(fēng)產(chǎn)生顯著影響，熱帶外緯向風(fēng)異常呈經(jīng)向偶極子分布，而且這種偶極子分布從平流層一直延伸到對(duì)流層，最終導(dǎo)致了NAO發(fā)展成為半球尺度結(jié)構(gòu)且更加活躍（圖2）。綜上，太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)影響平流層大氣的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)節(jié)準(zhǔn)定常行星波的傳播路徑，使得平流層—對(duì)流層耦合發(fā)生劇烈變化，最終對(duì)極地—北大西洋區(qū)域氣候產(chǎn)生顯著影響。

3 熱帶地區(qū)的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)

太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)在熱帶地區(qū)主要體現(xiàn)在熱帶對(duì)流活動(dòng)和海溫變化中，尤其表現(xiàn)在對(duì)ENSO事件的調(diào)制和影響上。

諸多研究[45-47]表明，太陽(yáng)活動(dòng)與熱帶對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)弱變化有密切聯(lián)系。統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)宇宙線出現(xiàn)FD時(shí)，全球雷電活動(dòng)也相應(yīng)的下降約20%～30%。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，雷電活動(dòng)對(duì)宇宙線FD事件的響應(yīng)沒有明顯的延遲，其響應(yīng)過(guò)程在1天左右即可發(fā)生，并可持續(xù)3天，說(shuō)明這個(gè)響應(yīng)很可能是太陽(yáng)活動(dòng)的直接作用。對(duì)不同緯度帶FD現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象在熱帶地區(qū)最為明顯。此外，最近我們?cè)诜治鰺釒Т髿饣顒?dòng)的一些系統(tǒng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中存在對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)明顯的響應(yīng)信號(hào)，在6—8月夏季太陽(yáng)黑子峰年和谷年的西太平洋熱帶區(qū)域射出長(zhǎng)波輻射（Outgoing Long-wave Radiation，OLR）合成場(chǎng)存在明顯的差異。在太陽(yáng)黑子峰年該區(qū)域的OLR為負(fù)異常，說(shuō)明對(duì)流活動(dòng)較強(qiáng)，而在太陽(yáng)黑子谷年該區(qū)域?yàn)檎惓＃f(shuō)明該區(qū)域?qū)α骰顒?dòng)較弱。

圖2 10，11，12，1月太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)弱年北半球E-P通量（箭頭）和緯向平均緯向風(fēng)（等值線間隔2m·s－1）合成差值。 零等值線省略，大于（小于）零的等值線為實(shí)（虛）線，陰影區(qū)為負(fù)值[38]

熱帶海洋中也存在明顯的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)。近期，我們?cè)谖魈窖笈貐^(qū)域、赤道東太平洋區(qū)域海洋700m深熱容量的時(shí)間演變上均發(fā)現(xiàn)了較為明顯的11年和準(zhǔn)20年周期，說(shuō)明這些區(qū)域的熱容量演變中含有明確的太陽(yáng)周活動(dòng)信號(hào)。在太陽(yáng)活動(dòng)與海溫的關(guān)系上，不同的研究得到不同甚至相反的觀點(diǎn)。從觀測(cè)分析的角度，van Loon等[48]發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)峰值年，熱帶太平洋海溫呈拉尼娜（La Ni?a）型分布（圖3）。進(jìn)一步，ENSO信號(hào)可以通過(guò)大氣遙相關(guān)傳播到副熱帶。Meehl等[9]發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)峰值年的冬季，北太

平洋上空存在異常反氣旋，阿留申低壓減弱，這顯然和La Ni?a現(xiàn)象激發(fā)的太平洋—北美型（Pacific-North American Pattern，PNA）遙相關(guān)是密切相關(guān)的。然而White等[49]通過(guò)數(shù)值模擬卻得到了恰恰相反的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)峰值年常與ENSO暖位相匹配，濾波后的海溫證實(shí)了這一結(jié)果。此外，他們還提出非線性位相鎖定能夠解釋赤道東太平洋海表溫度（SST）變率的重要部分。那究竟是什么原因造成這兩種完全不同的結(jié)果呢？事實(shí)上，van Loon等[48]僅僅選取了太陽(yáng)活動(dòng)的峰值年進(jìn)行了合成，樣本長(zhǎng)度有限，若對(duì)比更多的太陽(yáng)活動(dòng)偏強(qiáng)和偏弱年份，可發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)赤道中東太平洋存在弱的厄爾尼諾（El Ni?o）現(xiàn)象。這可能是因?yàn)樵谔?yáng)活動(dòng)峰值年附近若有La Ni?a事件發(fā)生，緊隨其后往往就有El Ni?o發(fā)生，平均起來(lái)，海溫更接近ENSO暖位相。有趣的是，盡管Roy等[50]得到了與van Loon等[48]相反的海溫型，但他們依然發(fā)現(xiàn)北太平洋存在異常高壓，說(shuō)明這個(gè)系統(tǒng)很可能是獨(dú)立于ENSO和PNA而存在的，因此他們認(rèn)為這個(gè)高壓系統(tǒng)可能和平流層—對(duì)流層的耦合作用有關(guān)，在太陽(yáng)活動(dòng)峰值年，由于Hadley環(huán)流向北擴(kuò)展，太平洋上空的副熱帶高壓位置更偏北，造成北太平洋的氣壓偏高；同時(shí)副高位置的偏北，也導(dǎo)致信風(fēng)減弱，從而觸發(fā)El Ni?o。

從物理機(jī)制上講，太陽(yáng)活動(dòng)影響ENSO至少有兩種方式：一種是通過(guò)平流層—對(duì)流層耦合作用，另一種是通過(guò)云—輻射機(jī)制。對(duì)于平流層—對(duì)流層耦合作用，Haigh[51]通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的太陽(yáng)活動(dòng)可以引起平流層變暖，從而引起平流層風(fēng)場(chǎng)和對(duì)流層Hadley環(huán)流下沉支向高緯移動(dòng)，導(dǎo)致ENSO系統(tǒng)發(fā)生變化。對(duì)于云—輻射機(jī)制，F(xiàn)arrar[52]發(fā)現(xiàn)太平洋中部的云量與NINO3指數(shù)有高相關(guān)關(guān)系。Marsh等[53]根據(jù)國(guó)際衛(wèi)星云氣候?qū)W計(jì)劃（International Satellite Cloud Climatology Project，ISCCP）數(shù)據(jù)，得出低云量受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制的結(jié)論，盡管該結(jié)論受到爭(zhēng)議，但它提供了太陽(yáng)活動(dòng)影響ENSO的一種可能途徑。此外，Ruzmaikin[54]認(rèn)為，ENSO可能并不只是單一地響應(yīng)外部強(qiáng)迫，而且還通過(guò)隨機(jī)共振機(jī)制激發(fā)大氣異常狀態(tài)（如PNA），從而放大太陽(yáng)強(qiáng)迫對(duì)天氣氣候的影響。

綜上所述，熱帶也是天氣氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)響應(yīng)的一個(gè)重要的敏感區(qū)，熱帶對(duì)流活動(dòng)、海溫（ENSO事件）對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的變化有明顯的響應(yīng)，這種響應(yīng)的機(jī)制現(xiàn)在雖然還不完全清楚，但可能與太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)平流層—對(duì)流層耦合、云過(guò)程的影響有關(guān)。

圖3 （a）1880—1990年太陽(yáng)活動(dòng)峰值年冬季平均海表溫度異常合成（單位：℃），絕對(duì)值大于0.5的區(qū)域通過(guò)置信水平為95%的信度檢驗(yàn)。（b）同圖（a），但是為針對(duì)沒包含在其中的太陽(yáng)活動(dòng)峰值年：1860，1870，2000年[48]

4 季風(fēng)活動(dòng)區(qū)的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)

自1801年英國(guó)科學(xué)家Herschel[55]首先發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子與降水的關(guān)系間接控制著倫敦小麥的價(jià)格后，200多年來(lái)，許多科學(xué)家不斷努力探索季風(fēng)氣候與太陽(yáng)變率的關(guān)系。近年來(lái)，一些研究表明，太陽(yáng)強(qiáng)迫效應(yīng)在某些特定條件下顯示出很強(qiáng)的信號(hào)[56-61]，特別是在一些季風(fēng)活動(dòng)區(qū)其信號(hào)特征更為明顯。例如，北美的干旱周期[56,62-64]，非洲[56,65-67]、大洋洲和南美洲[68-69]的降水，印度和阿拉伯半島的季風(fēng)[70-74]，都展現(xiàn)出了與太陽(yáng)活動(dòng)變化的一致性或相關(guān)性，在年代際尺度上尤為明顯。而且，還發(fā)現(xiàn)相鄰的區(qū)域可能出現(xiàn)相反的響應(yīng)特征或者沒有響應(yīng)[17,59,69]，這暗示太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)季風(fēng)的年代際調(diào)制作用存在明顯的區(qū)域差異。

氣候帶邊界受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制是季風(fēng)敏感響應(yīng)區(qū)域形成的重要原因。太陽(yáng)作為整個(gè)地球的能量源，為什么地球氣候?qū)λ捻憫?yīng)存在區(qū)域性差異？最近一些相互獨(dú)立的研究都發(fā)現(xiàn)，對(duì)流層內(nèi)氣候系統(tǒng)對(duì)外部強(qiáng)迫

的動(dòng)力響應(yīng)往往在其邊緣處可以被檢測(cè)到：一些重要的氣候系統(tǒng)或大氣環(huán)流邊界在太陽(yáng)活動(dòng)高年，傾向于向極地偏移或擴(kuò)展，比如，印度季風(fēng)[73,75]、Hadley環(huán)流、費(fèi)雷爾（Ferrel）環(huán)流和副熱帶急流[76-79]；在太陽(yáng)活動(dòng)低年，傾向于向赤道偏移，例如，北大西洋風(fēng)暴路徑[80]。這些研究指出，太陽(yáng)活躍期，Hadley環(huán)流擴(kuò)大，導(dǎo)致副熱帶干旱區(qū)向北擴(kuò)展，使得某些地區(qū)脫離原先的季風(fēng)區(qū)，降水量反而偏少，而某些陸面地區(qū)由于季風(fēng)的加強(qiáng)而降水偏多[66,78]。對(duì)東亞季風(fēng)區(qū)的分析發(fā)現(xiàn)，氣候的響應(yīng)有顯著的區(qū)域性特征。太陽(yáng)黑子數(shù)極大（極?。┠甑臇|亞地區(qū)的動(dòng)力、熱力場(chǎng)分布有顯著不同，如東亞?wèn)|部高緯氣溫出現(xiàn)負(fù)（正）異常，東亞?wèn)|部中緯降水呈現(xiàn)負(fù)（正）異常，而東亞?wèn)|部低緯對(duì)流場(chǎng)呈現(xiàn)負(fù)（正）異常等。這啟發(fā)我們，局地氣候系統(tǒng)邊界可能是研究氣候與太陽(yáng)活動(dòng)關(guān)系的一個(gè)重要切入點(diǎn)，將局地氣候系統(tǒng)邊緣區(qū)和中心區(qū)區(qū)分開，分別加以研究，并進(jìn)行對(duì)比，可能會(huì)得到比較好的效果。

作為東亞季風(fēng)區(qū)域的一部分，中國(guó)大陸可分為季風(fēng)區(qū)、西風(fēng)區(qū)以及它們的交界區(qū)[81]，這一交界區(qū)（東亞夏季風(fēng)北界區(qū)域）是氣候敏感帶[82]，許多旱澇異常、氣候?yàn)?zāi)害事件都發(fā)生在這一區(qū)域[81,83]。最近，趙亮等[84]、Zhao等[17]發(fā)現(xiàn)這一區(qū)域確實(shí)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)11年周期的響應(yīng)相當(dāng)敏感，這里的太陽(yáng)信號(hào)相對(duì)于季風(fēng)區(qū)內(nèi)部和西風(fēng)控制區(qū)顯著偏強(qiáng)。Wang等[18]進(jìn)一步揭示了這里成為太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)敏感區(qū)域的原因，圖4分別給出了低層700hPa水平環(huán)流和垂直環(huán)流在太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)年和弱年的差值，東亞夏季風(fēng)前沿（北邊緣，30°N以北地區(qū)）位置存在較大差異。太陽(yáng)黑子數(shù)高年6月東亞夏季風(fēng)能夠更強(qiáng)地影響到更北的地區(qū)，北至淮河流域大部分地區(qū)的降水中都可以發(fā)現(xiàn)顯著的太陽(yáng)周期變化信號(hào)。此外，東亞夏季風(fēng)北界存在明顯的年代際變化，這種年代際變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制，在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年，季風(fēng)北界偏北，季風(fēng)影響范圍大，使交界區(qū)受季風(fēng)控制，降水偏多，易發(fā)生洪澇、泥石流等災(zāi)害；而在太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)較弱年，季風(fēng)北界偏南，季風(fēng)影響不到這里，該區(qū)域受西風(fēng)帶控制，降水偏少，易發(fā)生干旱。除了夏季風(fēng)，東亞冬季風(fēng)也受到太陽(yáng)活動(dòng)的調(diào)制[27]，Chen等[85]發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)可以調(diào)節(jié)AO與東亞氣溫之間相關(guān)的強(qiáng)弱：太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年，AO正位相下亞洲北部增暖明顯，東亞為顯著反氣旋控制，東亞大槽顯著減弱，而在太陽(yáng)活動(dòng)偏弱年，AO和東亞氣候的關(guān)聯(lián)則不那么顯著。而在季風(fēng)中心區(qū)（西風(fēng)主控區(qū)），無(wú)論太陽(yáng)高年還是低年，都受（不受）季風(fēng)影響，所以這里的太陽(yáng)信號(hào)比交界區(qū)弱也就可以理解了。這暗示東亞季風(fēng)系統(tǒng)可能在太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候要素年代際變化過(guò)程中起到重要的修改（放大或縮?。┬盘?hào)的作用。

5 結(jié)論與討論

圖4 1901—2006年6月太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)年和弱年的（a）700hPa大氣水平風(fēng)（單位：1.2m·s－1）和（b）沿著經(jīng)度110°E的剖面上的經(jīng)向風(fēng)（單位：1.2m·s－1）與垂直風(fēng)壓（單位：-0.02Pa/s，向上為正）的合成差值場(chǎng)。圖中的粗實(shí)/長(zhǎng)虛線分別為太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)/弱年平均南風(fēng)速度為0m·s－1輪廓，代表東亞夏季風(fēng)的邊緣。較暗和較亮陰影部分分別表示經(jīng)向風(fēng)差值通過(guò)置信水平為95%和80%的信度檢驗(yàn)[18]

地球氣候系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)是當(dāng)前大氣科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題，本文主要介紹了其中對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的幾個(gè)敏感區(qū)域及其可能機(jī)制。首先，討論了太陽(yáng)活動(dòng)在不同時(shí)間尺度上對(duì)極地—西太平洋區(qū)域的影響，在天氣尺度上，太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)影響空間天氣對(duì)該區(qū)域云微物理過(guò)程的調(diào)制，引起北半球中高緯大氣環(huán)流的快速響應(yīng)；在年際尺度上，太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)影響平流層的季節(jié)進(jìn)程，改變行星波

的傳播，使平流層—對(duì)流層耦合在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)年更強(qiáng)，NAO/AO活躍，極地—北大西洋區(qū)域受太陽(yáng)活動(dòng)影響更強(qiáng)。其次，熱帶地區(qū)是天氣氣候?qū)μ?yáng)活動(dòng)響應(yīng)的另外一個(gè)重要的敏感區(qū)，熱帶對(duì)流活動(dòng)、海溫（ENSO）對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的變化都有明顯的響應(yīng)，這可能也與太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)節(jié)云微物理過(guò)程有關(guān)。此外，還提出季風(fēng)系統(tǒng)邊界可能是研究氣候與太陽(yáng)活動(dòng)關(guān)系的一個(gè)重要切入點(diǎn)，總結(jié)了太陽(yáng)對(duì)季風(fēng)活動(dòng)區(qū)的影響，尤其關(guān)注東亞季風(fēng)區(qū)，認(rèn)為東亞夏季風(fēng)北界區(qū)域是氣候敏感帶，其年代際變化主要受太陽(yáng)活動(dòng)調(diào)制，在太陽(yáng)高（低）年，季風(fēng)北界偏北（南）；而在季風(fēng)中心區(qū)（西風(fēng)主控區(qū)），無(wú)論太陽(yáng)高年還是低年，都受（不受）季風(fēng)影響。

從上述對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的三個(gè)敏感區(qū)的研究工作總結(jié)中可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)敏感區(qū)的大氣環(huán)流和氣候系統(tǒng)中都存在不同時(shí)間尺度的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)，但是其作用的機(jī)理還有待于進(jìn)一步的揭示和驗(yàn)證?，F(xiàn)有的研究主要以觀測(cè)分析為主，這些工作還不能有效地揭示太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)敏感區(qū)影響的物理機(jī)制，數(shù)值模擬可以幫助澄清這些問(wèn)題。更重要的是，這些敏感區(qū)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的結(jié)果如何在氣候系統(tǒng)的非線性相互作用中產(chǎn)生影響，進(jìn)而直接或間接地對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響？敏感區(qū)這些強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)信號(hào)，會(huì)隨著時(shí)間耗散掉，還是會(huì)觸發(fā)全球的氣候振蕩和變化？這都是急需深入研究的問(wèn)題。

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The Regions with Sensitive Signals of Solar Activities in Weather and Climate

Wang Ruili1,2, Xiao Ziniu1, Zhao Liang3, Zhou Limin4, Zhang Qingyun5
(1 China Meteorological Administration (CMA) Training Centre, Beijing 100081 2 Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225 3 Meteorological, Hydrological and Space Weather Observatory of General Staf f, Beijing 100081 4 Key Laboratory of Geographic Information Science, Education Ministry, East China Normal University, Shanghai 200062 5 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

Solar activity is an important factor driving the formation of the Earth’s climate, and is closely linked with global climate change. Studies found that the response of the Earth’s climate change to solar activities is inhomogeneous in space. Weather and climate of certain regions on Earth are found more sensitive to solar activities. In this paper, we concentrate on sensitive responses to solar activity in the Arctic-North Atlantic, tropical and monsoon regions. The fact that solar activities have a great inf l uence on polar-North Atlantic regions on different time scales is presented, and we believe that cloud microphysical processes and the stratosphere-troposphere coupling play an important role in modulating relationships as aforementioned. Then we reviewed signif i cant solar signals in convection, sea surface temperature and the ENSO cycle in the tropics.The responses of monsoon regions, especially the Asian monsoon, to solar activities are summed up, the response being particularly active in the marginal areas of monsoon. Finally, scientif i c issues which need to be focused on are put forward for future investigation on the regions with sensitive signals of solar activities in weather and climate.

solar activity, weather and climate, sensitive regions, NAO, ENSO, Asian monsoon

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.004

2013年12月14日；

2014年4月10日

王瑞麗（1989—），Email: WangRL_06@163.com

肖子牛（1965—），Email: xiaozn@cma.gov.cn

資助信息：國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957804）