曲維政，李艷芳，李春，杜凌，黃菲

中國(guó)海洋大學(xué)，青島 266100

1 引言

關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)于地球氣候和大氣環(huán)流的影響，許多人已經(jīng)注意到（Lean etal.，1995；Friis-Christensen and Lassen etal.，1991；Friis-Christensen，1993；Qu etal.，2004；Qu etal.，2012），這不僅取決于太陽(yáng)輻射量的變化，還通過(guò)太陽(yáng)磁場(chǎng)大幅度變化對(duì)地球磁場(chǎng)強(qiáng)弱和形態(tài)施加影響，改變地球磁場(chǎng)俘獲帶電粒子的能力，使進(jìn)入地球磁場(chǎng)的帶電粒子在洛侖茲力作用下繞地球磁場(chǎng)磁力線巡回于南北極之間，釋放能量，加熱大氣.雖然太陽(yáng)活動(dòng)期間輻射量增加不是很大，可是地球磁場(chǎng)俘獲所有波段太陽(yáng)輻射的能力卻成倍增強(qiáng).所以地球溫度增加幅度遠(yuǎn)大于太陽(yáng)輻射量的增加幅度.就是說(shuō)太陽(yáng)活動(dòng)是通過(guò)太陽(yáng)輻射變化和太陽(yáng)磁場(chǎng)變化兩個(gè)方面共同對(duì)地球氣候和地球物理環(huán)境施加影響，而且后者作用更大.

太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)（MI，Magnetic index）時(shí)間序列的建立（Qu etal.，2004；Qu etal.，2012；Qu etal.，2007），為具體考察太陽(yáng)黑子極性循環(huán)和磁場(chǎng)強(qiáng)度變化對(duì)于地球物理事件的影響提供了一份很好的參考資料，使我們得以從太陽(yáng)磁場(chǎng)變化角度研究和理解太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)地球環(huán)境和地球物理事件的影響方式和影響途徑.本文就是從太陽(yáng)輻射變化和太陽(yáng)磁場(chǎng)變化兩個(gè)方面考察太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)北極濤動(dòng)的影響.太陽(yáng)磁場(chǎng)變化及其對(duì)于許多地球物理事件的影響越來(lái)越清楚，深入探索其聯(lián)系方式的工作其實(shí)早就開始了 （Qu etal.，2006；Zhang and Xiao，2000；Zhang etal.，1998；Shi and Wang，1994；Dong.，1997；Liu etal，2001；Qu etal.，2003）.

北極濤動(dòng)（AO，Arctic Oscillation）是指北極極地附近區(qū)域氣壓和環(huán)繞極地的中緯度氣壓場(chǎng)反位相振蕩現(xiàn)象，乃大氣運(yùn)動(dòng)的主要型式，并且北半球大氣運(yùn)動(dòng)各主要變量都具有AO的振蕩模態(tài)，與北極濤動(dòng)AO異常變化相聯(lián)系的大氣氣候異常早已超出了極地區(qū)域而涉及整個(gè)半球，在氣溫、降水、海冰、大氣活動(dòng)中心、季風(fēng)和極端氣候事件等許多方面均有清楚的聯(lián)系跡象（Gong etal.，2002；Thompson etal.，2000；Rigor etal.，2000；Thompson and Wallace，1998）.這種振蕩由低空到高空呈現(xiàn)等效正壓特性，而且隨高度增加，南北向振蕩形式更為清楚，方差貢獻(xiàn)率更大，成為大氣運(yùn)動(dòng)的主導(dǎo)形式.AO存在著非常寬的頻域，從年際到年代際尺度上都非常明顯.所以北極濤動(dòng)AO變化規(guī)律研究，特別是年代際變化特征研究成為氣候異常變化研究重要組成部分，意義十分清楚.

驅(qū)動(dòng)北極濤動(dòng)現(xiàn)象的強(qiáng)迫源何在？一些研究已經(jīng)注意到諸如海冰消長(zhǎng)、海溫場(chǎng)異常等因素影響，作者認(rèn)為這些只是直接關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象，無(wú)論海冰海溫異常都是氣溫異常變化的結(jié)果，所以氣溫的異常變化特別是極地氣溫變化才是AO的啟動(dòng)因素，而極地氣溫異常變化最重要的因子就是太陽(yáng)活動(dòng)，從而將北極濤動(dòng)—極地氣溫—太陽(yáng)活動(dòng)聯(lián)系在一起了.

本文采用逐次濾波法研究表明，北極濤動(dòng)AO具有穩(wěn)定的與太陽(yáng)活動(dòng)相一致的顯著的周期性，使我們對(duì)于北極濤動(dòng)現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)因子有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí).

資料取自http：／／www.atmos.colostate.edu／ao／Data／ao＿index.html［2013-03-20］.

2 北極濤動(dòng)所反映的低空大氣環(huán)流特征

北極濤動(dòng)又稱為北半球環(huán)狀模（NAM，Northern Hemisphere annular mode），是以相關(guān)符號(hào)反映的極地區(qū)域與北半球中緯度大氣反相振蕩特征的，沒(méi)有給出具體的大氣環(huán)流特點(diǎn).為了深入了解AO反映的大氣環(huán)流特征，探索其啟動(dòng)因素，把研究置于物理意義清楚的大氣溫壓場(chǎng)結(jié)構(gòu)層面，本文選擇這種振蕩形式最清楚的NAM時(shí)間系數(shù)最大值月份，這個(gè)時(shí)候北半球大尺度大氣環(huán)流分布特征基本刻畫了AO正位相時(shí)期北極濤動(dòng)在大氣環(huán)流上的反映，也是我們從大氣環(huán)流方面研究北極濤動(dòng)形成機(jī)制的切入點(diǎn).

2.1 北極濤動(dòng)正負(fù)位相時(shí)期北半球中高緯度SLP大氣環(huán)流特征的差異

從1889—2013年1月AO時(shí)間序列可知，AO正位相最大值出現(xiàn)在1993年1月（月距平值：4.162），就是說(shuō)，無(wú)論與AO各歷史時(shí)期比較，還是與其他各振蕩模態(tài)比較，此時(shí)環(huán)狀模特點(diǎn)最突出，考察這個(gè)時(shí)候北半球大氣環(huán)流的特征，是從大氣環(huán)流角度研究北極濤動(dòng)產(chǎn)生原因的最佳時(shí)刻.

我們求得1993年1月北半球（20°N以北）1000hPa位勢(shì)高度月平均值，繪于圖1a.從圖1a可以看到，北極附近是發(fā)展深厚的極地渦旋，環(huán)繞極地的中緯度（20°N—50°N）是高壓帶，兩個(gè)高壓中心分別位于亞洲大陸北部和非洲大陸北部.由此看來(lái)，冬季1月北極濤動(dòng)發(fā)展水平主要決定于極地渦旋和環(huán)繞極地的中緯度高壓帶，當(dāng)極地渦旋和中緯度高壓帶異常發(fā)展時(shí)，北極濤動(dòng)強(qiáng)烈，極渦活動(dòng)區(qū)氣壓下降，中緯度氣壓升高，中高緯度與極地氣壓梯度增加，西風(fēng)增強(qiáng).

1889—2013年AO負(fù)位相最大值是1940年1月，月距平值為-3.451，次大值是1977年1月，月距平值為-3.279.考慮到1940年代氣象資料密度代表性不如1970年代，而且1948年至3013年1月AO負(fù)位相最大值就是1977年1月的-3.279，于是選擇了1977年1月為代表月份進(jìn)行分析.

求得1977年1月北半球1000hPa位勢(shì)高度月平均值繪于圖1b，從圖1b可以看到，極地渦旋填塞分裂之后移出極區(qū)，取而代之的是一個(gè)極地閉合高壓中心.在通常的北美大湖槽區(qū)和阿留申低壓區(qū)域形成了兩個(gè)深厚冷性低渦，環(huán)繞極地的中緯度高壓帶崩潰，北半球經(jīng)向環(huán)流取代緯向環(huán)流，氣候寒冷.

2.2 北極濤動(dòng)正負(fù)位相時(shí)期北半球中高緯度700hPa大氣環(huán)流特征的差異

由于AO所具有的相當(dāng)正壓的垂直結(jié)構(gòu)，從地面至平流層隨高度增加，AO的南北向振蕩形式更為清楚.所以，為了與地面圖進(jìn)行比較，我們選擇對(duì)流層中下部700hPa層進(jìn)行分析.

我們求得AO正位相最大值的1993年1月北半球（20°N以北）700hPa位勢(shì)高度月平均值，繪于圖1c.從圖1c可以看到，北極附近是發(fā)展深厚的極地渦旋，環(huán)繞極地的中緯度（20°N—60°N）是比較平緩的槽脊波動(dòng)，三個(gè)淺高壓脊分別位于亞洲大陸北部、北美大陸西北部和非洲—?dú)W洲大西洋沿岸.當(dāng)北極濤動(dòng)處于正位相時(shí)，中緯度指向極地的氣壓梯度很大，中高緯度盛行緯向環(huán)流，限制了極區(qū)冷空氣向南擴(kuò)展，寒潮出現(xiàn)頻率較少，北半球較少嚴(yán)寒天氣.

求得AO負(fù)位相最大值的1977年1月北半球700hPa位勢(shì)高度月平均值繪于圖1d，從圖1d可以看到，極地渦旋填塞分裂之后移出極區(qū)，取而代之的是一個(gè)極地閉合高壓中心.在通常的北美大湖槽區(qū)和東亞大槽-阿留申低壓區(qū)域形成了兩個(gè)深厚冷性低渦.受這兩個(gè)低渦影響，1977年1月北美大陸和歐亞大陸中高緯度氣溫異常偏低，氣候寒冷.

只有歐洲大西洋沿岸和北美太平洋沿岸受脊前暖濕氣流影響，氣候溫潤(rùn)多雨.

AO揭示了北半球極地與中緯度氣壓場(chǎng)漲落規(guī)律，下面看一下AO正位相與AO負(fù)位相時(shí)期北半球極地與中緯度1000hPa距平場(chǎng)分布特點(diǎn).

從圖2a可以看到，在AO正位相的1993年1月極地區(qū)域氣壓異常偏低，負(fù)距平達(dá)到-28hPa以下，環(huán)繞極地的北緯40°附近是正距平帶，非洲-歐洲大陸的正距平中心達(dá)到+12hPa以上.由此看來(lái)，冬季1月北極濤動(dòng)發(fā)展水平主要決定于極地渦旋和中緯度高壓脊：當(dāng)極地渦旋和中緯度高壓帶異常發(fā)展時(shí)，北極濤動(dòng)強(qiáng)烈，極渦活動(dòng)區(qū)氣壓下降，中緯度高壓區(qū)域氣壓升高，中-高緯度氣壓梯度增加，西風(fēng)增強(qiáng)，緯向環(huán)流盛行.

圖1 1993年和1977年1月北半球1000hPa和700hPa位勢(shì)高度分布圖Fig.1 Geopotential height distribution diagram of Northern Hemisphere SLP and 700hPa in January 1993and January 1997

圖2 1993年和1977年1月北半球1000hPa位勢(shì)高度距平分布圖Fig.2 Geopotential height distribution diagram of Northern Hemisphere in 1000hPa in January 1993and January 1997

從圖2b可以看到，在AO負(fù)位相的1977年1月北極區(qū)域1000hPa氣壓異常升高，正距平達(dá)到+28hPa以上，環(huán)繞極地的北緯40°附近是負(fù)距平帶，北太平洋的負(fù)距平中心達(dá)到-20hPa以下.由此看來(lái)，冬季1月當(dāng)極地渦旋和中緯度高壓帶異常減弱時(shí)，北極濤動(dòng)也減弱，極渦活動(dòng)區(qū)氣壓升高，高壓帶區(qū)域氣壓下降，中-高緯度氣壓梯度減小，西風(fēng)減弱，緯向環(huán)流崩潰，經(jīng)向環(huán)流盛行，南北冷暖空氣交流活躍.

2.3 北極濤動(dòng)正負(fù)位相時(shí)期北半球中高緯度SLP氣溫異常分布特征的差異

圖3是北極濤動(dòng)正、負(fù)位相時(shí)期北半球中高緯度1000hPa氣溫異常分布特征.其中圖3a是AO正位相的1993年1月北半球20°以北的1000hPa氣溫異常分布圖，此時(shí)，北極區(qū)域氣溫異常偏低，導(dǎo)致等壓面下降，極地渦旋異常加深；極區(qū)以外的中高緯度以氣溫正距平為主，導(dǎo)致位勢(shì)高度場(chǎng)也是以正距平為主，正距平與位于亞洲大陸北部、北美大陸西北部和非洲-歐洲大西洋沿岸三個(gè)高壓中心位置大致對(duì)應(yīng)，見(jiàn)圖1a）.

圖3b是AO負(fù)位相的1977年1月北半球20°以北的1000hPa層氣溫異常分布圖，北極區(qū)域氣溫異常偏高，中緯度則氣溫異常偏低.北極區(qū)域氣溫異常偏高，導(dǎo)致極地渦旋填塞分裂之后移出極區(qū)，取而代之的是一個(gè)極地閉合高壓中心；中緯度氣溫異常偏低引起了位勢(shì)高度異常下降，是北美大湖槽區(qū)和東亞大槽—阿留申低壓區(qū)域兩個(gè)深厚冷性低渦形成的主要原因.與圖2b比較，可以看到1977年1月1000hPa氣溫距平符號(hào)分布與位勢(shì)高度距平符號(hào)分布大致一一對(duì)應(yīng)，可見(jiàn)大氣溫度場(chǎng)變化導(dǎo)致位勢(shì)高度場(chǎng)的快速適應(yīng).

AO正負(fù)位相比較，溫壓場(chǎng)有三點(diǎn)重要差異：

（1）AO正負(fù)位相時(shí)期最顯著的差異是北極區(qū)域由氣溫負(fù)距平區(qū)變?yōu)檎嗥絽^(qū).極地渦旋乃冷性深厚低壓環(huán)流系統(tǒng)，氣溫升高引起了低渦系統(tǒng)減弱填塞（如圖1所示），北極區(qū)域位勢(shì)高度也由負(fù)距平變?yōu)檎嗥剑ㄈ鐖D2所示）.

（2）其次，AO正負(fù)位相時(shí)期沿北緯40°緯圈附近由氣溫正距平帶變?yōu)樨?fù)距平帶，相應(yīng)地位勢(shì)高度場(chǎng)也由正距平變?yōu)樨?fù)距平帶.

（3）1993年1月AO正位相時(shí)期，由中高緯度指向北極區(qū)域的氣壓梯度異常增大，導(dǎo)致西風(fēng)環(huán)流異常增強(qiáng)，環(huán)繞極地的緯向環(huán)流盛行，有效地將冷空氣阻隔于北極區(qū)域；1977年1月AO負(fù)位相時(shí)期，中高緯度環(huán)繞極地的緯向環(huán)流崩潰，極渦填塞分裂，分離為北美大湖區(qū)冷渦和東亞冷渦，導(dǎo)致北美、亞洲和北半球中緯度大部分地區(qū)寒潮頻發(fā)，氣候寒冷.

2.4 極地氣溫異常變化的成因和意義

AO正負(fù)位相時(shí)期北極區(qū)域由氣溫負(fù)距平區(qū)變?yōu)檎嗥絽^(qū)，那么，極區(qū)氣溫符號(hào)相反的異常變化意義何在？是什么因素引起了極區(qū)氣溫發(fā)生了符號(hào)相反的變化？以及氣溫變化與氣壓場(chǎng)變化的關(guān)系是什么？

（1）當(dāng)?shù)葔好鍼1、P2之間氣柱的平均溫度為Tbm，氣體常數(shù)為R，根據(jù)靜力學(xué)積分方程，兩等壓面之間的位勢(shì)厚度Φ2-Φ1為

圖3 北半球1000hPa氣溫距平分布圖：（a）1993年1月，（b）1977年1月Fig.3 Distribution diagram of temperature anomaly in the Northern Hemisphere SLP in January 1993（a）and January 1977（b）

由此可知，兩等壓面之間位勢(shì)厚度Φ2-Φ1的變化是由氣柱的平均溫度Tbm決定的，所以極區(qū)大氣溫度的異常變化將引起極地渦旋強(qiáng)度變化，當(dāng)極地氣溫異常升高時(shí)，700hPa位勢(shì)高度增加，極地渦旋減弱甚至填塞變?yōu)楦邭鈮?，如AO負(fù)位相的1977年1月，北極區(qū)域氣溫異常偏高，北極低渦消失，取而代之的是高壓中心；當(dāng)極地氣溫異常偏低時(shí)，700 hPa位勢(shì)高度減小，極地渦旋加深，如AO正位相的1993年1月，由于極地氣溫下降極渦加深，導(dǎo)致中高緯度指向北極區(qū)域的氣壓梯度異常增大，西風(fēng)環(huán)流異常增強(qiáng)，環(huán)繞極地的緯向環(huán)流盛行.

（2）氣壓場(chǎng)變化之后，由高壓脊所主導(dǎo)的溫度平流分布也發(fā)生相應(yīng)變化，從而影響了溫度分布格局.如AO正位相的1993年1月歐洲南部大西洋沿岸和北美西部太平洋沿岸只是一個(gè)淺脊，脊后暖平流引起的增溫主要在歐洲南部和北美南部；AO負(fù)位相的1977年1月原來(lái)在歐洲南部大西洋沿岸和北美西部太平洋沿岸的淺脊得到加強(qiáng)北進(jìn)（見(jiàn)圖1d），脊后暖平流引起的增溫不僅影響到歐洲南部和北美西部，進(jìn)而影響到北極區(qū)域（見(jiàn)圖3），成為北極區(qū)域異常增暖的重要因素；脊前冷平流引導(dǎo)極地冷空氣南下，使東亞大槽加深為深厚的東亞冷渦、使北美大湖區(qū)低槽加深為深厚的大湖區(qū)冷渦，兩大深厚冷渦的存在，導(dǎo)致北半球中緯度異常寒冷.

上述兩點(diǎn)說(shuō)明，氣壓場(chǎng)雖然總是由大氣溫度變化決定的，但是氣壓場(chǎng)形勢(shì)變化以后便立即對(duì)溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生反作用，所以大氣系統(tǒng)內(nèi)部溫壓場(chǎng)總是在相互快速適應(yīng)而趨于平衡狀態(tài).只有外部額外的熱量輸入才可能打破這種平衡，產(chǎn)生氣候異常.

（3）大氣系統(tǒng)的熱量來(lái)源主要是太陽(yáng)輻射和地球反射的太陽(yáng)輻射以及地球本身的長(zhǎng)波輻射，而后面兩種輻射也是主要源于太陽(yáng)輻射，所以地球大氣系統(tǒng)的熱量來(lái)源主要是太陽(yáng)輻射.

關(guān)于太陽(yáng)輻射，隨著研究的不斷深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到影響地球氣候的太陽(yáng)輻射包括兩個(gè)方面：一是可見(jiàn)光和短波輻射；二是太陽(yáng)高能粒子流噴發(fā).

太陽(yáng)可見(jiàn)光和短波輻射是地球氣候形成的決定性因素，但是其異常變化較小，只占太陽(yáng)總輻射的1%左右，不足以激發(fā)地球氣候發(fā)生大幅度振蕩.研究證明，太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)期其高能粒子流是平靜時(shí)期的數(shù)百萬(wàn)倍，是激發(fā)地球氣候異常振蕩重要因子.

太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)期也是太陽(yáng)磁場(chǎng)異常增強(qiáng)時(shí)期，并且太陽(yáng)高能粒子流是沿太陽(yáng)磁場(chǎng)磁力線向外運(yùn)動(dòng)的，所以太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向變化是太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候十分關(guān)鍵的因素，更由于太陽(yáng)磁場(chǎng)方向變化能夠?qū)Φ厍虼艑有螒B(tài)施加影響，即當(dāng)太陽(yáng)磁場(chǎng)南向，行星際磁場(chǎng)磁力線與地磁場(chǎng)磁力線相連接，地球磁層成為開磁層，太陽(yáng)風(fēng)攜帶大量等離子體沿磁力線涌入地球磁層.進(jìn)入地球磁場(chǎng)的帶電粒子在洛侖茲力作用下繞磁力線巡廻于南北極之間，釋放能量，加熱大氣；反之當(dāng)太陽(yáng)磁場(chǎng)北向，地球磁層閉合，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的大量等離子體從地球磁層外圍滑過(guò)，難以進(jìn)入地球磁層.所以太陽(yáng)磁場(chǎng)南向時(shí)期與北向時(shí)期，對(duì)應(yīng)著地球磁層獲得太陽(yáng)輻射能量異常偏多時(shí)期和異常偏小時(shí)期.顯然，這種情況對(duì)于地球氣候來(lái)說(shuō)至關(guān)重要！特別是兩極區(qū)域，高能粒子流不僅影響極地高空大氣，而且直接與低層大氣接觸，加熱極地低空大氣.所以北極區(qū)域?qū)τ谔?yáng)爆發(fā)尤其敏感.

本文就是從太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向變化兩個(gè)方面考察太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)北極濤動(dòng)的影響.

3 北極濤動(dòng)異常變化的周期性及其與太陽(yáng)活動(dòng)的聯(lián)系

太陽(yáng)活動(dòng)、太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向變化存在顯著的80～110a世紀(jì)周期和準(zhǔn)22a周期（Qu etal.，2007）.既然北極區(qū)域大氣溫度變化對(duì)于太陽(yáng)爆發(fā)尤其敏感，那么，北極濤動(dòng)就應(yīng)該與太陽(yáng)活動(dòng)具有尺度類似的周期變化，實(shí)際情況是否如此呢？回答是肯定的！本節(jié)主要闡明北極濤動(dòng)的周期性及其與太陽(yáng)活動(dòng)的密切聯(lián)系.

3.1 北極濤動(dòng)的周期特征

對(duì)1889—2013年北極濤動(dòng)指數(shù)時(shí)間序列完成了功率譜分析，并作信度α＝0.05顯著性檢驗(yàn)，計(jì)算方案見(jiàn)參考文獻(xiàn)Qu等（2003）.由表1可以看到（表中黑體字欄），北極濤動(dòng)指數(shù)第二行功率譜密度在1波處（對(duì)應(yīng)周期110a）和4波處（對(duì)應(yīng)周期22a）顯著大于第三行紅噪音檢驗(yàn)譜值，通過(guò)了信度α＝0.05顯著性檢驗(yàn)，就是說(shuō)1波對(duì)應(yīng)的110a周期和4波對(duì)應(yīng)的22a周期是北極濤動(dòng)的顯著周期.

根據(jù)表第5行第6行可知，110a周期波的振幅A＝0.592，初相角φ＝0.51rad，則110a周期分量C110（i）方程為

表1 1889—2013年北極濤動(dòng)指數(shù)功率譜與檢驗(yàn)譜（信度α＝0.05）Table 1 Power spectrum and test spectrum of the AO index from 1889to 2013（reliabilityα＝0.05）wavelength

其中l(wèi)為波數(shù)，即第幾波；m為最大后延，即分波總數(shù).

由表1可以看到，北極濤動(dòng)指數(shù)功率估計(jì)譜在4波處顯著通過(guò)了信度α＝0.05顯著性檢驗(yàn)，就是說(shuō)4波對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)22a周期，是北極濤動(dòng)顯著周期.根據(jù)表第5行第6行可知，22a周期波的振幅A＝0.357，初相角φ＝-1.53rad，則22a周期分量C22（i）方程為

盡管譜分析揭示了110a周期和22a周期是北極濤動(dòng)的顯著周期，那么實(shí)際情況如何呢？下面將理論周期曲線與AO時(shí)間序列實(shí)況曲線繪在同一張圖上比較，做一個(gè)檢驗(yàn).

將1月北極濤動(dòng)AO指數(shù)距平值9a的滑動(dòng)平均曲線（實(shí)線）和110a周期分量曲線繪于圖4（粗實(shí)線，根據(jù)（2）式計(jì)算），二者比較可以看到110a周期與AO實(shí)況曲線變化趨勢(shì)基本一致，說(shuō)明110a周期是北極濤動(dòng)指數(shù)世紀(jì)變化中所蘊(yùn)涵的顯著的周期性特征，在1900—2013年時(shí)段110a周期可以看做北極濤動(dòng)的變化趨勢(shì).

要把22a周期也繪在圖4上，需要將110a周期和22a周期合成，即

根據(jù)方程（4）把22a周期也繪在圖4上（粗虛線），可以看到22a理論周期與AO波動(dòng)十分吻合，說(shuō)明22a理論周期正確反映了AO的實(shí)際波動(dòng)特征.

3.2 北極濤動(dòng)的世紀(jì)周期與太陽(yáng)活動(dòng)世紀(jì)周期的聯(lián)系

圖4 1月AO指數(shù)9a滑動(dòng)平均曲線與AO 110a準(zhǔn)周期分量曲線（粗實(shí)線）和AO準(zhǔn)22a周期曲線（粗虛線）Fig.4 AO index in January 9years moving average curve and AO 110-year quasi-periodic component curve（heavy line），and AO 22-year cycle curve（dashed line）

為了便于分析太陽(yáng)活動(dòng)世紀(jì)周期與北極濤動(dòng)世紀(jì)周期的聯(lián)系，我們把太陽(yáng)活動(dòng)沃爾夫指數(shù)（R.Wolf）準(zhǔn)110a周期（Qu etal.，2014）曲線（粗虛線）疊加在圖5上，由圖5看到太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)110a世紀(jì)周期與北極濤動(dòng)110a世紀(jì)周期波峰波谷基本反相，太陽(yáng)活動(dòng)準(zhǔn)110a周期變化超前，可以認(rèn)為是太陽(yáng)活動(dòng)激發(fā)了北極濤動(dòng)的世紀(jì)際周期性變化.

圖5 1月AO 110a周期（實(shí)線）與太陽(yáng)活動(dòng)110a周期曲線（粗虛線）Fig.5 AO 110-year quasi-periodic component curve（solid line），and solar activity 110-year cycle curve（dashed line）

為了便于分析太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)北極濤動(dòng)年代際周期性變化的影響，我們首先把這個(gè)世紀(jì)周期從北極濤動(dòng)指數(shù)序列中濾除.從原始北極濤動(dòng)指數(shù)序列AO（i）中減去110a周期，即可得到不含世紀(jì)周期的北極濤動(dòng)指數(shù)序列y（i）：

求得原始北極濤動(dòng)指數(shù)序列AO（i）的方差：

就是說(shuō)，110a周期變化是北極濤動(dòng)指數(shù)世紀(jì)變化十分重要的特征，其影響程度超過(guò)總的北極濤動(dòng)指數(shù)異常變化的44%！

根據(jù)1889—2013年AO（i）資料分析其110a周期變化，一般來(lái)說(shuō)由于資料長(zhǎng)度不夠長(zhǎng)，可信程度不高.不過(guò)從圖4看到，AO（i）實(shí)況資料與110a周期曲線基本吻合，說(shuō)明110a周期基本反映了100多年來(lái)AO（i）的變化趨勢(shì)，所以，把這個(gè)準(zhǔn)110a周期作為1889—2013年AO（i）序列的趨勢(shì)項(xiàng)來(lái)理解就可以了.

3.3 北極濤動(dòng)的22a周期與太陽(yáng)活動(dòng)極性周期的聯(lián)系

根據(jù)文獻(xiàn)Qu等（2014）給出的太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)22a周期分量：

為了分析太陽(yáng)活動(dòng)磁場(chǎng)異常變化與北極濤動(dòng)22a周期變化的聯(lián)系，將北極濤動(dòng)22a周期分量曲線（粗實(shí)線）與太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線（實(shí)線）繪于圖6進(jìn)行比較，將太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)（MI）準(zhǔn)22a周期曲線（粗虛線）疊加到圖6，太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)22a周期分量是根據(jù)（6）式計(jì)算結(jié)果，截取1900年以后部分繪于圖6.可以看到磁性指數(shù)準(zhǔn)22a周期曲線與AO 22a周期分量曲線（粗實(shí)線）變化趨勢(shì)基本相反，MI準(zhǔn)22a周期波峰與AO 22a周期波谷相對(duì)應(yīng)并有所超前，說(shuō)明AO 22a周期乃MI準(zhǔn)22a周期所激發(fā).

由于MI準(zhǔn)22a周期曲線與太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線十分吻合，說(shuō)明太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)準(zhǔn)22年周期乃太陽(yáng)磁場(chǎng)固有振蕩周期，所以太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線變化與AO 22a周期分量曲線變化趨勢(shì)也基本相反，波峰波谷基本反相，太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線波峰波谷超前于AO 22a周期分量曲線，二者波峰波谷取向比較固定，顯示出太陽(yáng)活動(dòng)尤其是太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)變化與1月北極濤動(dòng)22a周期變化密切的反相關(guān)關(guān)系.

圖6 1月AO 22a周期分量（粗實(shí)線），太陽(yáng)磁性指數(shù)（除150）曲線（實(shí)線）和太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)準(zhǔn)22a周期曲線（粗虛線）Fig.6 The line of AO 22-year periodic component curve in January（heavy solid line），the MI of the solar magnetic field and quasi-22-year cycle curve of the MI of the solar magnetic field（heavy dotted line）in January

Qu等（2007）指出，太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線從波谷到波峰時(shí)段是太陽(yáng)磁場(chǎng)南向時(shí)期，此時(shí)在太陽(yáng)磁場(chǎng)的各種波長(zhǎng)的擾動(dòng)中，其南向分量容易維持，從而與地球磁場(chǎng)磁力線重聯(lián)機(jī)會(huì)增多，導(dǎo)致大量帶電粒子輸入地球磁層，加熱地球大氣.從圖6可以看到，1月AO 22a周期分量（粗實(shí)線）從波峰到波谷時(shí)期正好對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)磁場(chǎng)南向時(shí)期，即太陽(yáng)物質(zhì)拋射加熱北極區(qū)域地球大氣，極區(qū)大氣偏暖，對(duì)應(yīng)著AO負(fù)位相時(shí)期.

相反，太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)曲線波峰到波谷時(shí)段是太陽(yáng)磁場(chǎng)北向時(shí)期，此時(shí)在太陽(yáng)磁場(chǎng)的各種波長(zhǎng)的擾動(dòng)中，其南向分量不容易維持，從而與地球磁場(chǎng)磁力線重聯(lián)機(jī)會(huì)減少，導(dǎo)致大量帶電粒子從地球磁層外圍滑過(guò)，地球大氣得不到加熱.從圖6可以看到，1月AO 22a周期分量（粗實(shí)線）從波谷到波峰時(shí)期正好對(duì)應(yīng)著太陽(yáng)磁場(chǎng)北向時(shí)期，即太陽(yáng)物質(zhì)拋射滑過(guò)地球，無(wú)法加熱北極區(qū)域地球大氣，極區(qū)大氣偏冷，對(duì)應(yīng)著AO正位相時(shí)期.

4 結(jié)論

通過(guò)AO正負(fù)位相時(shí)期北半球1000hPa、700hPa位勢(shì)高度和氣溫月平均圖及距平圖對(duì)比分析可知，北極區(qū)域異常增暖時(shí)期對(duì)應(yīng)著AO負(fù)位相時(shí)期，而北極區(qū)域異常偏冷時(shí)期對(duì)應(yīng)著AO正位相時(shí)期，說(shuō)明北極區(qū)域氣溫異常變化將決定AO異常變化符號(hào).

逐次濾波法分析可知，冬季1月北極濤動(dòng)現(xiàn)象表現(xiàn)出十分清楚的與太陽(yáng)活動(dòng)密切聯(lián)系的準(zhǔn)110a世紀(jì)周期和準(zhǔn)22a年代際周期，具體表現(xiàn)為：

（1）冬季1月北極濤動(dòng)現(xiàn)象具有十分清楚的與太陽(yáng)活動(dòng)密切聯(lián)系的準(zhǔn)110a世紀(jì)周期.準(zhǔn)110a世紀(jì)周期對(duì)于北極濤動(dòng)指數(shù)的方差貢獻(xiàn)率達(dá)到44.4%，是冬季1月北極濤動(dòng)現(xiàn)象最顯著的世紀(jì)際變化特征.

（2）譜分析結(jié)果表明，濾除準(zhǔn)110a世紀(jì)周期變化以后的1月北極濤動(dòng)指數(shù)具有顯著的22a周期，其方差貢獻(xiàn)率達(dá)到18.5%，乃僅次于準(zhǔn)110a世紀(jì)周期之后北極濤動(dòng)指數(shù)年代際變化重要特征.對(duì)比分析表明，太陽(yáng)活動(dòng)尤其是太陽(yáng)磁場(chǎng)磁性指數(shù)變化與1月北極濤動(dòng)22a周期變化呈密切的反相關(guān)關(guān)系，二者變化趨勢(shì)基本相反，即多數(shù)情況當(dāng)太陽(yáng)磁性指數(shù)MI由最低值轉(zhuǎn)為上升以后都可引起北極濤動(dòng)AO由最高值轉(zhuǎn)為下降；當(dāng)太陽(yáng)磁性指數(shù)MI由最高值轉(zhuǎn)為下降以后都可引起北極濤動(dòng)AO由最低值轉(zhuǎn)為上升.

綜上所述，北極濤動(dòng)的準(zhǔn)110a世紀(jì)周期變化、22a年代際周期變化對(duì)于北極濤動(dòng)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到62.9%，標(biāo)志著太陽(yáng)活動(dòng)是北極濤動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)因子.

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