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（1 中國科學(xué)院大氣物理研究所，大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

太陽活動(dòng)影響氣候的放大過程之時(shí)空選擇性

肖子牛1霍文娟1，2

（1 中國科學(xué)院大氣物理研究所，大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

太陽是形成地球氣候的原始驅(qū)動(dòng)力之一，但太陽活動(dòng)變化對(duì)氣候的影響究竟有多大，其機(jī)制和途徑是什么，是否存在放大效應(yīng)，一直是有爭議的一個(gè)問題。結(jié)合國家重大科學(xué)研究計(jì)劃“天文與地球運(yùn)動(dòng)因子對(duì)氣候變化的影響研究”一些研究進(jìn)展，綜合歸納了太陽活動(dòng)變化對(duì)氣候系統(tǒng)一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影響和作用，闡述了氣候系統(tǒng)對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)具有顯著的時(shí)空選擇性。指出太陽活動(dòng)通過季風(fēng)活動(dòng)通道，可能將太陽活動(dòng)對(duì)極區(qū)和西太平洋熱帶對(duì)流區(qū)的影響放大，并最終影響全球氣候。

太陽活動(dòng)，氣候，時(shí)空選擇性

0　引言

太陽進(jìn)入目前所處的第24太陽活動(dòng)周期以來，太陽活動(dòng)異常平靜，全球溫度的變暖趨勢(shì)放緩，而同時(shí)全球許多地區(qū)出現(xiàn)異常嚴(yán)寒極端事件[1-3]。人們認(rèn)為，這很可能與異常弱的太陽活動(dòng)導(dǎo)致了北大西洋濤動(dòng)（NAO）或北極濤動(dòng)（AO）的異常有關(guān)系[1-6]。雖然IPCC 第五次評(píng)估報(bào)告已比較確定地將太陽總輻射（solar irradiance）波動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的外強(qiáng)迫效應(yīng)置于較低的水平，但同時(shí)也明確指出，太陽活動(dòng)有可能通過一些放大過程對(duì)氣候變化產(chǎn)生顯著影響[7]。因此，也有人認(rèn)為，太陽活動(dòng)對(duì)當(dāng)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(dòng)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?cè)跉夂蛳到y(tǒng)的很多方面均發(fā)現(xiàn)了顯著的太陽活動(dòng)信號(hào)，由于太陽活動(dòng)對(duì)大氣的作用機(jī)制仍然不清楚，太陽活動(dòng)對(duì)氣候影響究竟如何仍然是一個(gè)需要科學(xué)界繼續(xù)關(guān)注的未解難題。本文將圍繞太陽活動(dòng)影響的時(shí)空差異性，綜合近年來的研究進(jìn)展，從氣候系統(tǒng)對(duì)太陽活動(dòng)變化的響應(yīng)過程出發(fā)，探索太陽活動(dòng)不同機(jī)制影響區(qū)域氣候和全球氣候的協(xié)同作用效應(yīng)，提出太陽活動(dòng)影響氣候系統(tǒng)及可能存在放大過程的途徑。

1　太陽活動(dòng)影響氣候的時(shí)空差異性

太陽輻射變化影響全球氣溫的幅度是很小的，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，近幾個(gè)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(dòng)與氣候現(xiàn)象具有廣泛的聯(lián)系[14-23]。不過，太陽活動(dòng)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(qū)和大氣環(huán)流系統(tǒng)中，對(duì)太陽活動(dòng)的變化更為敏感。在這些關(guān)鍵的環(huán)節(jié)中，太陽活動(dòng)變化可能具有放大的氣候效應(yīng)。

1.1太陽活動(dòng)對(duì)極地大氣環(huán)流的影響

一些研究表明，太陽活動(dòng)與AO或NAO的相位有密切的聯(lián)系[24-25]，在太陽活動(dòng)峰值及其隨后的幾年內(nèi)，AO/NAO傾向增強(qiáng)，給大西洋和歐洲地區(qū)帶來顯著的氣候異常[26-27]，而太陽活動(dòng)較弱的時(shí)期，往往伴隨著低指數(shù)的AO/NAO[28]，此時(shí)冬季大西洋東部阻塞高壓活動(dòng)增強(qiáng)[29]。同時(shí)，太陽活動(dòng)與極地環(huán)流型的關(guān)系存在非對(duì)稱性，在太陽活躍期，北半球海平面氣壓變化的空間結(jié)構(gòu)更接近AO，具有半球特征，而在太陽非活躍期，信號(hào)被局限在大西洋地區(qū)，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(fù)（正）位相，東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)（弱），中國冬季氣溫偏低（高）。由于AO或NAO對(duì)北半球的氣候，尤其是東亞冬季風(fēng)有重要的影響[35]，因此，AO或NAO對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)可能是太陽影響氣候異常的重要環(huán)節(jié)[25,36]。

Zhao等[37]研究發(fā)現(xiàn)，北半球冬季中高緯存在一種穩(wěn)定的行星尺度的雪氣耦合模態(tài)——SNAO模態(tài)，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)分析表明，該模態(tài)與前秋和后春的大氣環(huán)狀模和積雪之間存在密切的關(guān)系。利用近140年來的長時(shí)間序列資料，進(jìn)一步檢測(cè)分析該模態(tài)與自然因子（AO、AAO、西伯利亞高壓、太陽周期活動(dòng)和火山活動(dòng)）同人類活動(dòng)（溫室氣體等）的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，歐洲積雪異常和極渦異常分別是SNAO模態(tài)中的積雪和大氣中的關(guān)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(dòng)變化與AO的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者的聯(lián)系主要體現(xiàn)在太陽活動(dòng)強(qiáng)的時(shí)期，而在太陽活動(dòng)弱的時(shí)期兩者并沒有顯著的關(guān)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(guān)系，可以看到，AO對(duì)東亞冬季風(fēng)的影響事實(shí)上也只有在太陽活動(dòng)比較強(qiáng)的時(shí)候才是顯著的，而有可能最終在太陽活動(dòng)強(qiáng)的時(shí)期，太陽活動(dòng)射電通量與東亞冬季風(fēng)活動(dòng)（用東亞大槽ICQ表征）具有了高度相關(guān)的關(guān)系，其信度超過了99%顯著性水平。因此，太陽活動(dòng)強(qiáng)、弱時(shí)期其變化與東亞冬季大氣環(huán)流的聯(lián)系具有顯著的非對(duì)稱性特征，太陽活動(dòng)變化與東亞冬季氣候的顯著相關(guān)性僅存在于太陽活動(dòng)較強(qiáng)的時(shí)期。

表1　1959—2013年期間HS年（強(qiáng)太陽活動(dòng)時(shí)期）和LS年（弱太陽活動(dòng)時(shí)期）F10.7cm、ICQ、AO的相關(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)空間分布：（a）HS年，已略去絕對(duì)值小于0.3的等值線；（b）LS年，等值線間隔為0.1。實(shí)線表示正相關(guān)，虛線表示負(fù)相關(guān)；淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗(yàn)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(dòng)對(duì)冬季東亞氣候的影響主要體現(xiàn)在AO的強(qiáng)弱以及中高緯度環(huán)流型形態(tài)，當(dāng)強(qiáng)太陽活動(dòng)時(shí)期，隨著太陽活動(dòng)的增強(qiáng)，高緯地區(qū)E-P通量輻散增強(qiáng)，平流層-對(duì)流層耦合導(dǎo)致中高緯度西風(fēng)及AO出現(xiàn)一致的正異常響應(yīng)，冬季東亞中高緯對(duì)流層中層的大氣環(huán)流傾向緯向型，東亞大槽減弱，冷空氣活動(dòng)較弱，東亞大部分地區(qū)氣溫顯著偏高，中高緯降水增多；而在弱太陽活動(dòng)時(shí)期，太陽活動(dòng)的年際差異對(duì)東亞冬季大氣環(huán)流并沒有顯著影響。當(dāng)然，太陽活動(dòng)對(duì)東亞冬季氣候的影響，除了對(duì)中高緯度的環(huán)流型的作用途徑以外，對(duì)熱帶西北太平洋海表溫度影響是另外一個(gè)重要的途徑。強(qiáng)太陽活動(dòng)時(shí)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(huì)使得東亞冬季風(fēng)偏弱，東亞冬季風(fēng)活動(dòng)地區(qū)氣溫偏高。

對(duì)東亞冬季風(fēng)典型區(qū)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(dòng)有密切關(guān)聯(lián)。冬季中國東北地區(qū)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(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的分析也發(fā)現(xiàn)，太陽黑子數(shù)峰（谷）年，北太平洋中緯度海溫易呈現(xiàn)偏暖（冷），北太平洋中緯度海溫正（負(fù)）異常使得東亞—太平洋中緯度出現(xiàn)異常反氣旋（氣旋）性環(huán)流，從而有利于東北地區(qū)冬季溫度呈現(xiàn)正（負(fù)）異常。宋燕等[39]統(tǒng)計(jì)分析了太陽活動(dòng)參數(shù)與青藏高原冬春季積雪深度和積雪日數(shù)的多時(shí)間尺度相關(guān)特征，發(fā)現(xiàn)在年代際尺度上春季積雪日數(shù)與太陽活動(dòng)在各時(shí)間尺度上無論是同期還是滯后都有顯著和穩(wěn)定的相關(guān)關(guān)系，而積雪深度從正相關(guān)到負(fù)相關(guān)的年代際轉(zhuǎn)折與太陽活動(dòng)的周期相吻合。

Wei等[40]統(tǒng)計(jì)了工業(yè)革命之前的上萬年間，太陽黑子數(shù)（SSN）與南極Vostok臺(tái)站局地溫度的千年周期分量的變化，可見二者之間存在穩(wěn)定且持續(xù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，太陽活動(dòng)強(qiáng)時(shí)Vostok臺(tái)站溫度低，反之亦然；分析二者之間的相關(guān)系數(shù)隨黑子數(shù)領(lǐng)先溫度時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)黑子數(shù)領(lǐng)先溫度變化30～40年時(shí)，二者之間的相關(guān)性最強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)可達(dá)-0.85?？紤]到南極局部溫度的變化與全球趨勢(shì)是相反的，因此至少在工業(yè)革命以前（無近代溫室氣體影響），太陽活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)全球氣候變化的重要自然驅(qū)動(dòng)力之一。

1.2太陽活動(dòng)對(duì)熱帶海氣系統(tǒng)的影響

大氣和海洋的耦合是氣候系統(tǒng)中最重要的物理和動(dòng)力過程，其中熱帶海氣系統(tǒng)對(duì)全球氣候具有最為重要的影響。研究太陽活動(dòng)對(duì)熱帶海氣系統(tǒng)的調(diào)制作用，有助于理解太陽活動(dòng)對(duì)氣候變化的作用機(jī)制。

中高緯度大氣系統(tǒng)在冬季對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)最為明顯，與此不同，熱帶大氣系統(tǒng)與太陽活動(dòng)在夏季有更顯著關(guān)聯(lián)。Li等[41]系統(tǒng)研究了太陽活動(dòng)與西太平洋副熱帶高壓的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在太陽活動(dòng)的峰值年和谷值年，夏季西太平洋副熱帶高壓的強(qiáng)度和位置有所不同。與太陽活動(dòng)谷值年相比，在太陽活動(dòng)峰值年，副高脊線偏南、西伸脊點(diǎn)偏西、面積偏大。

Xiao等[42]系統(tǒng)分析研究了太陽活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)北半球夏季熱帶西太平洋對(duì)流活動(dòng)的影響。分析發(fā)現(xiàn)熱帶西太平洋OLR對(duì)于10.7cm太陽輻射通量指數(shù)逐月資料（F10.7）存在1～2年的顯著滯后相關(guān)。相對(duì)于太陽活動(dòng)低值年，在太陽活動(dòng)高值年之后的1～2年，熱帶西太平洋-海洋性大陸的對(duì)流異常表現(xiàn)出東正西負(fù)的偶極子模態(tài)（圖2），這種相關(guān)關(guān)系也是夏季顯示出更高的相關(guān)性。在去掉ENSO信號(hào)后，該地區(qū)OLR場的EOF的第一模態(tài)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(dòng)類似的準(zhǔn)11年的顯著周期。進(jìn)一步分析表明，由于熱帶太平洋海氣系統(tǒng)的耦合作用，海洋中的太陽活動(dòng)信號(hào)有利于激發(fā)滯后的海洋性大陸—西太平洋對(duì)流偶極型。

圖2　去除ENSO信號(hào)后，北半球夏季平均OLR與F10.7的相關(guān)系數(shù)分布圖（a）同期相關(guān)；（b）OLR 滯后F10.7指數(shù)1年；（c）OLR 滯后F10.7指數(shù)兩年。淺色陰影通過了95%信度檢驗(yàn)，深色陰影通過了99%信度檢驗(yàn)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(duì)地球氣候而言，太陽輻射是一個(gè)外源強(qiáng)迫加熱，因此，氣候系統(tǒng)對(duì)太陽10年以上長周期的外強(qiáng)迫變化有很好的滯后相關(guān)是容易理解的。Friis-Christensen等[43]發(fā)現(xiàn)，每個(gè)太陽周的時(shí)間長度和全球地表溫度有密切聯(lián)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(shí)期有明顯的一致性特征。我們對(duì)熱帶太平洋海溫分布型的年代際變化分析發(fā)現(xiàn)，其年代際變化與太陽活動(dòng)周所處的相位有較好的關(guān)聯(lián)，分析海洋熱含量（OHC）與TSI的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在熱帶太平洋存在東、西兩個(gè)相關(guān)系數(shù)相反的區(qū)域，最大相關(guān)出現(xiàn)在OHC滯后TSI兩年，且該區(qū)域內(nèi)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(hào)后，熱帶西太平洋OHC在太陽活動(dòng)的上升位相表現(xiàn)為正異常，而在中東太平洋呈現(xiàn)為負(fù)異常的OHC分布；而在太陽活動(dòng)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(tài)（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(diǎn)區(qū)域代表通過95%的信度水平（t檢驗(yàn)）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(dòng)對(duì)ENSO氣候影響的調(diào)制作用

ENSO是氣候系統(tǒng)中最重要的氣候異常信號(hào)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(fā)生期間，熱帶太平洋海溫異常通常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PNA的異常波列，從而對(duì)太平洋和北美的大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生重要的影響。Haigh等[45]曾經(jīng)指出，增強(qiáng)的太陽活動(dòng)可以引起 ENSO系統(tǒng)發(fā)生變化。進(jìn)一步研究工作顯示，當(dāng)太陽活躍時(shí)輻射作用使熱帶太平洋趨向于暖海溫[46]，而太陽活動(dòng)很可能是通過改變?cè)坪洼椛涞姆答佔(zhàn)饔糜绊?ENSO的[47-48]。

利用太陽輻射通量F10.7的觀測(cè)資料以及NECP/ NCAR再分析資料，發(fā)現(xiàn)太陽活動(dòng)對(duì)Ni?o3.4的海溫與PNA環(huán)流異常型的關(guān)系具有明顯的調(diào)制作用。當(dāng)太陽輻射通量偏強(qiáng)時(shí)，Ni?o3.4與PNA的聯(lián)系將得到加強(qiáng)，且在對(duì)流層高層更為明顯。此外，在太陽輻射通量強(qiáng)弱不同的時(shí)期，PNA對(duì)Ni?o3.4的響應(yīng)空間分布型也有所不同（圖4）。當(dāng)太陽輻射通量較強(qiáng)時(shí)，500hPa高度場的異常響應(yīng)主要出現(xiàn)在東北太平洋和北美大陸；而當(dāng)太陽輻射通量較弱的時(shí)期，異常響應(yīng)場主要位于北太平洋、北美大陸和大西洋。由于太陽活動(dòng)對(duì)對(duì)流層大氣的影響可能存在不對(duì)稱性，其影響主要表現(xiàn)為強(qiáng)太陽活動(dòng)對(duì)環(huán)流的影響，而弱太陽活動(dòng)時(shí)期影響不明顯。由于太陽活動(dòng)的影響表現(xiàn)為一個(gè)弱的類似PNA模態(tài)，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(dòng)強(qiáng)年加強(qiáng)了東北太平洋地區(qū)對(duì)Ni?o3.4的響應(yīng)，而在ENSO冷事件年，太陽活動(dòng)強(qiáng)年則加強(qiáng)了北美大陸南部地區(qū)對(duì)Ni?o3.4的響應(yīng)。太陽活動(dòng)主要通過對(duì)高層緯向風(fēng)場的影響，調(diào)制了熱帶海洋ENSO異常與中高緯度PNA的聯(lián)系，并進(jìn)一步影響中高緯度地區(qū)冬季的氣候。

圖4　赤道東太平洋冷、暖時(shí)期太陽活動(dòng)強(qiáng)、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(dòng)與熱帶海溫和對(duì)流活動(dòng)的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，熱帶太平洋是太陽活動(dòng)影響氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域，而熱帶海氣系統(tǒng)對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)具有明顯的滯后效應(yīng)。即在強(qiáng)太陽輻射期之后，中東太平洋海溫呈現(xiàn)正異常。對(duì)比這種異常海溫的空間結(jié)構(gòu)可以注意到，這種海溫異常型不同于傳統(tǒng)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(shí)上，太陽活動(dòng)強(qiáng)弱的變化確實(shí)與El Ni?o Modoki指數(shù)（EMI）存在顯著的相關(guān)性，并在滯后兩年達(dá)到最大的相關(guān)關(guān)系。進(jìn)一步的周期分析顯示，EMI指數(shù)也存在著顯著的準(zhǔn)11年周期特征。分析統(tǒng)計(jì)EMI>0.7的El Ni?o Modoki事件，發(fā)現(xiàn)在太陽輻射峰值當(dāng)年或之后1～2年，存在有利于El Ni?o Modoki 事件發(fā)生的條件（圖5）。

圖5　太陽輻射峰值當(dāng)年（a）及之后1～3年（b，c，d）的SST距平合成圖（單位：℃），其中打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^90%的信度水平（t 檢驗(yàn)）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(dòng)影響氣候放大機(jī)制的可能途徑

盡管人們一直在試圖解釋太陽活動(dòng)影響氣候的放大機(jī)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(tǒng)的一些特殊的區(qū)域和環(huán)節(jié)，確實(shí)可以檢測(cè)到顯著的太陽活動(dòng)的信號(hào)，其變率強(qiáng)度和振幅，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們通常用輻射強(qiáng)迫得到的氣候效應(yīng)。也就是說，太陽活動(dòng)影響氣候的放大機(jī)制，可能是通過氣候系統(tǒng)中復(fù)雜的非線性作用實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，可以注意到，氣候系統(tǒng)對(duì)太陽活動(dòng)在中高緯度的響應(yīng)通常是發(fā)生在冬季，而在夏季氣候系統(tǒng)的響應(yīng)更多地來自熱帶低緯度地區(qū)，而全球重要的季風(fēng)系統(tǒng)有可能是太陽信號(hào)在赤道和極地間傳播的通道。

圖6給出了太陽活動(dòng)影響氣候可能途徑的綜合框圖。如果以北半球冬季為季節(jié)的時(shí)間參考，通過各種獨(dú)立的研究分析已經(jīng)知道，當(dāng)冬季太陽活動(dòng)偏強(qiáng)的時(shí)候，通過對(duì)AO的調(diào)制作用，北半球中高緯度地區(qū)緯向環(huán)流加強(qiáng)，中緯度季風(fēng)地區(qū)地面溫度偏高，熱帶海溫和地面溫度偏低，東亞冬季風(fēng)減弱。與此同時(shí)，熱帶對(duì)流偏弱將使得另一個(gè)半球的Hadley環(huán)流減弱，南半球中高緯度夏季風(fēng)極向推進(jìn)弱，中高緯度云量減少，溫度升高，從而造成季風(fēng)區(qū)全球中高緯度溫度異常偏高。而在另外一個(gè)方面，在隨后夏季熱帶海溫將繼續(xù)偏低，對(duì)流偏弱，逐步形成熱帶西太平洋對(duì)流活動(dòng)?xùn)|強(qiáng)西弱的偶極模態(tài)，西太平洋熱帶對(duì)流中心偏東，有利于產(chǎn)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(gè)方面，較強(qiáng)的太陽活動(dòng)將在當(dāng)年和滯后2～3年，造成對(duì)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(dòng)影響氣候的可能途徑Fig. 6 Possible approaches of solar activity affecting Earth's climate

這樣一個(gè)太陽活動(dòng)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(yàn)證。但已有的研究結(jié)果說明，太陽活動(dòng)對(duì)季風(fēng)活動(dòng)和與之相關(guān)的熱帶對(duì)流、副熱帶高壓和Hadley環(huán)流等系統(tǒng)有重要的影響和調(diào)制作用。例如，印度季風(fēng)[21,49]、Hadley環(huán)流、Ferrel環(huán)流和副熱帶急流[50~53]，在太陽高年傾向于向極地偏移或擴(kuò)展，而在太陽低年傾向于向赤道偏移。這些系統(tǒng)位置的偏移，會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)邊緣地區(qū)氣候的急劇變化[52,54]。Wang等[55]的研究也表明了東亞季風(fēng)對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)往往在其邊緣處更為顯著，但太陽活動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，東亞夏季風(fēng)的北界將推進(jìn)到更北的緯度。

3　小結(jié)

通過對(duì)最近一些研究成果的梳理，可以發(fā)現(xiàn)，太陽活動(dòng)對(duì)氣候的顯著影響具有很強(qiáng)的時(shí)空選擇性。在空間上，太陽活動(dòng)對(duì)極地大氣環(huán)流和熱帶海氣系統(tǒng)具有明顯的影響，表現(xiàn)為太陽活動(dòng)較強(qiáng)時(shí)期強(qiáng)AO 活動(dòng)的氣候影響，以及對(duì)熱帶對(duì)流與ENSO事件氣候影響的調(diào)制作用。在時(shí)間上，太陽活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的影響具有不對(duì)稱性特征，其影響主要是在強(qiáng)太陽時(shí)期得以體現(xiàn)，在太陽活動(dòng)較弱的時(shí)期則基本上難以監(jiān)測(cè)到太陽信號(hào)。其中，對(duì)中高緯度地區(qū)的影響主要在冬季，對(duì)熱帶低緯地區(qū)的影響主要在夏季?？紤]到以上時(shí)空特征，我們認(rèn)為顯著的太陽信號(hào)主要包含在季風(fēng)區(qū)以及和季風(fēng)相關(guān)的氣候子系統(tǒng)中，季風(fēng)活動(dòng)區(qū)是太陽活動(dòng)影響地球氣候的主要區(qū)域和放大傳播的通道。同時(shí)，由于太陽活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的影響具有明顯的滯后效應(yīng)，多時(shí)間尺度影響的相互作用使得其影響的氣候效應(yīng)非常復(fù)雜，其對(duì)全球氣候的影響，還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。

［1］Lockwood M， Harrison R G， Woollings T， et al. Are cold winters in Europe associated with low solar activity？ Environ Res Lett， 2010， 5：024001.

［2］Woollings T， Lockwood M， Masato G， et al. Enhanced signature of solar variability in Eurasian winter climate. Geophysical Research Letters， 2010， 37： L20805.

［3］Ineson S， Scaife A A， Knight J R， et al. Solar forcing of winter climate variability in the Northern Hemisphere. Nature Geoscience，2011， 4（11）： 753-757.

［4］王紹武， 葛全勝， 王芳， 等. 全球氣候變暖爭議中的核心問題. 地球科學(xué)進(jìn)展， 2010， 25（6）： 656-665.

［5］王紹武， 聞新宇， 黃建斌. 不久的將來氣候會(huì)變冷嗎？ 科學(xué)通報(bào)，2010， 55（30）： 2980-2985.

［6］王紹武， 聞新宇， 黃建斌. 一個(gè)新的太陽活動(dòng)極小期即將到來嗎？氣候變化研究進(jìn)展 2012， 8（2）： 154-156.

［7］Intergovernmental Panel on Climate Change. Key dates in the AR5 schedule. 2013， Available： http://www.ipcc.ch/activities/key_dates_ AR5_schedulepdf.pdf

［8］Gray L J， Beer J， Geller M， et al. Solar influences on climate. Reviews of Geophysics， 2010， 48， RG4001.

［9］Kerr R A. What happened to global warming？ Scientists say just wait a bit. Science， 2009， 326（5949）： 28-29.

［10］Knight J， Kennedy J J， Folland C， et al. Do global temperature trends over the last decade falsify climate predictions？ Bull Am Meteorol Soc， 2009， 90（8）： 22-23.

［11］Fyfe J C， Gillett N P， Zwiers F W. Overestimated global warming over the past 20 years. Nature Climate Change， 2013， 3（9）：767-769.

［12］Curry J. Climate science： Uncertain temperature trend. Nature Geoscience， 2014， 7（2）： 83- 84.

［13］Foukal P， Frohlich C， Spruit H， et al. Variations in solar luminosity and their effect on the Earth's climate. Nature， 2006， 443： 161-166.

［14］竺可楨. 我國歷史上氣候的脈動(dòng). 科學(xué)匯刊， 1926， 16（2）：274-282.

［15］王紹武. 大氣活動(dòng)中心的多年變化的多年變化與我國的氣候振動(dòng). 氣象學(xué)報(bào)， 1962， 32（1）： 19-36.

［16］徐群， 金龍. 太陽活動(dòng)與北半球副熱帶高壓強(qiáng)度的耦合振蕩. 大氣科學(xué)， 1986， 10（2）： 204-211.

［17］徐群， 王冰梅. 太陽輻射變化對(duì)我國中東部和西非夏季風(fēng)雨量的影響. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)， 1993， 4（1）： 38-44.

［18］Perry C A. Solar irradiance variations and regional precipitation fluctuations in the Western USA. International Journal of Climatology， 1994， 14（9）： 969-983.

［19］Currie R G， Vines R G. Evidence for luni-solar Mn and solar cycle Sc signals in Australian rainfall data. International Journal of Climatology， 1996， 16（11）： 1243-1265.

［20］Cook E R， Meko D M， Stockton C W. A new assessment of possible solar and lunar forcing of the bidecadal drought rhythm in the western United States. Journal of Climate， 1997， 10（6）：1343-1356.

［21］Kodera K. Solar influence on the Indian Ocean Monsoon through dynamical processes. Geophysical Research Letters， 2004， 31： L24209.

［22］魏鳳英. 長江中下游夏季降水異常變化與若干強(qiáng)迫因子的關(guān)系.大氣科學(xué)， 2006， 30（2）： 202- 211.

［23］趙平， 周秀驥， 劉舸. 夏季亞洲—太平洋熱力差異年代—百年尺度變化與太陽活動(dòng). 科學(xué)通報(bào)， 2011， 56（25）： 2068-2074.

［24］Shindell D T， Schmidt G A， Mann M E， et al. Solar forcing of regional climate change during the Maunder Minimum. Science，2001， 294（5549）： 2149-2152.

［25］Ruzmaikin A， Feynman J. Solar influence on a major mode of atmospheric variability. Journal of Geophysical Research， 2002，107（D14）： 4209.

［26］ Huth R， Bochní?ek J， Hejda P. The 11-year solar cycle affects the intensity and annularity of the Arctic Oscillation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics， 2007， 69（9）： 1095-1109.

［27］Scaife A A， Ineson S， Knight J R， et al. A mechanism for lagged North Atlantic climate response to solar variability. Geophys Res Lett， 2013， 40： 434- 439.

［28］Weng H Y. Impacts of multi-scale solar activity on climate. Part I：Atmospheric circulation patterns and climate extremes. Advances in Atmospheric Sciences， 2012， 29 （4）： 867-886.

［29］Barriopedro D， García-Herrera Ro， Huth R. Solar modulation of Northern Hemisphere winter blocking. J Geophys Res， 2008， 113（D14）： D14118.

［30］Slonosky V C， Jones P D， Davies T D. Instrumental pressure observations and atmospheric circulation from the 17th and 18th centuries： London and Paris. International Journal of Climatology，2001， 21（3）： 285-298.

［31］Kodera K， Kuroda Y. Dynamical response to the solar cycle. Journal of Geophysical Research， 2002， 107（D24）： 4749.

［32］Ogi M， Yamazaki K， Tachibana Y. Solar cycle modulation of the seasonal linkage of the North Atlantic Oscillation （NAO）. Geophysical Research Letters， 2003， 30（22）： 2170.

［33］Mann M E， Zhang Z H， Rutherford S， et al. Global signaturesand dynamical origins of the Little Ice Age and Medieval Climate Anomaly. Science， 2009， 326（5957）： 1256-1260.

［34］丁一匯， 柳艷菊， 梁蘇潔， 等.東亞冬季風(fēng)的年代際變化及其與全球氣候變化的可能聯(lián)系. 氣象學(xué)報(bào)， 2014， 72（5）： 835-852.

［35］周群， 陳文. 太陽活動(dòng)11年周期對(duì)ENSO事件海溫異常演變和東亞降水的影響. 大氣科學(xué)， 2012， 36（4）： 851-862.

［36］Ruzmaikin A. Effect of solar variability on the Earth's climate patterns. Advances in Space Research， 2007， 40（7）：1146-1151.

［37］Zhao L， Zhu Y X， Liu H W， et al. A stable snow-atmosphere coupled mode. Climate Dynamics， 2016. doi： 10.1007/s00382-015-2952-z.

［38］王瑞麗， 肖子牛， 朱克云， 等. 太陽活動(dòng)變化對(duì)東亞冬季氣候的非對(duì)稱影響及可能機(jī)制. 大氣科學(xué)， 2015， 39（4）： 815-826.

［39］宋燕， 李智才， 肖子牛， 等. 太陽活動(dòng)與冬季青藏高原積雪以及東亞環(huán)流的年代際相關(guān)分析. 高原氣象， 2016， 待刊.

［40］Wei M， Qiao F L， Deng J. A quantitative definition of global warming hiatus and 50-year prediction of global-mean surface temperature. Journal of the Atmospheric Sciences， 2015， 72（8）： 3281-3289.

［41］LI C， Zhang Q Y. An observed connection between wintertime temperature anomalies over Northwest China and weather regime transitions in North Atlantic. J Meteor Res， 2015， 29（2）： 201-213.

［42］Xiao Z， Liao Y， Li C. Possible impact of solar activity on the convection dipole over the tropical pacific ocean. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics， 2016， 140： 94-107.

［43］Friis-Christensen E， Lassen K. Length of the solar cycle： an indicator of solar activity closely associated with climate. Science，1991， 254： 698-700.

［44］Maliniemi V， Asikainen T， Mursula K. Spatial distribution of Northern Hemisphere winter temperatures during different phases of the solar cycle. J Geophys Res： Atmos， 2014， 119： 9752-9764.

［45］Haigh J D. The impact of solar variability on climate. Science，1996， 272： 981-984.

［46］Misios S， Schmidt H. Mechanisms involved in the amplification of the 11-yr solar cycle signal in the tropical Pacific Ocean. Journal of Climate， 2012， 25： 5102-5118.

［47］Farrar P D. Are cosmic rays influencing oceanic cloud coverage or is it only El Ni?o？ Climatic Change， 2000， 47（1-2）： 7-15.

［48］Marsh N， Svensmark H. Galactic cosmic ray and El Ni?o-Southern Oscillation trends in International Satellite Cloud Climatology Project D2 low-cloud properties. Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2003， 108（D6）： 4195.

［49］van Loon H， Meehl G A. The Indian summer monsoon during peaks in the 11 year sunspot cycle. Geophysical Research Letters，2012， 39： L13701.

［50］Haigh J D. The effects of solar variability on the Earth's climate. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A： Mathematical， Physical and Engineering Sciences， 2003，361（1802）： 95-111.

［51］Gleisner H， Thejll P. Patterns of tropospheric response to solar variability. Geophysical Research Letters， 2003， 30： 1711.

［52］Haigh J D， Blackburn M， Day R. The response of tropospheric circulation to perturbations in lower-stratospheric temperature. Journal of Climate， 2005， 18（17）： 3672-3685.

［53］Br?nnimann S， Ewen T， Griesser T， et al. Multidecadal signal of solar variability in the upper troposphere during the 20th century. Space Science Reviews， 2006， 125： 305-317.

［54］Verschuren D， Laird K R， Cumming B F. Rainfall and drought in equatorial east Africa during the past 1，100 years. Nature， 2000，403： 410-414.

［55］Wang J S， Zhao L. Statistical tests for a correlation between decadal variation in June precipitation in China and sunspot number. Journal of Geophysical Research： Atmospheres， 2012， 117，D23117.

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(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957804）