肖子牛

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(LASG)，北京 100029

萬物生長靠太陽，太陽是地球自然界運(yùn)動(dòng)和生長的能量來源，沒有太陽就沒有地球上的一切生命，包括人類。2019年，世界氣象組織把世界氣象日主題確定為“太陽、地球、天氣”。太陽是地球氣候形成和演變的驅(qū)動(dòng)力，由于太陽的能量輻射、太陽和地球的空間位置以及地球的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使得地球上保持合適的溫度和液態(tài)水，形成了適宜生命存在和智慧文明發(fā)展的地球氣候環(huán)境。地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成的接受太陽輻射能量的變化，形成了地球上四季輪回的季節(jié)變化和豐富多彩的自然景觀。

太陽輻射能量的變化形成并影響著全球和局地的氣候，文中我們討論的是指達(dá)到地球大氣層頂?shù)奶栞椛淠芰孔兓斐傻牡厍驓夂蚱x平均正常態(tài)的變化情景。這其中包括了日地運(yùn)動(dòng)造成的太陽輻射能量變化和太陽活動(dòng)變化造成的能量源的變化兩個(gè)方面。前者形成了地球氣候千年以上長時(shí)間尺度的變化特征，而后者有可能對百年和百年以下的短時(shí)間尺度的氣候變化有影響。

1 太陽輻射與不同時(shí)間尺度地球氣候變化的關(guān)系

地球軌道和位置的變化，會(huì)引起達(dá)到地球表面的太陽輻射量的變化，從而對地球氣候產(chǎn)生重要影響。如地球繞太陽公轉(zhuǎn)產(chǎn)生季節(jié)變化、地球自轉(zhuǎn)造成日變化等。在千年以上的長時(shí)間尺度上，太陽輻射變化與緣于地球運(yùn)動(dòng)的日地空間位置的演變有密切的關(guān)系。

地質(zhì)遺跡記錄表明，在過去數(shù)萬年到100萬年的地質(zhì)時(shí)期里，地球氣候經(jīng)歷了多次溫度冷暖的循環(huán)演變。過去的研究已經(jīng)較為清晰地揭示了在地質(zhì)氣候的時(shí)間尺度上，太陽活動(dòng)和地球軌道變化對地球氣候的影響。其中最重要的理論框架就是廣為人知的米蘭科維奇(Milankovitch，1879—1958)循環(huán)[1]，也叫作天文冰期理論。這個(gè)理論由塞爾維亞數(shù)學(xué)家米蘭科維奇創(chuàng)立，從理論上解釋了地球運(yùn)動(dòng)對氣候變化的影響。1917年，米蘭科維奇在戰(zhàn)俘營和監(jiān)禁中完成他的具有歷史意義的著作《太陽輻射造成的熱現(xiàn)象及其數(shù)學(xué)理論》，并在1920年出版。天文冰期理論指出，冰期的形成與地球運(yùn)動(dòng)軌道的三個(gè)周期性變化相關(guān)聯(lián)，這三個(gè)周期分別由地球軌道偏心率、地軸傾斜度(黃赤交角)和歲差驅(qū)動(dòng)形成(圖1)[2]。偏心率的變化是以10萬年作為一個(gè)周期，黃赤交角的變化周期大約是4萬年，而歲差的變化形成了2萬年周期的變化。

圖1 地球軌道三大因子(偏心率、歲差和黃赤交角)的變化周期(數(shù)據(jù)引自參考文獻(xiàn)[2])

米蘭科維奇還詳細(xì)計(jì)算了600 ka以來地球上不同緯度地區(qū)冬半年和夏半年的日照變化，發(fā)現(xiàn)北緯或者南緯65°是太陽輻射變化幅度最大的區(qū)域。他據(jù)此指出，北半球高緯度夏季日照的變化是冰蓋生長和消融的關(guān)鍵。但是，由于當(dāng)時(shí)地質(zhì)資料缺乏，人們沒有有效的辦法來驗(yàn)證米蘭科維奇理論。50多年之后，哥倫比亞大學(xué)的Hays等[3]對南印度洋深海鉆孔的數(shù)據(jù)進(jìn)行同位素分析以研究氣候的周期變化，成功識別出地球氣候的10萬年、4萬年和將近2萬年的變化周期，與米蘭科維奇提出的地球軌道參數(shù)的三個(gè)周期幾乎完全吻合。米蘭科維奇的天文冰期理論得到了驗(yàn)證和學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。同時(shí)人們認(rèn)為，米蘭科維奇的地球軌道參數(shù)對地球氣候在1 萬～100 萬年時(shí)間尺度上變化的影響很大。但在氣候年際到百年際的變化中，其影響可忽略不計(jì)。在目前的氣候模式中，地球運(yùn)動(dòng)的較短尺度的變化都被視為不變。但這些假設(shè)是否成立，并無定論[1]。

米蘭科維奇循環(huán)很好地解釋了由地球軌道演變所導(dǎo)致的太陽輻射變化引起的氣候變化。但太陽活動(dòng)本身所導(dǎo)致的太陽輻射變化會(huì)引起地球氣候如何變化？這是本文要重點(diǎn)討論的另外一個(gè)問題。通過對歷史時(shí)期氣候記錄和太陽黑子記錄的統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，太陽活動(dòng)與氣候變化有著很好的相關(guān)性。在大量研究太陽活動(dòng)與氣候相關(guān)性的工作中，較著名的是Eddy 的工作[4]，他指出太陽黑子的斯波勒(Sporer)極小期和蒙德(Maunder)極小期造成了這兩個(gè)時(shí)期全球的“小冰期”事件。

蒙德極小期出現(xiàn)在1650年到1700年(圖2)，這段時(shí)期太陽活動(dòng)非常平靜，幾乎沒有太陽黑子。地球氣候異常寒冷，農(nóng)作物嚴(yán)重減產(chǎn)，很多地方都發(fā)生了饑荒。根據(jù)歷史文獻(xiàn)記載，歐洲出現(xiàn)了反常的低溫。保存至今的一些繪畫作品描繪了蒙德極小期英國泰晤士河和歐洲的景象(圖3)，歐洲大陸冰雪覆蓋，泰晤士河結(jié)了非常厚的冰。那個(gè)時(shí)期中國的氣候也出現(xiàn)異常，異常氣候造成農(nóng)作物歉收和饑荒，導(dǎo)致社會(huì)動(dòng)蕩，在某種程度上助推了明王朝衰亡和最后走向覆滅。溶洞同位素分析得到的反演資料也揭示出溫度和季風(fēng)與蒙德極小期相一致的異常特征。全球氣溫在1600年到1700年經(jīng)歷了非常低的一段時(shí)期[5]。

圖2 過去400年觀測到的太陽黑子數(shù)(引自：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sunspot_Numbers.png)

圖3 繪畫作品中描繪的蒙德極小期英國泰晤士河(左圖)和歐洲(右圖)

事實(shí)上，人類很早就觀察到太陽活動(dòng)的變化。太陽黑子是最重要的太陽活動(dòng)現(xiàn)象之一。對太陽黑子活動(dòng)的記載可以追溯到中國的漢朝，《漢書·五行志》里就記錄下了公元前28年太陽黑子活動(dòng)的現(xiàn)象：成帝河平元年三月乙未，日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央。在伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡之后，人類揭開了用望遠(yuǎn)鏡觀測太陽黑子的序幕，之后對太陽黑子的逐日觀測一直延續(xù)到現(xiàn)在。迄今，人類已經(jīng)積累了將近400年的太陽活動(dòng)觀測資料(圖2)。

如果我們把太陽表面也用經(jīng)緯度來進(jìn)行劃分，可以發(fā)現(xiàn)：太陽黑子在太陽表面由南北兩側(cè)的中緯度地區(qū)開始出現(xiàn)，然后逐漸移動(dòng)到赤道地區(qū)并消失，而新的太陽黑子活動(dòng)又開始在中緯度地區(qū)出現(xiàn)。這個(gè)現(xiàn)象的循環(huán)周期為11年左右。1843年，德國藥劑師、天文學(xué)家施瓦貝(Samuel Heinrich Schwabe，1789—1875)提出太陽黑子存在大約11年周期的變化，并得到科學(xué)界的廣泛接受。因此太陽活動(dòng)的周期也被稱為施瓦貝周期。之后人們規(guī)定，從太陽活動(dòng)處于低谷的1755年開始，定義為太陽活動(dòng)的第一個(gè)周期。2020年開始進(jìn)入第25太陽周，現(xiàn)在正在逐漸地向太陽活動(dòng)比較活躍的時(shí)期演變。

由于太陽總輻射(TSI)在準(zhǔn)11年周期內(nèi)的變化量僅占總輻射量的0.1%，一些學(xué)者認(rèn)為其對近百年全球平均溫度變化的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)[6]。由太陽輻射11年的變化引起的全球溫度熱響應(yīng)相對于“溫室效應(yīng)”確實(shí)為一個(gè)小量，但是，如果考慮到太陽輻射是地球其他能量來源總和的2 500倍，其千分之一的變化仍是一個(gè)不小的擾動(dòng)。同時(shí)，由于云的變化是大氣科學(xué)中具有最大不確定性的過程之一，我們很難否認(rèn)，太陽輻射變化帶來的云量的分布和變化會(huì)直接和間接地對區(qū)域氣候乃至全球大氣環(huán)流產(chǎn)生影響。

在19世紀(jì)初期，赫斯切爾[7](Herschel W.)發(fā)現(xiàn)倫敦的小麥價(jià)格與太陽黑子數(shù)的變化有非常密切的關(guān)系。通過進(jìn)一步的分析，他指出，這種關(guān)系反映了太陽黑子變化對降水的影響。此后，人們不斷觀測到太陽活動(dòng)與區(qū)域氣候的聯(lián)系。最近，Meehl等[8]分析了熱帶和副熱帶太平洋晴空區(qū)的太陽輻射狀況，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域的太陽輻射強(qiáng)迫比其他地區(qū)要大一個(gè)量級。Shaviv[9]分析了能量收支，結(jié)果發(fā)現(xiàn)海洋中存在很強(qiáng)的太陽信號，比太陽總輻射周期強(qiáng)迫引起的變化大5～7倍。再如，在一個(gè)太陽活動(dòng)周期內(nèi)紫外波段的變化量雖然僅約為6%，但其引起的赤道平流層頂溫度的變化會(huì)達(dá)到1～2 K[10]，而平流層頂?shù)臏囟犬惓？赏ㄟ^平流層和對流層的耦合作用向下傳播[11-12]，進(jìn)而可能影響到對流層的氣候。

由上述可見，地球氣候在某些敏感區(qū)對太陽活動(dòng)變化具有特殊的響應(yīng)，使得太陽活動(dòng)的影響被放大并傳播，進(jìn)而有可能影響全球氣候和氣候變化。因此，探尋太陽活動(dòng)變化影響地球氣候的關(guān)鍵途徑和敏感區(qū)域，具有重要的意義。

2 太陽活動(dòng)變化對氣候影響的因子和途徑

萬億年以來，太陽持續(xù)不斷地向地球和宇宙空間發(fā)送著巨大的光和熱，人類對太陽的慷慨和恒久充滿敬畏和崇拜，稱之為恒星。而事實(shí)上，太陽的恒定和寧靜是相對的，太陽的劇烈變化包含著多種時(shí)間尺度的“暴風(fēng)驟雨”，有太陽風(fēng)等遍布全日面的比較緩慢的活動(dòng)，也有黑子、日珥(暗條)、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等太陽上局部區(qū)域內(nèi)變化較快的活動(dòng)。由于太陽的等離子體特征，太陽大氣經(jīng)常出現(xiàn)的一些爆發(fā)活動(dòng)，本質(zhì)是磁大氣活動(dòng)，其中黑子數(shù)變化是人類最早認(rèn)識和描述太陽磁活動(dòng)的基本參量。此外，太陽總輻射、10.7 cm射電流量、Mg-II 指數(shù)、開放太陽磁通量、宇宙線以及地磁活動(dòng)指數(shù)等也是太陽周期的特性(圖4)，它們與太陽黑子活動(dòng)周期有很強(qiáng)的相關(guān)性[13]。

圖4 表征太陽活動(dòng)的相關(guān)指數(shù)[13]

通常可以將太陽影響氣候的關(guān)鍵因子分為兩類：第一類是輻射效應(yīng)因子，可以用太陽總輻射(TSI)、太陽F10.7 cm射電流量、紫外線和太陽黑子(SSN)表征，這一類因子的變化均具有準(zhǔn)11年周期；第二類是高能粒子因子，可以用太陽風(fēng)和宇宙射線表征。

TSI是指地球大氣層頂接收到的太陽輻射能。在沒有衛(wèi)星觀測之前，TSI的測量在地面進(jìn)行，科學(xué)家普遍認(rèn)為它是一個(gè)常量(約 1 367 W/m2)，因而也稱其為“太陽常數(shù)”[14-16]。但也有少數(shù)科學(xué)家根據(jù)一些間接資料推測，TSI 可能隨太陽黑子等太陽活動(dòng)而發(fā)生變化[4]。1978 年開始衛(wèi)星觀測后，TSI 觀測的精確度大大提升，科學(xué)家精確定量給出了TSI的11年準(zhǔn)周期振蕩特征[17]，其中太陽活動(dòng)極大年(峰年)與太陽活動(dòng)極小年(谷年)之間的TSI相差約1 W/m2。

準(zhǔn)11年的太陽活動(dòng)周期是年代際尺度上最重要的太陽活動(dòng)變化。通常所說的太陽周就是指太陽活動(dòng)(太陽輻射、高能粒子等)和表象(黑子數(shù)、耀斑等)的平均11年左右(通常在9～13.6年)的周期變化，也稱太陽磁活動(dòng)周或 Schwabe輻射周期[18]。剛剛過去的第23、24太陽周與之前的幾個(gè)太陽周相比，持續(xù)時(shí)間較長，達(dá)到12年左右，是近100年來周期最長的太陽周。太陽周周期長反映太陽活動(dòng)弱，在太陽周低值時(shí)期的2008年8月到 2010年3月，無黑子日數(shù)已達(dá)780天，這是1913年以來第15～22太陽周將近100年所未出現(xiàn)過的[19]。而在第24太陽周峰值年的2014年，全年太陽黑子數(shù)為113，是1913年以來峰值最低的一個(gè)太陽周。

但迄今為止，太陽活動(dòng)的變化通過哪些過程影響地球氣候，我們?nèi)圆皇智宄v次IPCC的研究報(bào)告均指出，人類對太陽活動(dòng)變化影響氣候的認(rèn)知還不夠，僅僅是中等可信度的水平[20]。圖5給出了太陽活動(dòng)變化影響氣候的一些可能途徑[21-22]。從圖中可以看到，我們最熟悉的是直接的輻射，這是我們熟知和確認(rèn)的影響途徑。第二個(gè)是紫外線影響途徑。紫外線通過加熱臭氧層，進(jìn)而會(huì)影響平流層的大氣環(huán)流變化。但是如何影響對流層我們還不完全清楚，在圖中用虛線來表示。第三是宇宙射線等高能粒子機(jī)制。一般認(rèn)為，太陽風(fēng)、宇宙射線等高能粒子會(huì)對云過程產(chǎn)生影響，主要有兩種可能的影響途徑：一種是通過增加云的凝結(jié)核影響云滴的生成，另一種是影響云滴的增長效率。由于云過程復(fù)雜的反饋?zhàn)饔茫@一途徑可能會(huì)對大氣環(huán)流造成非線性的放大影響，但在機(jī)制上我們基本還不清楚。第四是更為復(fù)雜的通過地球磁場的影響途徑。太陽活動(dòng)和地球磁場是密切相關(guān)的，太陽風(fēng)的活動(dòng)和地球磁場具有很強(qiáng)的鎖定關(guān)系。但地球磁場的變化是否會(huì)通過地球電磁場的焦耳加熱作用影響地球自轉(zhuǎn)，并進(jìn)而影響大氣環(huán)流和大氣角動(dòng)量，其作用機(jī)制我們現(xiàn)在完全不清楚。

圖5 太陽活動(dòng)影響地球氣候的多種可能途徑(虛線代表機(jī)制尚不確定)[22]

太陽風(fēng)的影響途徑在最近10年得到廣泛的關(guān)注。人們在天氣和氣候尺度上的分析發(fā)現(xiàn)，太陽風(fēng)對大氣環(huán)流有重要影響[23-25]。例如，太陽風(fēng)在天氣尺度上對北大西洋氣壓和渦旋擾動(dòng)具有明顯的影響，在氣候尺度上太陽風(fēng)與北大西洋的海溫、地面氣壓都有密切的聯(lián)系。最近另外一個(gè)有意思的研究進(jìn)展是宇宙射線和云的聯(lián)系。近年來，人們提出了宇宙射線通過大氣電場對云微物理過程產(chǎn)生作用的機(jī)制[26-29]。通過理論研究和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受到太陽活動(dòng)調(diào)制的宇宙射線可能通過大氣電場對云滴的碰并效率產(chǎn)生影響[30-31]，從而影響云的形成過程和區(qū)域降水[32]。如果能夠證實(shí)這個(gè)影響途徑在天氣尺度和季節(jié)尺度上都有顯著效應(yīng)，將會(huì)極大地改變?nèi)祟悓Υ髿馕锢磉^程的認(rèn)識。

綜上所述，太陽活動(dòng)變化的輻射加熱作用，可能只是太陽影響地球氣候全貌的冰山一角。太陽活動(dòng)變化對氣候的影響可能還有很多我們并不清楚的途徑，需要進(jìn)一步去探索和揭示。正因?yàn)槿绱?，太陽活?dòng)變化與全球氣候變化的關(guān)系已經(jīng)成為多學(xué)科交叉研究的一個(gè)前沿和熱點(diǎn)問題。

3 太陽活動(dòng)變化影響氣候的空間選擇性

由于地球氣候系統(tǒng)的復(fù)雜性，太陽活動(dòng)變化作為地球氣候的外源強(qiáng)迫信號，并不具有全球一致性。研究者通過對太陽活動(dòng)影響地球氣候的關(guān)鍵因子及其可能的作用途徑進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，揭示了太陽活動(dòng)變化對地球氣候的影響具有明顯的時(shí)空選擇性[33]，即在某些區(qū)域存在對太陽活動(dòng)變化的強(qiáng)信號或者放大過程[34-35]。最近的研究結(jié)果初步證實(shí)，極地亞極光帶、熱帶太平洋地區(qū)和季風(fēng)活動(dòng)區(qū)域可能是太陽活動(dòng)變化影響的敏感區(qū)和信號的傳播通道[23,36-38]。

3.1 太平洋熱帶赤道地區(qū)氣候系統(tǒng)對太陽活動(dòng)變化的響應(yīng)

早在1997年，White等[39]就發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋的溫度變化與太陽總輻射變化具有鎖相特征，但溫度異常的暖位相往往滯后于太陽活動(dòng)的峰值年1～3年。此后很多研究揭示了熱帶太平洋對太陽輻射強(qiáng)迫的響應(yīng)模態(tài)類似于ENSO-like[40-41]海溫型，這種響應(yīng)使得太陽活動(dòng)高值年的海洋溫度為正異常[36,42]，并對該地區(qū)的區(qū)域氣候模態(tài)存在調(diào)制作用[43-44]。 Misios和Schmidt[45]的研究工作進(jìn)一步指出，赤道西太平洋的深對流區(qū)向東移動(dòng)是獨(dú)立于海氣耦合作用的準(zhǔn)11年周期活動(dòng)。Xiao等[38]最近的研究分析了太平洋赤道熱帶地區(qū)對流活動(dòng)與太陽活動(dòng)變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在太陽活動(dòng)高值年(峰值年及之后兩年)的北半球夏季，西太平洋對流活動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)偶極異常模態(tài)，而這個(gè)西太平洋的對流活動(dòng)偶極模態(tài)是獨(dú)立于ENSO信號的。在太陽峰值年后，這個(gè)偶極模態(tài)將使西太平洋深對流區(qū)向東移動(dòng)，Walker環(huán)流的上升支也隨之異常東移。與此同時(shí)，赤道西太平洋出現(xiàn)異常西風(fēng)，導(dǎo)致海表面溫度異常的滯后響應(yīng)。Huo和Xiao[46]利用包含太陽周期變化自然變率的CMIP5模式氣候模擬的集合結(jié)果對此進(jìn)行了分析，模式結(jié)果驗(yàn)證了太陽活動(dòng)變化對太平洋熱帶地區(qū)有明顯的影響。他們還進(jìn)一步指出與太陽活動(dòng)相聯(lián)系的海溫模態(tài)有助于El Nino Modoki事件的發(fā)生[47]。此外，太陽活動(dòng)變化對平流層臭氧機(jī)制的化學(xué)作用過程，也會(huì)“自上而下”地影響到赤道熱帶地區(qū)對流層的大氣環(huán)流，而且在太平洋熱帶地區(qū)這種影響是顯著的[48]。

太陽輻射變化的信號不僅存在于海洋表面，也存在于海洋深處。Wang等[49]在太平洋上層海洋熱含量中檢測到太陽信號，發(fā)現(xiàn)熱帶中太平洋和熱帶西太平洋區(qū)域海洋熱含量異常存在明顯的準(zhǔn)十年變率，但是二者的位相是不同的。Huo等[46]從太陽活動(dòng)周期位相的角度，對太陽輻射增加的上升時(shí)段(正相位)和太陽輻射減少的下降時(shí)段(負(fù)相位)所對應(yīng)的熱帶太平洋的海洋熱含量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)海洋熱含量對太陽活動(dòng)的響應(yīng)在熱帶中東太平洋和熱帶西太平洋存在顯著的反相特征(圖6)。在太陽輻射增加的上升相位，熱帶中東太平洋海洋熱容量為負(fù)異常，熱帶西太平洋海洋熱容量為正異常；太陽輻射處于減少的下降相位時(shí)則與此相反。因此，熱帶太平洋地區(qū)熱含量的異常與太陽活動(dòng)位相具有鎖相特征，其中熱帶中東太平洋與西太平洋的熱含量異常呈反相位的相關(guān)關(guān)系。

圖6 在太陽總輻射上升(上圖)和下降(下圖)周期兩個(gè)不同階段海洋熱容量(OHC)異常的空間部分。打黑點(diǎn)的區(qū)域超過95%顯著性水平(學(xué)生檢驗(yàn))[47]

Huo等[50]進(jìn)一步用多個(gè)模式模擬的結(jié)果驗(yàn)證了熱帶太平洋對太陽輻射變化的響應(yīng)。Li等[51]的研究也表明，太陽活動(dòng)的變化會(huì)產(chǎn)生赤道地區(qū)上空臭氧的加熱異常和西太平洋上空的對流活動(dòng)異常，并通過該地區(qū)的Hadley局地環(huán)流影響太平洋副熱帶急流的強(qiáng)弱，從而調(diào)控中高緯度大氣環(huán)流異常。因此，太平洋熱帶地區(qū)是太陽活動(dòng)變化影響氣候系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。

3.2 太陽活動(dòng)變化對極地和熱帶外中高緯度地區(qū)的影響

人們很早就注意到，北極高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流與太陽活動(dòng)變化有密切的聯(lián)系。近來的研究表明，太陽風(fēng)對平流層和對流層大氣均有重要的影響，并主要集中在極地高緯度地區(qū)。一方面，受太陽風(fēng)變化調(diào)控的太陽高能粒子沉降對中高層臭氧總含量有顯著的影響，臭氧的異常加熱通過改變中高層大氣環(huán)流異常進(jìn)而影響對流層高緯度地區(qū)氣候；另一方面，太陽風(fēng)在亞極光地區(qū)也能直接作用于對流層低層大氣?；诓煌臅r(shí)間尺度和分辨率的觀測資料分析，人們發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)速度在天氣、季節(jié)和年際尺度上均與北極濤動(dòng)(AO)和北大西洋濤動(dòng)(NAO)有密切的聯(lián)系[23,52]，并能顯著引起北大西洋的海溫異常。Xiao等[25]的研究也驗(yàn)證了北大西洋三極海溫模態(tài)與太陽風(fēng)速度的密切聯(lián)系(圖7)。在天氣尺度上，強(qiáng)太陽風(fēng)變化直接作用于大氣對流層，對冰島低壓有明顯的加強(qiáng)作用，這種作用有可能是通過現(xiàn)在尚不完全清楚的云過程機(jī)制實(shí)現(xiàn)的；同時(shí)，隨太陽風(fēng)速度變化的高能粒子沉降使極地平流層臭氧量減少，并通過臭氧加熱機(jī)制改變平流層溫度梯度，進(jìn)而影響平流層大氣環(huán)流，并通過與對流層的耦合作用將太陽活動(dòng)變化的影響信號下傳至對流層。以上兩種作用，都有利于北大西洋對流層中高緯地區(qū)的西風(fēng)加強(qiáng)，冰島低壓加深，亞速爾高壓加強(qiáng)，最終影響北大西洋濤動(dòng)，在北大西洋呈現(xiàn)三極型異常海溫分布。

圖7 冬季標(biāo)準(zhǔn)化太陽風(fēng)風(fēng)速與回歸海溫場的相關(guān)系數(shù)?；貧w場在北大西洋區(qū)域(5°～75°N，100°W～15°E)能夠解釋總方差的26.7%。打黑點(diǎn)的區(qū)域超過95%顯著性檢驗(yàn)水平

分析太陽活動(dòng)異常信號從平流層到對流層的傳播，我們可以注意到，太陽活動(dòng)信號與緯向西風(fēng)有較好的關(guān)系，尤其在緯向西風(fēng)的大值區(qū)具有顯著相關(guān)關(guān)系。通過對中高緯度大氣系統(tǒng)的普查，Li等[53]發(fā)現(xiàn)，北太平洋副熱帶急流(200 hPa緯向風(fēng))經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)的第二模態(tài)表征了急流強(qiáng)度的變化，并具有明顯的準(zhǔn)11年周期變化特征。觀測資料的分析表明(圖8)，冬季印太副熱帶急流中心強(qiáng)度(實(shí)線)、冬季亞太200 hPa緯向風(fēng)EOF分析的第二模態(tài)(虛線)和太陽黑子數(shù)(陰影)的時(shí)間序列演變呈現(xiàn)顯著關(guān)聯(lián)。在太陽活動(dòng)強(qiáng)烈的冬季，北太平洋副熱帶急流較弱。反之較強(qiáng)。

圖8 ERA-Interim (1980—2015)、NCEP/NCAR (1949—2015)和ERA-20C (1901—2010)不同資料分析得出的冬季印太副熱帶急流中心強(qiáng)度(實(shí)線)、冬季亞太200 hPa緯向風(fēng)EOF分析的第二模態(tài)(虛線)和太陽黑子數(shù)(陰影)的時(shí)間序列演變

進(jìn)一步的研究表明，太陽活動(dòng)變化影響亞太副熱帶急流的強(qiáng)度也存在兩種路徑：一種通過熱帶臭氧加熱影響熱帶對流活動(dòng)，并通過經(jīng)圈環(huán)流間接地影響急流；另一種主要是通過太陽活動(dòng)引起的平流層西風(fēng)異常來實(shí)現(xiàn)的[54]。平流層大氣除了直接的輻射加熱效應(yīng)外，紫外輻射與臭氧之間的光化學(xué)反應(yīng)將增加臭氧含量，形成正反饋機(jī)制影響平流層溫度梯度的變化，進(jìn)而引起平流層上層緯向風(fēng)異常。異常緯向西風(fēng)中的太陽信號通過平對流層耦合向極向下傳播[48,55-57]，最終“自上而下”地引起極地和高緯度低層大氣環(huán)流異常。值得注意的是，太陽活動(dòng)對極區(qū)的影響受到平流層QBO(quasi-biennial oscillation)的調(diào)控，在太陽活動(dòng)高值年且QBO西風(fēng)位相時(shí)，北半球冬季極區(qū)趨于溫度正異常[58-59]。

由于在極地存在明顯的平流層和對流層的相互作用，太陽活動(dòng)對極區(qū)和高緯度地區(qū)的影響更為顯著。太陽活動(dòng)高值年，北極濤動(dòng)活動(dòng)顯著增強(qiáng)，在平流層頂具有明顯的半球環(huán)狀模結(jié)構(gòu)[60-61]。氣壓場中的北大西洋濤動(dòng)的信號在太陽活動(dòng)低值年冬季，主要局限于北大西洋，而在太陽活動(dòng)高值年的冬季則延伸到整個(gè)北半球，尤其是極區(qū)和歐亞大陸[62]。太陽活動(dòng)變化通過大氣急流區(qū)平流層和對流層的密切關(guān)系，也可以調(diào)制全球氣候的其他遙相關(guān)過程。Li等[51]通過分析太陽活動(dòng)對ENSO和PNA的影響指出(圖9)：在太陽活動(dòng)偏強(qiáng)的時(shí)期，ENSO與PNA的關(guān)系得到加強(qiáng)，強(qiáng)太陽活動(dòng)能夠放大暖ENSO事件對北太平洋副熱帶西風(fēng)急流的影響效應(yīng)，出現(xiàn)顯著增強(qiáng)的PNA波列，急流東移和增強(qiáng)，并使PNA-like波列向北美的傳播加強(qiáng)；而在太陽活動(dòng)偏弱的時(shí)期，PNA與Nino3.4海溫的關(guān)系是減弱的，響應(yīng)區(qū)域主要位于加拿大中部、北太平洋至美國南部一帶，形勢與AO負(fù)相位類似。太陽活動(dòng)變化對NAO、AO和PNA等大氣遙相關(guān)型的影響盡管較弱，但其影響的過程呈現(xiàn)多時(shí)間尺度相互作用的非線性特征，是一個(gè)不容忽視的問題。近年來，氣候增暖的背景并沒有改變，但在中高緯度地區(qū)的冬季頻繁發(fā)生極端寒冷事件，不少人將之歸結(jié)為AO的負(fù)相位的影響。第23、24太陽周太陽活動(dòng)趨于異常平靜，太陽活動(dòng)的變化對冬季大氣環(huán)流的異常有什么樣的影響，其影響的過程和機(jī)制如何，需要今后開展更加深入的研究。

圖9 (a)高太陽活動(dòng)暖異常ENSO年；(b)高太陽活動(dòng)冷異常ENSO年500 hPa位勢高度異常場。單位：gpm，打點(diǎn)區(qū)域超過95%顯著性檢驗(yàn)水平

3.3 太陽活動(dòng)變化對季風(fēng)活動(dòng)的影響

除了在熱帶赤道地區(qū)、極地和急流區(qū)可以發(fā)現(xiàn)有較強(qiáng)的太陽活動(dòng)信號以外，在東亞季風(fēng)活動(dòng)區(qū)也可以檢測到顯著的太陽信號。王瑞麗和肖子牛等[63]分析了太陽活動(dòng)變化與東亞大槽強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在東亞冬季風(fēng)活動(dòng)中存在明確的太陽活動(dòng)信號。在太陽活動(dòng)高值年，東亞大槽、西伯利亞高壓等冬季風(fēng)系統(tǒng)成員顯著偏弱，東亞地區(qū)氣溫偏高，東亞冬季風(fēng)偏弱。但分析研究同時(shí)顯示，太陽輻射變化對東亞冬季風(fēng)的影響具有很強(qiáng)的非對稱性，在太陽輻射較弱的時(shí)期其相關(guān)關(guān)系較弱。因此，太陽活動(dòng)的影響具有非對稱性，在太陽活動(dòng)高值年和低值年不同，在不同太陽活動(dòng)相位產(chǎn)生的影響也存在差別[64]。

東亞夏季風(fēng)受到多種因素的影響，太陽信號的影響比較弱，但我們?nèi)匀荒茉诩撅L(fēng)區(qū)一些特殊的地域和環(huán)節(jié)檢測到太陽信號。潘靜等[65]的研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)太陽活動(dòng)年，華北平原和東北南部地區(qū)少雨，西北地區(qū)卻多雨，反之亦然。太陽活動(dòng)信號主要存在于東亞夏季風(fēng)的邊緣地域。Wang和Zhao[66-67]利用多種統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行檢測分析，發(fā)現(xiàn)東亞夏季風(fēng)對太陽活動(dòng)響應(yīng)的敏感時(shí)期是東亞廣義梅雨期。在太陽活動(dòng)高值年，東亞梅雨雨帶比低值年偏北1.2個(gè)緯度，季風(fēng)控制范圍偏大，季風(fēng)邊界位置的南北擺動(dòng)具有準(zhǔn)11年的周期(圖10)。因此我們可以看到，太陽活動(dòng)變化的信號體現(xiàn)為東亞夏季風(fēng)主要強(qiáng)雨帶的位置變化，以及季風(fēng)活動(dòng)邊緣地區(qū)位置和雨量的變化。

圖10 太陽黑子數(shù)(陰影)、東亞梅雨雨帶緯度(點(diǎn)線)及其8年以上低頻信號(粗實(shí)線)的時(shí)間序列[67]

4 討論和展望

自20世紀(jì)80年代以來，全球溫度的急劇上升引起了科學(xué)界、政府和社會(huì)公眾的廣泛重視，全球氣候變化成為人類最重要的科學(xué)議題之一。雖然我們已經(jīng)確認(rèn)，人類活動(dòng)引起的溫室氣體濃度上升是現(xiàn)代全球氣溫顯著升高的主要原因，但太陽活動(dòng)等自然因子對全球氣候變化的貢獻(xiàn)大小尚存在爭議。21世紀(jì)以來，一些研究工作旨在進(jìn)一步全面認(rèn)識太陽活動(dòng)變化對氣候的影響機(jī)制，探究在氣候系統(tǒng)是否存在對太陽活動(dòng)關(guān)鍵因子的敏感區(qū)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文總結(jié)梳理了目前太陽活動(dòng)影響氣候的部分最新研究進(jìn)展，指出極地、赤道熱帶海洋、中緯度急流區(qū)和季風(fēng)活動(dòng)的邊緣區(qū)可能是氣候系統(tǒng)對太陽活動(dòng)信號的敏感區(qū)域。

雖然太陽活動(dòng)變化對天氣氣候的影響機(jī)制目前尚不完全清楚，但從最近的研究進(jìn)展可以看到，除了通過臭氧的化學(xué)過程、輻射直接加熱過程外，太陽風(fēng)高能粒子的作用和太陽活動(dòng)調(diào)制的高能粒子通過大氣電場對云微物理過程的影響，可能是太陽影響地球氣候重要的新機(jī)制。另外，太陽風(fēng)對地球磁場具有重要的調(diào)制作用，而地球磁場的變化、地幔運(yùn)動(dòng)焦耳加熱很可能也對地球氣候有重要的影響。這一領(lǐng)域還有待更多深入的分析研究工作。