太陽(yáng)活動(dòng)變化及其對(duì)地球氣候的影響值得關(guān)注

李崇銀

（1 解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029）

太陽(yáng)活動(dòng)變化及其對(duì)地球氣候的影響值得關(guān)注

李崇銀1,2

（1 解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101；2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029）

太陽(yáng)活動(dòng)與地球氣候有密切關(guān)系，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響一直為科學(xué)界所關(guān)注，過去已從各個(gè)角度進(jìn)行了一系列研究，但其影響機(jī)制比較復(fù)雜，迄今為止很多問題還不是很清楚。概要總結(jié)了近年來國(guó)際上的一些研究分析結(jié)果和觀點(diǎn)，歸納了太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的可能機(jī)制和途徑。

太陽(yáng)活動(dòng)，地球氣候，影響機(jī)制

1 前言

近幾年不斷有人根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，十幾年來全球溫度沒有進(jìn)一步加劇上升，甚至有人認(rèn)為全球溫度基本穩(wěn)定，沒有明顯上升。例如，2011年美國(guó)伯克利地面溫度（Berkeley Earth Surface Temperature，BEST）計(jì)劃就指出，全球溫度異常自1998年之后沒有明顯增大，而且近幾年有下降的趨勢(shì)，然而同時(shí)期大氣中CO2的含量卻一直在增加。同時(shí)，美國(guó)NOAA衛(wèi)星觀測(cè)所得到的北半球?qū)α鲗拥讓悠骄鶞囟荣Y料（1979—2011年）也表明，自20世紀(jì)以來溫度基本沒有持續(xù)增暖的情況。中國(guó)溫度變化的情況與全球的情形基本一樣，圖1是基于中國(guó)700多個(gè)觀測(cè)站資料，通過均一化處理得到的年平均溫度的時(shí)間變化。不難看到，年平均溫度、年平均最高和最低溫度都在20世紀(jì)80年代之后有十分明顯的上升，但從90年代后期開始增溫已不明顯，基本處于振蕩起伏的變化狀態(tài)。

這里就出現(xiàn)一個(gè)十分值得注意的問題，即大氣中CO2的含量增加并沒有導(dǎo)致近期全球溫度的持續(xù)增加。這至少說明：除大氣中CO2的含量增加通過加劇溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球溫度增高之外，還應(yīng)存在其他物理過程，對(duì)全球溫度變化產(chǎn)生重要影響。那么究竟是什么因素會(huì)對(duì)全球溫度變化存在重要影響呢？這是值得我們深入思考和研究的問題。

2 近期太陽(yáng)活動(dòng)的變化情況及趨勢(shì)

作為大氣和海洋運(yùn)動(dòng)能量基本來源的太陽(yáng)，無疑在大氣、海洋等系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和變化中起著重要的作用。事實(shí)上，太陽(yáng)活動(dòng)與地球氣候的關(guān)系及其影響

也一直為科學(xué)界所關(guān)注，過去已從各個(gè)角度進(jìn)行了一系列研究[2-9]。而近些年的觀測(cè)表明，太陽(yáng)總輻照度（TSI）曾經(jīng)出現(xiàn)了明顯的減小。圖2是俄羅斯國(guó)家天文臺(tái)TSI觀測(cè)值的時(shí)間變化，顯然，自1990年以來TSI的數(shù)值有明顯減小趨勢(shì)。觀測(cè)表明，太陽(yáng)活動(dòng)第22周的平均TSI為1365.99W·m－2，而第23周的平均TSI卻為1365.82W·m－2。

圖1 中國(guó)年平均溫度（紅線）、年平均最高溫度（藍(lán)線）和年平均最低溫度（綠線）的時(shí)間變化[1]

俄羅斯科學(xué)家還同時(shí)對(duì)未來幾十年太陽(yáng)活動(dòng)的變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，圖3是他們給出的太陽(yáng)活動(dòng)第24至26周太陽(yáng)TSI和黑子數(shù)的演變情景。根據(jù)他們的模型計(jì)算，近期TSI的降低導(dǎo)致地球吸收的太陽(yáng)能減少，地球能量收支平衡被打破，地球溫度下降，地表反射增強(qiáng)。同時(shí)，這種反饋效應(yīng)的連續(xù)鏈，會(huì)導(dǎo)致地球溫度降低超過TSI減少帶來的影響。因此，他們認(rèn)為在2040—2050年期間，太陽(yáng)TSI和黑子數(shù)都將達(dá)到一個(gè)相對(duì)的小值，全球氣候會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的小冰期。

美國(guó)西華盛頓大學(xué)的Easterbrook[11]依據(jù)各種數(shù)據(jù)（冰芯、太陽(yáng)黑子等）的綜合分析，也認(rèn)為未來一段時(shí)間地球氣溫趨冷的可能性比較大，圖4是他給出的一張預(yù)測(cè)圖。

圖2 1978—2011年太陽(yáng)總輻照度（TSI）的變化及其自1990年以來的虧值[10]

圖3 1978-2011年期間TSI和太陽(yáng)活動(dòng)（黑子）的變化以及它們?cè)?4—26周（至2045年）的變化預(yù)測(cè)[10]

很顯然，這些俄、美等國(guó)科學(xué)家關(guān)于未來氣候變化趨勢(shì)的觀點(diǎn)，與IPCC的結(jié)論是大相徑庭的。如何對(duì)待這些不同觀點(diǎn)，需要我們開展研究，才能有科學(xué)的判斷，這對(duì)于國(guó)家的決策也是十分重要的。一方面，我們要繼續(xù)堅(jiān)持節(jié)能減排國(guó)策，改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，使我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展，與國(guó)際社會(huì)一道應(yīng)對(duì)以全球增暖為代表的全球變化挑戰(zhàn)。另一方面，我們也要關(guān)注太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候變化的問題，開展必要的科學(xué)研究，從多種角度全面認(rèn)識(shí)氣候變化，準(zhǔn)備多個(gè)應(yīng)對(duì)氣候變化的預(yù)案。

3 太陽(yáng)活動(dòng)影響氣候變化的途徑

通過一系列的分析研究，在關(guān)于太陽(yáng)活動(dòng)影響天氣氣候變化方面學(xué)術(shù)界已有了一些初步看法，但尚未形成完整的理論。歸納起來，可以將它們概括為直接影響和間接影響，具體有如下幾種可能途徑（圖5）：

（1）太陽(yáng)活動(dòng)→太陽(yáng)輻射量→地表溫度→大氣環(huán)流→天氣氣候變化。這是最直接的方式[13]，但由于太陽(yáng)輻射量的改變不大，如何通過非線性放大過程而對(duì)全球氣候發(fā)生影響，是一個(gè)需要深入研究的問題。

（2）太陽(yáng)活動(dòng)（特別是宇宙線加強(qiáng)）→地球大氣電離程度→大氣經(jīng)圈環(huán)流→天氣氣候變化。一些觀測(cè)研究已表明，在太陽(yáng)黑子的高峰期，地球大氣的電離程度比較強(qiáng)，尤其是在高緯度地區(qū)。這樣，在電磁場(chǎng)的作用下，高緯度大氣電離化的增強(qiáng)將導(dǎo)致高緯度地區(qū)大氣直接經(jīng)圈環(huán)流的加強(qiáng)。經(jīng)圈環(huán)流的加強(qiáng)，將使空氣的南北交換加強(qiáng)，大氣活動(dòng)中心會(huì)明顯增強(qiáng)，全球的降水量也可能增多[14]。同時(shí)，大氣電離程度的變化還必然引起高層大氣中離子含量的改變，高離子含量的空氣被帶到對(duì)流層，可能影響到云和降水過

程，一般也將有利于降水[15]。

圖4 未來到2040年前地球氣溫變化預(yù)測(cè)[11]。預(yù)測(cè)有3種可能出現(xiàn)的情況：類似1945—1977年的冷卻，類似1880—1915年的冷卻和類似道爾頓極小期（1790—1820年）的冷卻。類似蒙德極小期的冷卻是道爾頓曲線的延伸

（3）太陽(yáng)活動(dòng)→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→天氣氣候。衛(wèi)星觀測(cè)表明，平流層上層的臭氧混合比與太陽(yáng)輻射加熱有明顯的正相關(guān)[16-18]，太陽(yáng)輻射加熱強(qiáng)，在2hPa高度處的臭氧混合比就高。在這樣的情形下，太陽(yáng)活動(dòng)（太陽(yáng)黑子）所引起的輻射量（尤其是紫外輻射）的增加將使得平流層的臭氧量及其分布發(fā)生變化，從而引起平流層熱狀況的變化。平流層熱狀況的變化必將引起平流層溫度場(chǎng)的變化，平流層大氣環(huán)流亦將發(fā)生變化，進(jìn)而通過行星波的異常影響對(duì)流層大氣環(huán)流的改變，最終引起天氣氣候的變化。

（4）太陽(yáng)活動(dòng)→地球磁場(chǎng)→地球自轉(zhuǎn)速度（或地磁能量）→大氣和海洋環(huán)流→天氣氣候。這是一種間接影響過程，目前國(guó)內(nèi)外研究很少。太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)引起地球磁場(chǎng)的變化，是已知的事實(shí)；而地磁場(chǎng)的變化如何引起地殼內(nèi)部磁流體（熔漿）運(yùn)動(dòng)的改變尚不是很清楚。已經(jīng)知道地球外核是以鐵鎳為主要成分的熔融態(tài)合金，其粘滯度近似于水，也可視為磁流體。地球磁場(chǎng)的變化將引起地球外核流動(dòng)的改變，而外核流動(dòng)的改變通過核幔耦合作用，包括電磁耦合、粘性耦合、熱力耦合和地形耦合等過程，又將對(duì)地幔產(chǎn)生影響[19-23]，然后又引起地球自轉(zhuǎn)速度（日長(zhǎng)）的變化[24-25]。地球自轉(zhuǎn)速度的變化，通過地球與大氣和海洋的角動(dòng)量交換將引起大氣環(huán)流和海洋環(huán)流的變化，最終影響天氣氣候。同時(shí)，地磁場(chǎng)的變化也將引起核幔邊界上地磁能量（焦耳能）的改變[26-27]，這種能量通過一定的方式傳到地面也可以影響氣候變化。

需要特別指出，以上提到的太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候影響的幾種可能途經(jīng)，每個(gè)都還需要進(jìn)行深入研究，才能揭示出確切的物理過程和機(jī)制。

圖5 太陽(yáng)活動(dòng)影響地球氣候的可能途經(jīng)示意圖[12]

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More Attention Should Be Paid to the Variability in Solar Activity and Its Impact on the Earth’s Climate

Li Chongyin1,2
(1 Institute of Meteorology and Oceanography, PLA University of Science and Technology, Nanjing 211101 2 Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

The variability in solar activity is closely related to that in the climate. The inf l uence of solar activity on the Earth’s climate and climate variation has always been the focus in the scientif i c community. Although series of studies from different angles have been carried out in the past years, there are still many questions concerning the complex inf l uencing mechanisms unclear so far. This paper summarizes some international research results and perspectives in recent years, and it further generalized the possible mechanisms and pathways of the impact of solar activity on the Earth’s climate.

solar activity, Earth climate, inf l uencing mechanisms

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.001

2014年1月13日；

2014年2月26日

作者：李崇銀（1940—），Email: lcy@lasg.iap.ac.cn

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