天氣氣候中太陽活動信號的敏感區(qū)域

王瑞麗肖子牛趙亮周立旻張慶云

（1 中國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）

天氣氣候中太陽活動信號的敏感區(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）

太陽活動是地球氣候形成的重要驅(qū)動因子，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柣顒幼兓捻憫?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柣顒痈用舾?。主要介紹了對太陽活動變化特別敏感的三個響應(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活動變化的聯(lián)系。從不同的時間尺度上總結(jié)了太陽活動對極地—北大西洋區(qū)域的影響事實(shí)和可能機(jī)制，指出了太陽活動對云微物理過程/平流層—對流層耦合的調(diào)制在其中扮演重要角色，回顧了熱帶地區(qū)對流活動、海表溫度以及ENSO循環(huán)中明顯的太陽活動信號，歸納了亞洲季風(fēng)系統(tǒng)活動的邊緣地區(qū)變率對太陽活動的響應(yīng)。最后提出了未來關(guān)于天氣氣候中太陽活動信號的敏感區(qū)域研究中需要關(guān)注的一些科學(xué)問題。

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

1 引言

太陽是一顆基本穩(wěn)定的恒星，但同時，觀測事實(shí)[1-4]也表明它一直處于變化中，即存在“太陽活動”。太陽活動是太陽大氣層中一切活動現(xiàn)象的總稱，主要包括太陽黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。作為太陽系唯一的恒星，太陽是地球氣候系統(tǒng)主要的能量來源，太陽活動對地球天氣氣候變化的影響一直廣受關(guān)注[5-8]。長久以來，人們對太陽活動和地球氣候的關(guān)系開展了大量研究，揭示了太陽活動影響天氣氣候變化的大量事實(shí)[8-10]。與此同時，人們注意到太陽活動對地球氣候系統(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)雜的反饋過程有關(guān)[12]。

近年來，人們分析發(fā)現(xiàn)，地球氣候系統(tǒng)對太陽活動的響應(yīng)在極地—北大西洋、熱帶以及季風(fēng)活動區(qū)域相當(dāng)明顯，這三個區(qū)域即我們關(guān)注的太陽活動響應(yīng)敏感區(qū)。太陽活動信號與北大西洋濤動（North Atlantic Oscillation，NAO）和北極濤動（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，來自宇宙的高能帶電粒子會在這里發(fā)生復(fù)雜的物理及化學(xué)變化，最終通過復(fù)雜的云微物理過程調(diào)節(jié)云量而影響到北大西洋氣旋的活動；另一方面，這里是平流層—對流層耦合最活躍的地區(qū)，由太陽紫外輻射變化引起的平流層異常信號可通過平流層—對流層的動力耦合下傳到對流層，調(diào)節(jié)對流層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)的太陽活動信號主要體現(xiàn)在熱帶對流活動和海溫的變化中[16]，在熱帶平流層，由于高臭氧含量，其溫度和環(huán)流對太陽活動很敏感，太陽活動引起的平流層異常信號也可向下傳播影響到熱帶對流層環(huán)流、熱帶海洋熱容量、熱帶輻合帶的活動以及ENSO等系統(tǒng)，這使得熱帶太平洋成為太陽活動影響氣候的另一“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）包含有明顯的太陽活動信號，其年代際變化可能受到太陽活動周期的影響和調(diào)制[17-18]。確證這些特殊氣候敏感區(qū)對太陽活動的響應(yīng)過程，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，對氣候預(yù)測也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在“敏感區(qū)域”內(nèi)，太陽活動對區(qū)域氣候的影響可能通過大氣內(nèi)部動力作用（如遙相關(guān)等）傳遞到全球。因此，“敏感區(qū)域”可能是太陽活動影響全球氣候的“中轉(zhuǎn)站”，研究太陽活動對這些區(qū)域的影響具有重要意義。

有關(guān)天氣氣候中太陽活動信號的敏感區(qū)域的研究由來已久，本文首先總結(jié)回顧了太陽活動對極地—北大西洋區(qū)域的影響，并從不同的時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)活動區(qū)對太陽活動的響應(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活動信號

2.1 極地—北大西洋地區(qū)中太陽信號的觀測事實(shí)

諸多研究[19-21]表明，太陽活動對極地—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柣顒禹憫?yīng)的敏感區(qū)還是關(guān)鍵區(qū)，太陽活動的信號可能通過該區(qū)域傳遞到整個北半球。因此，為了更好地把握太陽活動對地球氣候的影響，有必要明確認(rèn)識太陽活動在不同時間尺度上影響極地—北大西洋區(qū)域的事實(shí)。

最近的一些研究[22-25]發(fā)現(xiàn)，太陽活動可能在天氣尺度上直接對極區(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)可以說明這一點(diǎn)。黃靜等[26]對冬季太陽風(fēng)短時降速與AO等北半球中高緯度環(huán)流指數(shù)的時序進(jìn)行重疊分析，發(fā)現(xiàn)短時太陽風(fēng)降速會導(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，AO出現(xiàn)迅速的響應(yīng)。該現(xiàn)象預(yù)示了太陽風(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，發(fā)現(xiàn)在冬季，北半球極區(qū)是地面氣壓對太陽風(fēng)速度變化響應(yīng)的敏感區(qū)域。

在年際尺度上，對太陽風(fēng)速度、太陽風(fēng)電場、太陽輻射（含紫外線）的檢測表明[26-27]，太陽風(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，太陽風(fēng)速度與對流層的聯(lián)系最為密切，超過信度檢驗(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，說明太陽風(fēng)速度的影響可能是直接作用于對流層的。Lu等[28]指出在太陽極大期，12月—次年1月的太陽風(fēng)動力氣壓（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，這說明極渦增強(qiáng)，Brewer-Dobson（B-D）環(huán)流減弱，平流層—對流層耦合增強(qiáng)。而在太陽極小期，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]的研究也表明太陽風(fēng)通過地磁活動影響地球環(huán)境、太陽風(fēng)電場與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)了太陽活動和地磁活動對冬季NAO的影響，其中地磁活動強(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)受到太陽活動調(diào)制，在太陽活躍期，NAO具有半球特征，且這種特征從對流層一直延伸至平流層，這種空間結(jié)構(gòu)與AO類似，而在太陽非活躍期，NAO信號被局限在對流層北大西洋（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在太陽活動低年（非最小年）較弱。此外，Ogi等[33]認(rèn)為，在太陽活動強(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，而在太陽活動弱年，這種從冬至夏的聯(lián)系則很弱。即在年際尺度上，無論是在空間結(jié)構(gòu)還是在時間持續(xù)性上，極地—北大西洋氣候?qū)μ柣顒拥淖兓枷喈?dāng)敏感。

綜上所述，無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對太陽活動產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)，且靈敏程度在太陽活動強(qiáng)弱年并不是對稱的，這可能與其作用機(jī)制和作用過程有關(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年間的太陽活躍期（a）和太陽非活躍期（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 太陽活動影響極地—北大西洋的可能機(jī)制

目前在太陽活動驅(qū)動氣候變化的機(jī)制中，空間天氣機(jī)制是唯一能在短時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)為太陽活動通過影響空間天氣（主要影響空間環(huán)境中的各種粒子通量），通過對特定區(qū)域（如北大西洋區(qū)域）云微物理過程的影響，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)動氣候變化[28,34]。Tinsley等[35]對1953—1985年間太陽日冕物質(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，有諸多研究關(guān)注[24-25]高能太陽質(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太陽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事件加劇會引起平流層格陵蘭島南部東海岸等壓面的顯著下降，同時伴隨著北大西洋氣旋渦度的增長，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。

直接用太陽輻射的微小變化來解釋太陽變率對極地—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放大機(jī)制來解釋太陽活動是如何驅(qū)動氣候變化的，太陽紫外輻射—臭氧機(jī)制無疑是一種很好的途徑。首先，在一個黑子周期內(nèi)，太陽紫外輻射有較大變化，因此臭氧濃度也隨之變化[36]，通過正反饋?zhàn)饔?，這種太陽活動引起的輻射—光化學(xué)過程會被進(jìn)一步放大，并在平流層溫度場和環(huán)流場上產(chǎn)生顯著的太陽活動信號，尤其是在熱帶平流層的上部和下部[37]。其次，平流層—對流層存在活躍的動力耦合：無論是觀測和模式，均表明通過行星波活動引發(fā)動量傳輸，位于平流層中上層的異常信號可向極和向下傳播[38-41]，從而作用于對流層極地—北大西洋區(qū)域。這兩個事實(shí)把太陽—平流層關(guān)系和平流層對流層耦合過程串聯(lián)起來，能合理解釋極地—北大西洋對太陽活動的敏感響應(yīng)。正如前文所述，在太陽活動強(qiáng)年NAO較活躍，這體現(xiàn)了更強(qiáng)烈的北半球平流層—對流層耦合。對于太陽活動強(qiáng)年平流層—對流層耦合更加活躍的原因，以Kodera為代表的一批國外學(xué)者展開了系統(tǒng)地研究，認(rèn)為行星波活動和傳播的異常起到了重要作用[38,42-43]。認(rèn)識平流層環(huán)流季節(jié)演變特征是理解這一問題的基礎(chǔ)：在平流層的冷季，大氣環(huán)流存在輻射控制和動力控制兩個階段，冬季早期平流層環(huán)流呈輻射控制特征，由于太陽輻射不

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輻射加熱作用減弱，此時平流層西風(fēng)急流的強(qiáng)弱變化主要由對流層上傳的行星波強(qiáng)度調(diào)節(jié)，稱為動力控制階段[36]。太陽活動強(qiáng)年強(qiáng)的平流層—對流層耦合與輻射控制階段的顯著延長有關(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)重阻礙了來自對流層中高緯行星波的垂直傳播。眾所周知，冬季來自對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，在西風(fēng)急流對波的折射作用下，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，太陽活動通過影響平流層大氣的熱力和動力結(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—對流層耦合發(fā)生劇烈變化，最終對極地—北大西洋區(qū)域氣候產(chǎn)生顯著影響。

3 熱帶地區(qū)的太陽活動信號

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

諸多研究[45-47]表明，太陽活動與熱帶對流活動的強(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，全球雷電活動也相應(yīng)的下降約20%～30%。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，雷電活動對宇宙線FD事件的響應(yīng)沒有明顯的延遲，其響應(yīng)過程在1天左右即可發(fā)生，并可持續(xù)3天，說明這個響應(yīng)很可能是太陽活動的直接作用。對不同緯度帶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，最近我們在分析熱帶大氣活動的一些系統(tǒng)時，發(fā)現(xiàn)其中存在對太陽活動明顯的響應(yīng)信號，在6—8月夏季太陽黑子峰年和谷年的西太平洋熱帶區(qū)域射出長波輻射（Outgoing Long-wave Radiation，OLR）合成場存在明顯的差異。在太陽黑子峰年該區(qū)域的OLR為負(fù)異常，說明對流活動較強(qiáng)，而在太陽黑子谷年該區(qū)域?yàn)檎惓?，說明該區(qū)域?qū)α骰顒虞^弱。

圖2 10，11，12，1月太陽活動強(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活動信號。近期，我們在西太平洋暖池區(qū)域、赤道東太平洋區(qū)域海洋700m深熱容量的時間演變上均發(fā)現(xiàn)了較為明顯的11年和準(zhǔn)20年周期，說明這些區(qū)域的熱容量演變中含有明確的太陽周活動信號。在太陽活動與海溫的關(guān)系上，不同的研究得到不同甚至相反的觀點(diǎn)。從觀測分析的角度，van Loon等[48]發(fā)現(xiàn)在太陽活動峰值年，熱帶太平洋海溫呈拉尼娜（La Ni?a）型分布（圖3）。進(jìn)一步，ENSO信號可以通過大氣遙相關(guān)傳播到副熱帶。Meehl等[9]發(fā)現(xiàn)在太陽活動峰值年的冬季，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)太陽活動峰值年常與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]僅僅選取了太陽活動的峰值年進(jìn)行了合成，樣本長度有限，若對比更多的太陽活動偏強(qiáng)和偏弱年份，可發(fā)現(xiàn)太陽活動偏強(qiáng)時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柣顒臃逯的旮浇粲蠰a 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，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，說明這個系統(tǒng)很可能是獨(dú)立于ENSO和PNA而存在的，因此他們認(rèn)為這個高壓系統(tǒng)可能和平流層—對流層的耦合作用有關(guān)，在太陽活動峰值年，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，太陽活動影響ENSO至少有兩種方式：一種是通過平流層—對流層耦合作用，另一種是通過云—輻射機(jī)制。對于平流層—對流層耦合作用，Haigh[51]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的太陽活動可以引起平流層變暖，從而引起平流層風(fēng)場和對流層Hadley環(huán)流下沉支向高緯移動，導(dǎo)致ENSO系統(tǒng)發(fā)生變化。對于云—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)，得出低云量受太陽活動調(diào)制的結(jié)論，盡管該結(jié)論受到爭議，但它提供了太陽活動影響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），從而放大太陽強(qiáng)迫對天氣氣候的影響。

綜上所述，熱帶也是天氣氣候?qū)μ柣顒禹憫?yīng)的一個重要的敏感區(qū)，熱帶對流活動、海溫（ENSO事件）對太陽活動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，但可能與太陽活動對平流層—對流層耦合、云過程的影響有關(guān)。

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

4 季風(fēng)活動區(qū)的太陽活動信號

自1801年英國科學(xué)家Herschel[55]首先發(fā)現(xiàn)太陽黑子與降水的關(guān)系間接控制著倫敦小麥的價(jià)格后，200多年來，許多科學(xué)家不斷努力探索季風(fēng)氣候與太陽變率的關(guān)系。近年來，一些研究表明，太陽強(qiáng)迫效應(yīng)在某些特定條件下顯示出很強(qiáng)的信號[56-61]，特別是在一些季風(fēng)活動區(qū)其信號特征更為明顯。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)出了與太陽活動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]，這暗示太陽活動對季風(fēng)的年代際調(diào)制作用存在明顯的區(qū)域差異。

氣候帶邊界受太陽活動調(diào)制是季風(fēng)敏感響應(yīng)區(qū)域形成的重要原因。太陽作為整個地球的能量源，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)，對流層內(nèi)氣候系統(tǒng)對外部強(qiáng)迫

的動力響應(yīng)往往在其邊緣處可以被檢測到：一些重要的氣候系統(tǒng)或大氣環(huán)流邊界在太陽活動高年，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]；在太陽活動低年，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。太陽黑子數(shù)極大（極?。┠甑臇|亞地區(qū)的動力、熱力場分布有顯著不同，如東亞東部高緯氣溫出現(xiàn)負(fù)（正）異常，東亞東部中緯降水呈現(xiàn)負(fù)（正）異常，而東亞東部低緯對流場呈現(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活動關(guān)系的一個重要切入點(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)行對比，可能會得到比較好的效果。

作為東亞季風(fēng)區(qū)域的一部分，中國大陸可分為季風(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)對太陽活動11年周期的響應(yīng)相當(dāng)敏感，這里的太陽信號相對于季風(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活動響應(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)流在太陽活動的強(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)顯著的太陽周期變化信號。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活動調(diào)制，在太陽活動強(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；而在太陽活動相對較弱年，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)也受到太陽活動的調(diào)制[27]，Chen等[85]發(fā)現(xiàn)太陽活動可以調(diào)節(jié)AO與東亞氣溫之間相關(guān)的強(qiáng)弱：太陽活動強(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，而在太陽活動偏弱年，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)），無論太陽高年還是低年，都受（不受）季風(fēng)影響，所以這里的太陽信號比交界區(qū)弱也就可以理解了。這暗示東亞季風(fēng)系統(tǒng)可能在太陽活動影響氣候要素年代際變化過程中起到重要的修改（放大或縮?。┬盘柕淖饔?。

5 結(jié)論與討論

圖4 1901—2006年6月太陽活動的強(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。圖中的粗實(shí)/長虛線分別為太陽活動強(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)差值通過置信水平為95%和80%的信度檢驗(yàn)[18]

地球氣候系統(tǒng)對太陽活動的響應(yīng)是當(dāng)前大氣科學(xué)領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)和前沿問題，本文主要介紹了其中對太陽活動響應(yīng)的幾個敏感區(qū)域及其可能機(jī)制。首先，討論了太陽活動在不同時間尺度上對極地—西太平洋區(qū)域的影響，在天氣尺度上，太陽活動通過影響空間天氣對該區(qū)域云微物理過程的調(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，太陽活動通過影響平流層的季節(jié)進(jìn)程，改變行星波

的傳播，使平流層—對流層耦合在太陽活動強(qiáng)年更強(qiáng)，NAO/AO活躍，極地—北大西洋區(qū)域受太陽活動影響更強(qiáng)。其次，熱帶地區(qū)是天氣氣候?qū)μ柣顒禹憫?yīng)的另外一個重要的敏感區(qū)，熱帶對流活動、海溫（ENSO）對太陽活動的變化都有明顯的響應(yīng)，這可能也與太陽活動調(diào)節(jié)云微物理過程有關(guān)。此外，還提出季風(fēng)系統(tǒng)邊界可能是研究氣候與太陽活動關(guān)系的一個重要切入點(diǎn)，總結(jié)了太陽對季風(fēng)活動區(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活動調(diào)制，在太陽高（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)），無論太陽高年還是低年，都受（不受）季風(fēng)影響。

從上述對太陽活動響應(yīng)的三個敏感區(qū)的研究工作總結(jié)中可以發(fā)現(xiàn)，三個敏感區(qū)的大氣環(huán)流和氣候系統(tǒng)中都存在不同時間尺度的太陽活動信號，但是其作用的機(jī)理還有待于進(jìn)一步的揭示和驗(yàn)證。現(xiàn)有的研究主要以觀測分析為主，這些工作還不能有效地揭示太陽活動對敏感區(qū)影響的物理機(jī)制，數(shù)值模擬可以幫助澄清這些問題。更重要的是，這些敏感區(qū)對太陽活動響應(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)而直接或間接地對全球氣候產(chǎn)生影響？敏感區(qū)這些強(qiáng)烈的太陽活動信號，會隨著時間耗散掉，還是會觸發(fā)全球的氣候振蕩和變化？這都是急需深入研究的問題。

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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：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957804）