2. 中国科学院研究生院, 北京 100049
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
太阳是一颗体积、质量巨大的灼热恒星,是太阳系的中心天体,它通过自身的热核反应不断向宇宙空间发射巨大的能量.地球是太阳系中的一员,太阳辐射能是地球系统的主要能量来源,维持地球大气气候系统的能量也几乎全部来自于太阳,因此,太阳活动引起的辐射强度变化会给地球表面的天气、气候带来重要的影响.
观测研究表明太阳活动存在一个周期为11年的循环,在这一活动周期中太阳活动强、弱造成的辐射总能量差异不大(0.1%),但是在紫外光谱波段强太阳活动时产生的能量要增加6%~8%[1].太阳辐射加热地球大气会产生两个暖区:一个是吸收长波辐射的近地面,一个是吸收紫外辐射的平流层臭氧层,太阳11年周期活动引起的紫外辐射差异必然引起臭氧层温度的分布差异,从而引起大气环流的扰动.1987年,Labitzke[2]研究发现北极地区50hPa的温度同太阳活动、平流层赤道地区纬向风的准两年振荡(QBO)存在一定的联系,但受到观测资料缺乏的限制,这一研究有所停滞.2000年后,随着高空探测手段的进步、卫星观测资料的丰富、再分析资料数据质量的不断改进,关于太阳活动效应的研究逐渐增多:Labitzke[3~5]通过计算太阳活动指数和不同等压面上位势高度、温度的相关系数,分析指出在QBO的不同阶段,在年际尺度上太阳活动对大气环流产生不同影响,特别是在热带、副热带地区,强太阳活动可以通过改变一些动力过程影响大气环流;Kodera等[6, 7]提出太阳活动强弱可以影响北大西洋涛动的空间结构,从而引起欧洲地区天气形势的异常,随后他们又分析了太阳活动对平流层顶区域环流的影响,认为冬季的环流由辐射控制过程向动力控制过程转换,强太阳活动延长了辐射控制的时间;Camp等[8]应用线性判别分析方法统计分析了太阳活动、QBO对北半球冬季平流层极涡的影响,指出强太阳活动和东风态的QBO都会造成平流层极涡的增温,两者的作用相互独立又相互促进;李崇银等[9]提出太阳活动影响大气环流的两种方式,辐射的直接作用和引发地磁场变化的间接作用.近年来随着气候模式的发展,对太阳活动的研究不再局限于对资料的统计分析,Matthes等[10]应用FUB-CMAM模式模拟分析指出:强太阳活动时行星波和平均经圈环流较弱,且赤道平流层的纬向风对太阳活动效应有很大的影响;近期,Shindell等[11]利用一个气候化学模式研究发现平流层上层的臭氧变化会增强太阳活动扰动的气候效应.
上述研究主要分析了太阳活动对平流层大气环流年际变化的影响,冬季是平流层大气环流最易发生强烈扰动(如平流层爆发性增温、极涡扰动等)的季节,此时平流层大气的异常变化常常会引起对流层天气、气候的扰动.本文以北半球冬季(11月~次年3月)大气环流为研究对象,根据QBO的东、西风状态分类分析了太阳辐射变化对平流层、对流层纬向温度、风场分布的影响,通过计算E-P通量[12]和平均剩余环流的变化,剖析了南北半球平流层、对流层大气环流在强、弱太阳活动下行星波、Brewer-Dobson环流(B-D环流)的变化特征,详细解释了冬季控制环流变化的辐射、动力过程.
2 资料与方法本文使用美国国家大气研究中心(NCEP/ NCAR)的再分析资料[13]对太阳活动在冬季大气中的影响进行了研究.在1979年之前,南半球地区缺少足够的气象探测站,高空探测技术和卫星观测资料也不够丰富、准确,所以在此之前的再分析资料在描述太阳活动的影响时不够完善,存在一些不足.本文使用1979年1月至2008年12月的月平均气象场再分析资料,用来描述和计算太阳活动周期中大气环流的动力、热力变化,其水平分辨率是2.5°× 2.5°,垂直方向上为17层,从近地面到平流层中上层(10 hPa).
Chandra等[1]在1994年指出太阳活动周期中强弱差异最大位于紫外波段,变化幅度可达到6%~8%,而10.7 cm的太阳辐射通量与太阳活动变化有着很好的对应关系,所以在描述太阳活动时,经常使用它作为表征指数,本文使用美国国家海洋大气局(NOAA)数据中心(http://www.ngdc.noaa.gov/ ftp/SOLAR/ftpso-larradio.html)提供的1979年1月至2008年12月间10.7 cm太阳辐射通量月平均资料数据,包含了近3个太阳活动周期.在描述平流层赤道地区纬向风的准两年振荡(QBO)时,文中同样使用了NOAA提供的QBO特征指数(http:// www.cdc.noaa.gov/data/climateindices/List/),起止时间同气象场资料、太阳活动指数资料一致.
太阳活动的11年周期变化会给大气环流带来多种时间尺度(年代际、年际、季节变化等)的影响,本文着重分析了从秋末冬初的11月至冬末春初的次年3月期间,太阳活动的气候效应.为得到更加明确的结果,根据QBO的东、西风相位分别研究太阳活动的影响.从1979年1月至2008年12月太阳活动指数和QBO指数资料中选取太阳活动指数大于140 sfu(1 sfu=10-22W·m-2·Hz-1)的月份为强太阳活动月(SC-max),小于125 sfu的月份为弱太阳活动月(SC-min);选取QBO指数大于4 m/s的月份为西风态QBO月(wQBO),小于-4 m/s的月份为东风态QBO月(eQBO),这一标准与Camp等[8]一致.根据太阳活动和QBO的不同类型将气象场资料分为4组:东风态强太阳活动(eQBO/SC-max)、东风态弱太阳活动(eQBO/SC-min)、西风态强太阳活动(wQBO/SC-max)和西风态弱太阳活动(wQBO/SC-min),在分组时考虑了环流变化的连续性,选取同一年中至少连续3个月满足分组条件的月份进行统计分析.本文第3、第4节将根据不同的QBO类型对太阳活动引起的环流变化分别进行相关性分析和合成分析,通过计算表征波动特征的E-P通量研究行星波在整个冬季的发展变化过程,通过计算表征拉格朗日环流的平均剩余环流分析太阳活动强弱对大气中的物质环流产生的影响,其中E-P通量和剩余环流的计算方法与陆春晖等[14]相同.
3 东风态QBO时太阳活动引起的环流变化太阳活动强弱的主要变化出现在紫外光谱波段,平流层中的臭氧是吸收紫外辐射的主要成分,太阳紫外辐射的改变必然引起臭氧含量及其吸收能量的变化,从而引起温度分布的变化.平流层中臭氧分布的大值区位于10 hPa高度的赤道低纬地区,所以太阳活动的强弱必然会改变这一区域的温度梯度;根据地转风原理和气体状态方程,温度梯度的变化会引起纬向平均风在水平和垂直方向上的改变,从而造成整个环流的扰动.为研究这一环流变化过程,下面根据不同的QBO状态分析了太阳活动对纬向平均温度的影响.
图 1a、1b、1c给出了东风态QBO时,太阳活动指数同纬向平均温度在冬季(12~2月)的相关系数分布,以及强、弱太阳活动时纬向平均温度差异的分布.图中可以看出在12月,正相关和正的温度异常出现在南半球中、低纬的平流层高层和南极地区的平流层下层,北半球区域则没有明显的温度异常和相关关系;进入1月份后,在平流层中30°S~30°N的热带地区出现了闭合的正温度异常区,强太阳活动造成这一区域出现了1~2K的增温,同时这一正温度异常区对应了很高的正相关系数,表明太阳活动强、弱造成的紫外辐射差异的确会引起平流层中臭氧层在热带地区的加热异常,这一增温异常自初冬时期开始,在隆冬时期达到最大,并且可以一直持续到初春3月;图中还存在一些温度异常的大值区,但这些区域里相关系数相对较小,与太阳活动的联系不大.图中另一值得注意的特征是,太阳活动和温度异常相关系数的大值区首先在南半球出现,并且在南半球的分布范围比北半球广,这是因为在这一时期太阳直射在南半球低纬地区,这一区域内的大气环流受太阳辐射变化的影响更直接;此外eQBO时,南半球冬季平均的纬向风从赤道低纬地区开始在平流层中、上层均为纬向东风,根据波动传播理论行星波无法在纬向东风中传播,所以这一时期南半球平流层中、上层大气受波动作用的影响比北半球弱,太阳辐射过程的作用表现得更为显著.
在eQBO时,12月和1月的相关系数、温度异常分布图中(图 1a和1b),平流层中、低层300 hPa到70 hPa高度的南半球极区出现了很强的正相关和正的温度异常,表明强的太阳活动会引起这一区域内的温度增加.平流层臭氧的大值区位于赤道低纬地区,太阳活动的辐射变化主要通过臭氧吸收的紫外辐射反映在大气环流中,为什么会在南半球极区出现正的温度异常,太阳活动变化通过怎样的机制影响这一区域?为回答这一问题,图 2给出了eQBO时,强太阳活动引起的南半球平流层平均剩余环流异常的分布(eQBO/SC-max减去eQBO/SC-min).图中可以看出,在12月10 hPa高度以下的极区平流层有明显的绝热下沉运动,根据大气热力学原理,在大气层结稳定的情况下,绝热下沉运动会引起这一区域内大气温度的增加,与图 1a中的增温区域相对应;在40°S~50°S的范围内出现较强的绝热上升运动,一直向上作用到50 hPa高度后向极偏转,在平流层中、高层则存在着经向输送的配合,构成了完整的经向平均剩余环流,而平均剩余环流可以近似地表示反映物质输送的B-D环流[15].到了1月,平流层极区的绝热下沉运动有所减弱,对应的正相关正温度异常区域内的增温幅度也有所减小;在40°S地区的向上、向极运动也有所减小.以上分析表明,在东风态QBO时,强太阳活动不但可以加热赤道低纬地区的平流层上层大气,还可以加强南半球平流层中的B-D环流,从而引起南半球极区平流层温度的增加.
Kodera等[7]曾指出在北半球冬季,中高纬平流层大气环流受辐射作用和动力作用的共同影响.但分析图 1时发现:在eQBO时,虽然在北半球平流层极区存在一些温度异常区,但太阳活动指数和纬向平均温度间没有明显的相关关系,表明eQBO时太阳活动对北半球中高纬平流层大气环流的影响不显著、动力过程是主要控制因素.比较在冬季的eQBO和wQBO时平流层纬向平均风分布状况可知,eQBO时在100 hPa高度以上的平流层中,在赤道附近的北半球低纬地区存在着很强的纬向东风,将平流层上层的西风急流向北推挤,使得平流层中的纬向西风随着高度的上升向北倾斜.根据行星波的传播理论可知,行星波在东风中无法传播,上述的北半球平流层纬向风分布特征表明:eQBO时的纬向平均风分布更有利于行星波的向极、向上传播. Chen等[16]曾指出行星波的传播存在着向极、向赤道的两支波导,且两支波导间呈反相关关系,eQBO时行星波的向极作用偏强、向赤道作用偏弱,使得强太阳活动带来的辐射变化在赤道平流层高层可以更加清楚地反映,而在中、高纬平流层中,太阳活动信号被低层上传的行星波作用干扰.为进一步证明这点,图 3给出了北半球冬季E-P通量在eQBO和wQBO时的差异分布,图中可以看出12月至2月平流层中纬度地区都有很强的行星波向极、向上传播,12月时平流层中、高层开始出现向极传播的分量,强度逐渐增大,向赤道波导则逐步减弱;到了1月份,平流层中向极、向上的行星波进一步发展增强,向上输送的涡动热通量
第3节我们详细分析了东风态QBO时太阳活动对平流层大气环流的影响,西风态QBO时太阳活动的辐射变化是否会在平流层大气中带来不同的效应,造成不同变化效应的机制是什么?这一节将就这一问题展开深入讨论.图 1d、1e、1f给出了西风态QBO时,太阳活动指数同纬向平均温度在冬季(12~2月)的相关系数分布情况以及强、弱太阳活动时纬向平均温度的差异分布.图中可以看出在12月时,赤道低纬地区的平流层高层存在较大的正相关系数分布区,对应了1~2K的正温度异常,这一正相关、正异常分布区从45°S一直延伸到30°N,占据了100 hPa以上的整个平流层,同时在北半球极区70~300 hPa高度出现了负的温度异常和负相关,表明太阳活动效应在对流层大气中也产生了一定的影响,这是eQBO时所没有出现的,在下文将进行详细分析.1月份后,赤道地区平流层高层的正相关、正温度异常都逐渐减小、消失,北半球极区对流层中的负相关、负的温度异常反转为正相关、正的温度异常;2月份时这一发展趋势更加显著,赤道地区平流层高层的相关系数和温度异常都由12月时的正值变为负值,北半球极区也出现了很强的增温中心,同时对应了正的相关系数大值区,这一分布特征表明在冬季初期和后期,wQBO时太阳活动辐射效应对大气环流产生了截然相反的影响,初冬时期强太阳活动会造成赤道低纬地区平流层上层大气的增温,这点与eQBO时一致,强太阳活动带来的紫外辐射增强在这一臭氧分布的大值区得以反映.同时在北半球极区对流层大气出现降温,太阳活动效应从赤道平流层向极、向下传播到了低层大气中,与B-D环流、行星波与大气基本流的相互作用等动力学过程有关,这一特征是eQBO时所不具备的,值得进一步的研究、分析.
第3节分析的冬季纬向平均风场和行星波的分布情况得出,wQBO时行星波的极地波导偏弱、向赤道波导偏强,而太阳活动在冬季初期作用最强的区域也是赤道平流层上层,所以北半球冬季平流层中的大气环流受上边界的太阳辐射作用和对流层上传的行星波动力作用共同影响.在初冬时期,强太阳活动加热赤道平流层上层的臭氧层,使得温度梯度在经向上发生了变化,由热成风关系得到表示纬向风随高度变化的下列关系式:
(1) |
f为科氏常数.式(1)将纬向风随高度的变化同等压面上温度的变化联系起来.强太阳活动的紫外辐射加热使得赤道平流层高层
wQBO时,太阳活动的强弱变化影响了行星波两支波导的扰动发展,根据变形欧拉方程[14]行星波的改变会引起平均剩余环流的变化,进而导致B-D环流的变化.为研究太阳强弱活动对平均剩余环流的作用,图 5给出了wQBO时,冬季不同时期平均剩余环流异常的分布.图中可以看出在冬季初期,对流层高层到平流层低层存在两个逆时针的经圈环流,在20°N~40°N区域内有明显的绝热上升运动,到150 hPa高度时这一上升支向赤道偏转,在赤道地区绝热下沉;另一经圈环流的上升运动位于极地高纬地区,强烈的绝热上升运动从对流层开始一直持续到50 hPa高度,造成这一区域里出现了负的温度异常(图 1d).这样的分布特征表明在北半球冬季的开始阶段,太阳活动对B-D环流有一定的抑制作用,造成低纬地区的下沉和高纬地区的上升运动,这样的绝热垂直运动造成了大气温度的异常,尤其是使得极地对流层中出现了降温现象,发生在大气高层的太阳活动辐射效应在低层大气中得到了反映.进入2月份后,平均剩余环流发生了巨大的改变(图 5b),B-D环流逐渐恢复,20°N以南的对流层中出现了很强的上升运动,一直向上延伸到150 hPa的平流层下层,使得这一范围内的大气温度开始下降,太阳辐射作用在冬季后期也开始减弱,对平流层上部臭氧层的加热效应也逐渐减小,动力、辐射作用的共同效应使得2月时赤道平流层上层出现了负的温度异常(图 1f);而极地高纬地区则以绝热下沉运动为主,这样的垂直运动有利于大气温度的增加,配合冬季后期行星波向极传播的增强,使得平流层极地高纬度地区的大气在冬季末期时出现了较强的增温(图 1f).以上分析表明:wQBO时,北半球冬季的大气环流变化受太阳辐射作用和动力作用的共同影响,初期时以太阳辐射效应为主,强太阳活动对B-D环流起抑制作用,造成了赤道平流层的增温和极地对流层的降温;后期时,太阳辐射效应激发了行星波极地波导的增强,B-D环流逐渐恢复,动力、辐射过程的共同作用使得纬向平均温度的分布发生了反转,正负温度异常中心与初期时相反.
太阳辐射是地球大气环流能量的主要来源,太阳具有周期为11年的规律性强、弱变化,这样的周期活动引起了紫外辐射强度的扰动,必然对大气环流的发展变化产生影响.本文从这个思路出发,应用NCAR/NCEP的30年再分析气象资料和NOAA的太阳活动指数、QBO活动指数研究了太阳活动对大气环流的影响过程,其中对北半球冬季(11月~3月)平流层、对流层大气的动力、热力结构的作用进行了详细分析,结果表明太阳活动对大气环流的作用受赤道平流层纬向风准两年振荡(QBO)的影响.
在eQBO时,强太阳活动带来的紫外辐射增强会加热平流层中的臭氧,引起低纬平流层中、高层大气温度增加;强太阳活动加强了南半球平流层中的B-D环流,使南极高纬平流层出现绝热下沉运动,造成这一区域大气温度增加;在北半球中,太阳活动效应主要集中在赤道平流层上层,中高纬大气环流变化主要受对流层中产生并上传的行星波影响,太阳活动影响几乎可以忽略.
在wQBO时,太阳活动对大气环流的影响效果在冬季初期和后期时不同,初冬时强太阳活动抑制了北半球的B-D环流,使得极地高纬地区出现绝热上升运动,引起这一区域温度下降,尤其是对流层高纬地区也出现了降温现象,发生在大气高层的太阳活动辐射效应在低层大气中得到了反映;初冬时强太阳活动造成的赤道平流层高层增温改变了水平方向的温度梯度,引起纬向风在垂直方向上的扰动,这样的纬向风变化趋势调节了行星波向赤道、向极波导的强度,使得冬季后期向极、向上传播的行星波增加,动力作用影响逐渐显著;冬季后期时,太阳活动调制的行星波向极波导逐渐增强,B-D环流逐渐恢复,平流层中的纬向平均温度分布和初冬时相比发生了反转,北半球极地平流层高层出现了明显的温度增加,赤道区域则出现一定的降温.
太阳辐射能量在地球气候系统中的重要作用决定了对太阳活动效应研究的必要性,从文中的分析可知,太阳活动给平流层、对流层大气环流带来的影响不只是简单的加热作用,与QBO、B-D环流、行星波等有着密切的联系,要得到更加准确的气候预测结果,要提高气候模式的模拟准确性和可靠性,对太阳活动效应的深入、具体研究是必不可少的,本文的研究结果为进一步开展这一方面研究做了必要的准备.
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