2017, Vol. 60
2. 中国科学院空间天气学国家重点实验室, 北京 100190;
3. 中国气象局空间天气重点开放实验室, 国家空间天气监测预警中心, 北京 100081;
4. 中国气象局气象干部培训学院, 北京 100081;
5. 中国科学院地球与行星物理重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029;
6. 中国气象局大气环境研究所, 沈阳 110166;
7. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029
, ZHANG Xiao-Xin3
, SONG Yan4, HE Fei5, LI Li-Guang6, YU Chao3, LÜ Jing-Tian3, XIAO Zi-Niu7
2. State Key Laboratory of Space Weather, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
3. Key Laboratory of Space Weather, National Center for Space Weather, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China;
4. CMA Training Centre, Beijing 100081, China;
5. Key Laboratory of Earth and Planetary Physics, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
6. Institute of Atmospheric Environment, China Meteorological Administration, Shenyang 110166, China;
7. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
近年来，越来越多的科学研究表明，地球气候变化与太阳活动之间存在显著的关联，并且在不同的时间尺度上，太阳活动导致的空间天气事件会对地球天气气候产生影响.对流层内许多天气和气候要素的变化与太阳活动引起的空间天气事件 (如地磁活动) 有一定关系，恶劣的空间天气事件可能会在较大程度上影响到天气气候系统，从而引起天气气候发生明显变化，进而影响人类活动.
在20世纪70年代太阳活动已被研究日地关系的学者所重视，并发现地磁活动与太阳活动、大气圈和生物圈之间存在很好的相关关系，认为地磁活动可作为太阳活动-地球大气相互关系的指示器 (Gribbin, 1981; Courtillot et al., 1982).国内外许多专家学者 (Beynon and Winstanley, 1969; Brown and John, 1979; 黄更生等, 1987; 傅元芬等, 2000; Foster et al., 2008; Elmallah, 2011; Lammer et al., 2012; Lockwood, 2012; Smith, 2012; Hood et al., 2013) 分析研究了太阳活动、地磁活动和各种气候要素特征的关系，揭示了地磁扰动与700 hPa环流、低层大气气压、气温和降雨量等气候要素的关系，并提出地磁场控制地球大气层的一些证据，发现了当低压槽穿过北太平洋、北美地区时，其涡度面积指数与地磁事件 (磁暴) 有显著相关 (Roberts and Olson, 1973)，指出了天气图与地磁等值线分布有相似的现象 (Sarukhanyan and Smirnov, 1970)，气候系统与地磁场的相似性表现在大气中的定常气压系统亦是随时间向西漂移的 (King, 1974)，说明非偶极子磁场的长期西向漂移和北半球大气环流的行为及其气候效应具有一致性.Nevanlinna等指出地磁场对气候变化的调节可能来自于行星内部 (即地球自身磁场) 以及从外部太阳变化 (即背景场和太阳风的力量)(Nevanlinna et al., 2003).许多研究表明地磁场变化与气象要素和气候变化有很好的相关性.
大量的统计研究和观测表明，太阳磁场长期变化是地球空间气候变化的主要驱动力 (Mursula et al., 2013)，当行星际磁场 (IMF) 具有南向分量时，磁暴或者强烈的地磁活动将会容易发生，地磁活动强度随着南向磁场分量的增大而增大.黄道面内的IMF旋转磁场在地磁轴上的投影具有半年周期特性，同时，源于磁暴的地磁指数Dst具有明显的半年周期特性.地磁变化和磁暴具有27天周期重现性，主要源于太阳冕洞的27天自转周期.当太阳活动减弱，渗透进对流层和同温层的宇宙线就会增加，反之，亦然 (Velinov et al., 2013).同时，存在地磁Ap指数对太阳活动周循环的滞后响应 (徐彤等，2008; 黄朝军等, 2009).说明地磁扰动和太阳风扰动的相关性可以反映出太阳活动与地磁活动的相互关联程度，以及地磁活动的滞后响应.电离层和磁层中的复杂电流体系随着太阳活动而发生变化，形成复杂多变的磁场变化 (Saiz, 2013)，太阳和地磁活动对电离层中长期变化有强迫作用 (Kutiev et al., 2013).在变化磁场中，还有一些偶然发生的、叠加在基本磁场和平静变化之上的各种短暂的地磁变化，这种变化磁场与太阳活动爆发事件相关，这种地球磁场的变化将引起地球外核流动的改变，而外核流动的改变通过核幔耦合作用，然后又引起地球自转 (日长) 的变化 (傅容珊等，1999).上述研究表明：地磁活动对太阳活动的响应，主要以太阳能量的电磁辐射和粒子辐射两种形式不断地向行星际和近地空间环境传输，影响着近地空间电磁环境和动力学过程，表现出时间序列波动的一致周期性、滞后显著关联度.
如同地球大气一样，地磁场对人类生存起着至关重要的作用.如果没有地磁场这个天然屏障，来自宇宙和太阳的高能粒子辐射会对人类健康、空间活动以及天基和地基高技术系统产生重要的影响.地磁场和地球大气的共存使我们产生疑问，地磁场的变化是否会影响我们周围的天气和气候环境呢？地磁活动对哪些气候要素产生影响？而相关的影响机制和物理过程又是什么？为了探索地磁活动对气候要素的影响，需要了解地磁活动与太阳活动的关系，以及地球气候系统如何响应地磁活动强迫过程 (Shindell et al., 2001；Rind, 2002).这几方面已经积累了大量的观测统计、模式研究和机制研究，本文的目的是综述地磁变化对气候影响的研究进展，探索地磁活动特征及其对太阳活动的响应，以及地磁活动对气候要素的影响特征和可能形成机理，这些为进一步研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据，以期我们对地磁活动和气候要素关系有一个全面和客观的认识.
2 地磁活动对气候要素的影响到目前为止，人们研究地磁活动对气候要素的影响，主要从地磁活动对大气环流、大气密度、地表气温和气象灾害等方面进行了探讨，得到了比较好的统计关系，但是对其中机理研究较少，我们在其基础上进一步探讨了地磁活动对气候要素的影响和机理性研究，以及阐述了地磁活动基本特征.
2.1 地磁活动基本特征地磁活动通常用地球磁场的强弱及其变化来表征 (徐文耀，2009)，在磁场观测和研究表明，地球磁场是由主磁场、感应场和变化磁场组成，它们具有不同的时间尺度变化特点，其中从数年到数世纪的长时间地磁场变化主要是由地球主磁场引起的，而从数秒到数年的短时间地磁变化是由太阳活动引起的 (Clarke et al., 2008).变化磁场异常具有区域特性，这归源于产生感应磁场的介质中区域电导率异常或者区域地质结构异常, 感应磁场把地球外部的电磁环境和地球内部的电磁性质联系在一起，构成了地球不同圈层之间的耦合.地磁异常指地磁场对中心偶极子磁场的偏离，它使得地球上某些相同纬度区域的磁场有着较大差异的现象.地磁场规则变化是指叠加在主磁场上的周期性太阳静日变化 (Solar quiet variation，Sq)，这一过程是由电离层电流而产生的 (徐文耀，2009)，通常太阳静日变化主要影响中低纬区域，其变化的规律性主要表现为季节，27天周期和约11年周期变化.
地磁扰动主要包括磁暴、地磁亚暴和地磁脉动等变化磁场表征现象 (Clarke et al., 2008)，它们的主要特点是出现时间不规则，变化形态复杂，具有全球和区域特性，磁暴是行星际中高速等离子体云到达地球空间后，引发的最具代表性的全球空间环境扰动事件.磁暴的强度可以表征太阳风暴中高速等离子体云的影响大小.
地磁指数是对空间电流体系引起的地磁变化强度的定量描述，能够反映地磁活动水平的分级指标 (徐文耀，2009).地磁指数描述的是地磁活动的总体水平，不考虑地磁扰动的具体类型.第一类描述全球性地磁活动水平的地磁指数包括Kp (Ks)、Ap (ap) 和aa，其中Kp指数是标准化Ks指数求平均得到，Ap指数通常描述ap指数的日平均值, 而aa指数通常用于研究地磁活动的长期规律.第二类地磁指数是为描述特定类型地磁扰动而设计的，如描述磁暴发展 (强地磁活动) 的过程和强度的中低纬度地磁暴指数Dst、SYM_H和ASY_H，而亚暴指数 (AU、AL、AE) 主要描述高纬地区或极光椭圆区地磁活动水平.
为了更清楚了解地磁活动和太阳活动的关系，我们统计分析了1932年以来的太阳黑子数 (R) 和地磁指数 (Ap) 的年平均观测值的分布规律 (如图 1)，发现：地磁活动和太阳黑子数变化密切相关，近80年资料分析表明，地磁指数 (Ap) 对太阳黑子数 (R) 有一个显著的同期和滞后1~4年的相关影响，其中，地磁指数对太阳黑子滞后2~3年的显著相关最为突出，太阳黑子与同期、滞后1年、2年、3年和4年的地磁指数的相关系数分别为：0.492、0.618、0.616、0.5118和0.2568.从两者的多项式拟合分析得出：地磁指数和太阳黑子数有着非常一致的变化趋势, 从20世纪30年代初到50年代初和从60年代末到90年代中期是上升趋势，其余是下降趋势, 峰值在40年代后期和90年代初.前人的研究结果 (王亚敏等, 2011) 和我们的统计分析表明：地磁活动对太阳活动的响应，主要以太阳能量的电磁辐射和粒子辐射两种形式不断地向行星际和近地空间环境传输，影响着近地空间电磁环境和动力学过程，表现出时间序列波动的一致周期性、滞后显著关联度.
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图 1 1932—2011年地磁指数 (Ap) 和太阳黑子数 (R) 的年平均观测值 Fig. 1 Annually averaged values of geomagnetic index (Ap) and sunspots (R) from 1932 to 2011 |
大气环流是全球气候特征和大范围天气形势的主导因子，也是各种尺度天气系统活动的背景.大气环流对气候要素的影响主要通过改变大气环流异常的空间结构、持续性和周期性来实现.
目前，国内外对地磁活动对大气环流相关影响成果较少，仅有的几个发现主要集中在：在电磁场的作用下，高纬度大气电离化增强时，导致高纬地区大气直接经圈环流的加强，进而加强中纬度的Ferrel逆环流，低纬度的Hadley环流随之增强.经圈环流的加强，使空气的南北交换加强，大气活动中心会明显增强，全球的降水量可能增多 (Clayton，1923).利用全球的海表平均温度和全球环流的关键参量 (包括NAO和EN事件) 研究地磁强迫过程对全球环流的影响结果显示地磁场强迫变化通常伴随大气环流波形发生剧烈改变.地磁场与全球气温有很好的对应关系 (Bucha and Bucha, 1998).北极涛动 (AO指数) 是反应北半球中高纬度大气环流的重要气候信号，为检验地磁活动对大气环流异常的空间结构影响，我们在对1961—2015年 (近54年) 地磁指数 (Ap) 和年平均北极涛动 (AO指数) 进行相关统计分析 (图 2) 中，发现：地磁指数 (Ap) 与北极涛动 (AO指数) 存在同期和滞后1年正相关, 相关系数分别为：0.347和0.224，分别达到99.9%和99.0%信度检验；从数理统计角度来说，1961—2015年地磁指数 (Ap) 与北极涛动 (AO指数) 存在较为一致的变化趋势，特别是1961到2001年之间，AO指数与地磁指数年变化呈一致性波动.说明地磁活动与北极涛动有同期或滞后1年左右的显著相关, 其中的机理需要进一步探讨.
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图 2 1961—2015年年平均的北极涛动 (AO指数) 和地磁指数 (Ap) 观测平均值 Fig. 2 Annually averaged arctic oscillation (AO index) and geomagnetic index (Ap) from 1961 to 2015 |
风场也是反映大气环流的一个重要指标.我们在对近51年地磁指数和全球纬向风场 (在地面以上10 m高度) 相关分析中 (图 3)，得出：近51年地磁指数和全球地面10 m纬向风速显著正相关，相关系数为0.528，通过了99.9%信度检验，而其中地磁指数与北半球高纬度 (90°N—60°N) 和中纬度 (60°N—30°N) 纬向风速呈正相关，相关系数分别为0.376和0.302，均通过了99.5%信度检验；与南半球高纬度和低纬度纬向风场呈正相关，相关系数分别为0.414和0.252，分别通过了99.9%和99.0%信度检验.同时的全球地磁指数与两个地磁异常区 (图 4中的第一、二异常区) 纬向风场呈显著性正相关，相关系数分别为0.387和0.328，说明地磁指数越强，全球地面纬向风场越强，也就是地面西风环流越强.Bucha (Bucha, 2002) 研究发现地磁活动较强期间，北半球的经向风加强，这些研究结果说明地磁强迫过程对全球环流的影响.
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图 3 1961—2011年地磁指数 (Ap) 和北半球10m纬向风速曲线图 Fig. 3 Curves of geomagnetic index (Ap) and northern hemispheric 10 m zonal wind speed from 1961 to 2011 |
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图 4 世界地磁模式 (IGRF-11) 所得的四个异常区 Fig. 4 Four anomaly zones from the world geomagnetic model (IGRF-11) |
NO (由原子氮和氧分子化学反应产生) 是低热层的重要气体之一，它不仅直接影响低电离层电子密度的产生过程和形态特征，它又是低热层主要的辐射冷却源，直接影响到该区域能量的变化.在地磁活动对磁赤道地区低热层NO密度影响的研究中发现地磁活动对NO短期变化贡献非常显著 (杨升高等，2013).研究热层大气密度和地磁活动的相关性中，发现热层大气密度变化与地磁指数ap和Dst都具有较好的相关性，而且热层大气密度的变化与Dst指数相关性更好一些 (苗娟等，2012).在研究不同太阳活动及地磁条件下的电离层电导率分布变化规律中，发现磁暴期间电离层电导率随地磁活动的变化相对于随太阳活动的变化要小 (纪巧等，2006).说明：低热层NO受到地磁活动的调控和影响，同时又与中间层大气发生耦合作用，是连接上下层的关键区域，因此研究地磁活动对NO分布特征的影响是十分重要的.
2.4 地磁活动和温度的关系在研究地球表面气温 (1856—2000年) 和地磁活动指数之间的统计关系中，发现：统计学上显著相关的全球和半球温度异常与地磁指数之间的相关性比温度异常和太阳活动之间的相关性高约2倍 (Valev，2006).在地磁活动和地球表面空气温度关系研究中，发现地磁活动和地球表面温度在中东和南欧呈较高的正相关 (Georgieva，1998).在1850—2007年 (近158年) 年平均海表温度 (SST) 与地磁活动指数 (aa) 进行相关分析中，发现SST与aa显著正相关，SST与aa的长期变化趋势相似，都是增加趋势，都在20世纪初达到最低 (Mufti and Shah, 2011).在讨论地磁活动对埃及的年地表气温异常的影响中，发现埃及气温具有约50年，20~25年，10年、2~3年周期，同时，也发现地磁活动指数与埃及东南部 (SE) 气温滞后 (1~3年) 之间负相关，而与埃及东北北部 (NE) 气温的相关性差 (Elmallah，2011).
我们研究了近51年 (1961—2011年) 地磁指数Ap和全球气温相关 (图 5)，得出：(1) 近51年地磁指数和全球地面气温负相关，相关系数为-0.265，达到了99.0%信度检验；(2) 地磁指数Ap与北半球高纬度 (60°~90°) 和低纬度气温 (0°~30°) 呈负相关，相关系数分别为-0.296和-0.385，分别达到了99.5%和99.9%的信度检验.说明地磁指数越强，全球地面气温越低，尤其在北半球高纬度和低纬度地区最为显著.利用世界地磁模式 (IGRF-11) 所得的四个异常区的地磁强度数据与1961—2011年NCEP资料所得的全球地磁异常区地面气温资料，通过相关统计发现：四个地磁异常区地面平均气温与其地磁强度相关系数分别是：-0.531、0.594、-0.462和0.149；四个地磁异常区潜热通量与其地磁强度相关系数分别是-0.592、0.454、-0.526和0.082；除南半球高纬度地区的地磁异常区以外 (第四异常区)，地磁强度异常区所在的地磁强度与地面气温和所在地区的潜热通量显著相关.这些结果表明地磁活动的调制作用对全球气温具有重要的影响.
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图 5 1961—2015年年平均的北极涛动 (AO指数) 和地磁指数 (Ap) 观测平均值 Fig. 5 Annually averaged values of arctic oscillation (AO index) and geomagnetic index (Ap) from 1961 to 2011 |
气象自然灾害发生与地磁异常、大气异常、海洋异常之间是否具有因果关系？比如：1991年江南大水的直接原因比较公认的是由于大气环流异常而造成的，但是大气环流为何异常，同地磁异常有何关系？1990年11月—1991年1月，中国江淮地区出现了大尺度短暂地磁异常现象，同该地区1991年春、夏发生的几十年或百年不遇的特大洪水对应相当好 (曾小苹，1992).1992年和1993年地磁异常现象与灾害性天气的对应关系，在中国许多地区又得到了进一步的印证.例如，1992年长江中下游及其以南的严重洪涝灾害，川西的特大洪水、川东的特大干旱、东北部分地区的冻害；1993年河西走廊及其邻区的沙尘暴，鲁南、苏北、长江口、湘北、黔东、广东、浙江的特大干旱和福建的高温、长江中下游的凉夏等等.
这些气象灾害之前，相应地区的地球磁场都出现了明显的大面积短暂异常现象.这种地磁异常由正常的空间线性分布转变为非线性分布的形式，又以非线性异常分布突然消失的形式结束.异常的空间尺度为几百至上千公里，异常持续时间为1~4个月，异常结束后3~8个月发生灾害性天气.上述现象的表现形式较复杂，特别同其他地质、地球物理、大气异常之间的关系，从地球整体运动的角度进行探讨，发现磁异常的出现往往比灾害的出现提前几个月的时间 (Mufti and Shah, 2011).
2.6 地球内部焦耳加热和气候系统的关系目前，在地磁活动影响地球气候系统机制研究中，提出地磁场影响气候变化的可能途径之一是地球内部通过不断向大气释放焦耳热而影响气候变化 (高晓清等，2002)，地磁场的变化意味着地内电流发生了变化，而地内电流的变化将引起焦耳热产热率发生变化，即地球内部的热状况发生变化，使得从地内向大气圈的热量输入发生改变，从而引起气候变化.如果对流层的气压系统的确受控于地磁场，那么地球气候的变化就应该与地磁场的变化有关.利用近600年的地磁场模型资料计算了地内电流引起的焦耳加热，并和全球平均温度序列做了相关性分析.研究结果表明：地内焦耳加热和全球平均温度有很好的相关性，而且地磁场变化超前于全球气温变化，并预测了21世纪初全球变暖的趋势应该减缓，与目前21世纪初全球变暖停滞现象一致.该研究提出了一种地磁场变化可能影响地球气候的可能机制，即地磁场通过焦耳热的不断释放影响气候变化，地磁场的变化与全球气候变化有其内在联系 (高晓清等，2002).
我们分析了地磁活动与地球大气中热量交换的关系，是为验证地磁场通过焦耳热的不断释放影响气候变化，热量的交换可以表现为潜热热量的交换.潜热通量 (Latent Heat Flux) 为温度不变条件下单位面积的热量交换，单位为瓦每平方米，也是一种能量交换.自然界潜热的主要形式为水的相变，潜热通量就是下垫面与大气之间水分的热交换.在1961—2011年 (近61年) 的全球低纬度地磁指数 (Dst) 和全球平均潜热通量 (Latent Heat Flux) 资料相关统计分析中 (图 6)，发现：(1) Dst与同期全球中、低纬度潜热有着比较好的相关关系；(2) Dst与北半球低纬度、南半球的低纬度和中纬度相关系数分别为：0.312、0.265和0.547，均通过了99.5%信度检验；第一、二、三、四异常区地磁强度和其所在区域潜热通量相关系数分别为:-0.592、0.454、-0.526和0.082.除南半球高纬度的第四异常区以外，潜热通量与地磁强度变化显著相关.说明中、低纬度地磁指数Dst、地磁异常区强度与下垫面与大气之间的热量交换 (潜热通量) 有着一个明显的相关关系.地磁活动越强，下垫面与大气之间热量交换越多，地球低纬度地区和南半球中纬度地区以海洋下垫面为主，就是说地磁活动对全球气温变化的影响主要通过调整海气耦合交换来影响全球气候变化.海气耦合可能是地磁场通过焦耳热的不断释放影响气候变化，地磁场的变化与全球气候变化有其内在的联系.
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图 6 1961—2011年Dst与南半球中纬度 (30°~60°) 潜热通量曲线图 Fig. 6 Annually averaged values of Dst index and latent heat flux of the southern hemisphere (30°~60°) from 1961 to 2011 |
本文对地磁活动和气候变化的相互关系、研究现状和研究进展做了概述研究，首先阐述了地磁活动特征，以及对太阳活动的响应关系.地磁活动对太阳活动的响应，主要以太阳能量的电磁辐射和粒子辐射两种形式不断地向行星际和近地空间环境传输，影响着近地空间电磁环境和动力学过程，表现出时间序列波动的一致周期性和滞后显著相关，例如地磁指数 (Ap) 和北半球10 m纬向风速相关性非常好，地球磁暴指数Dst与南半球中纬度 (30°~60°) 潜热通量也有非常好的相关性.
最后，文章讨论了地磁活动和气候要素的相互关系.这方面的研究不是很多，国外研究主要集中在地磁活动和大气环流、大气密度、海表温度和地表温度的相互关系上.到目前为止，我国的研究工作有一定进展，但是仍然缺乏足够的证据.地磁活动和气候要素的相互关系研究目前只是使用一个地磁指数来代表整个地球的地磁活动水平和强度，忽略了地磁活动的区域特性.从我们的研究可以看出，地磁活动和气候要素都具有很强的区域特性，从区域特性来研究地磁活动和气候要素的相互关系是非常必要的.另外，在地磁场影响气候系统的机制方面，我们提出了一种地磁场变化可能影响地球气候的可能机制，地磁活动越强，下垫面与大气之间热量交换越多，就是说地磁活动对全球气温变化的影响主要通过调整热量交换，如通过地球潜热通量的变化导致焦耳加热的释放来调制和影响全球气候变化.这一机制的提出为进一步研究地磁活动对气候要素的作用奠定了基础.文中指出比较大的气候变化或者天气气候异常几乎都伴随地磁活动异常的出现，因此，在研究地磁活动影响气候要素的机制时，应结合地磁活动异常发生时造成的气象灾害等气象现象进行研究.
作为地球气候系统的能量来源，虽然太阳活动可能是影响气候年代际变化的一个重要因素，但是太阳活动需要经过空间天气变化过程来影响地球的天气气候系统，而地磁活动是太阳爆发现象引起地球近地空间磁场扰动的空间天气重要过程之一.本文综述了地磁变化对气候影响的研究进展，探索地磁活动与太阳活动的相互关系，以及地磁活动对气候要素的影响特征和原理过程，为进一步研究地磁活动对地球天气和气候的影响提供基础和依据.
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