海洋熱含量對太陽總輻射11年周期變化的響應

王剛顏雙喜林敏

（1 國家海洋局數據分析與應用重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061；2 國家海洋局海洋環境科學與數值模擬重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3 中國海洋大學數學科學學院數學系，青島 266100）

海洋熱含量對太陽總輻射11年周期變化的響應

王剛1,2顏雙喜3林敏3

（1 國家海洋局數據分析與應用重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061；2 國家海洋局海洋環境科學與數值模擬重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3 中國海洋大學數學科學學院數學系，青島 266100）

地球接收到的太陽總輻射（TSI）存在一個約11年的微小周期變化，該變化可能對地球氣候系統造成影響。眾多研究表明，局部海域海表面溫度、海洋熱含量的平均時間序列與TSI的11年周期變化有顯著的相關性。但海洋對太陽輻射11年周期的響應并非空間均勻的，響應機制也不確定。這里采用合成平均差方法，根據太陽活動的高值年和低值年，對美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和日本氣象廳（JMA）的全球上700m熱含量進行合成分析。兩套數據產品得到的海洋熱含量對太陽輻射的響應空間模態基本一致。在太平洋分別選取其中一個正響應區域和一個負響應區域，發現這兩個區域的上700m熱含量確實存在較明顯的11年周期變化。

太陽總輻射，海表面溫度，海洋熱含量

1 引言

太陽輻射是地球氣候系統的主要驅動力。太陽總輻射（TSI）指位于地球大氣層之外一個標準地—日距離處的單位圓盤所接收到的太陽輻射通量。衛星觀測時代開始之前，TSI的測量在地面進行，科學家普遍認為它是一個常量（約1367W·m-2），因而也稱其為“太陽常數”[1-4]。只有少數科學家根據一些間接資料推測，TSI可能隨太陽黑子等太陽活動而發生變化[5]。有了衛星觀測以后，TSI的觀測精確度大大提升，TSI與太陽活動的密切關系也被逐漸證實。例如，TSI隨太陽黑子數有一個11年左右的周期變化[6-7]，太陽活動極大年（峰年）與太陽活動極小年（谷年）之間的TSI相差約1W·m-2。通常所說的太陽活動周（或太陽黑子周期）就是指太陽活動（太陽輻射和高能粒子等）和表象（黑子數、耀斑等）的平均11年左右（通常在9～13.6年之間）的周期變化。此外，在年代際尺度上，TSI還存在22年的Hale周期和80～90年的Gleissberg周期[8]。根據TSI與太陽活動的關系，天文學家可以重構上百年的TSI時間序列[9-10]。

Kopp等[11]根據衛星觀測數據將目前TSI的平均值修正到約1361W·m-2。

早在200多年前，Herschel[12]就推測，太陽活動可能對地球氣候系統產生影響。作為太陽活動的一個主要指標，TSI在年代至千年時間尺度上的變化都可能會影響到氣候系統[13-14]。在有衛星觀測之前，Eddy[5]就提出，TSI隨黑子數變化的準10年周期可能對地球氣候系統產生影響。Beer等[15]采用一個非線性回歸模型估計，1850—1990年的140年中，全球變暖約40%源于太陽輻射。Scafetta等[16]以太陽—氣候耦合模型估算，太陽對1900—2000年全球變暖的貢獻率達到45%～50%，對1980—2000年全球變暖貢獻率約為25%～35%。Gleiser等[17]在低緯度和中緯度對流層的速度、熱力變量中都發現了顯著的太陽11年周期。Friis-Christensen等[18]發現太陽黑子周期長度的變化與北半球氣候距平時間序列有很高相關性，因而可以作為太陽活動與氣候系統的一個相關指數。

海洋是地球氣候系統的重要組成部分。本文主要探討海洋熱含量對TSI的11年周期的響應。第二部分，將回顧以往研究中給出的TSI的11年周期變化影響上層海洋溫度的證據及可能的物理機制；第三部分，給出兩個海洋熱含量具有明顯11年周期的海區，這兩個海區可能是對TSI的11年周期具有顯著響應的區域；第四部分是總結和展望。

2 海洋溫度對太陽11年周期的響應

Reid[19]發現，1985年之前130年的全球平均海表面溫度（SST）異常與太陽黑子數的變化，在11年滑動平均之后具有非常一致的變化趨勢。根據1980—1985年間TSI的變率以及130年的全球平均SST數據推測，SST可能與TSI的11年周期變化的包絡（即80～90年的Gleissberg周期）具有相同的相位[20]。Reid建立的海洋熱結構模式計算表明，驅動海洋變化需要TSI約0.1%～1%的變化量。從而，TSI在一個太陽黑子周期內的變化幅度(約0.1%)可能會引起氣候系統的變化[20]。不過，也有研究認為其還不足以對氣候造成顯著影響[15]。White等[21]計算了1955—1991年共38年的全球平均SST異常的功率譜，發現各海盆和全球平均SST時間序列在9～13年以及18～25年的時間尺度上對TSI的變化有顯著響應。1955—1996年間，全球海洋上層熱含量也有8～15年及15～30年周期的顯著變化，并與TSI的變化同步[22]。曲維政等[23]對1955—1999年間北太平洋中部400m深海洋溫度的異常進行了功率譜分析，發現北太平洋中部和南太平洋中部海水溫度具有明顯11年周期。

上層海洋對太陽11年周期活動的響應在空間上也是分布不均的。通常采用合成平均差（Composite Mean Difference）方法，即根據上層海洋溫度在太陽活動峰年（或高值年）和谷年（或低值年）的平均差，來確定海洋對太陽響應的空間結構。眾多研究表明，太平洋SST中發現的太陽11年周期信號類似于ENSO信號。van Loon等[24-25]給出太平洋SST對TSI的11年周期峰年的響應，發現熱帶北太平洋區域對TSI的11年周期的響應為La Ni?a型信號，即在太陽活動峰年，熱帶西、中太平洋SST異常偏暖，而熱帶東太平洋異常偏冷。Meehl等[26-27]在熱帶太平洋的SST時間序列中發現了類似的強La Ni?a型冷信號。然而White等[21-22]、Tung等[28]以及Roy等[29]則在同一區域發現了弱El Ni?o型的暖信號。不同學者得到的海洋對TSI的11年周期響應的空間分布在相位上的差異，可能是他們采用不同的數據濾波方法造成的[25,30]；也有可能太陽對海洋的影響并不顯著，因而被ENSO信號所掩蓋[31]。

在地球表面監測TSI的11年周期變化對氣候系統的影響并不容易，這一方面是由于TSI本身的變化非常小，另一方面是由于近些年來溫室氣體、火山、氣溶膠等的變化對氣候系統的影響更加顯著，很難從中分離出太陽的影響。太陽活動影響地球氣候系統的觀測證據，似乎都只能從時間序列的統計特征來證明它們的相關性，因而受到一些學者的質疑[32]。此外，從能量角度來說，TSI的11年周期變化只能使全球平均SST產生約0.1K的變化，這與觀測（至少是局部觀測）所顯示的太陽11年尺度的氣候變化的量值相差較大。一種可能的解釋是，太陽與地球氣候系統存在一個復雜的相互作用機制，使得地球表面只有局部地區對TSI的11年周期變化有顯著響應[33]。

學者們所提出的太陽對氣候系統的影響機制大致可以分為兩類：一是太陽通過高能粒子的調制作用對氣候系統產生影響[34]；二是TSI的變化直接作用于氣候系統[35]。無論是高能粒子還是TSI本身，它們的變化對氣候系統造成的影響都非常小，但是其長期累積效應或者非線性效應導致的放大反饋過程可能會對氣候系統起到明顯作用。

太陽通過高能粒子的調制作用對氣候系統的影響主要是在高緯大氣中引發化學反應，進而作用到氣候系統。目前尚未有高能粒子直接影響海洋溫度的研究和報道。TSI直接作用機制包括由底至上機制（海洋吸收太陽輻射，然后傳遞到大氣中）和自頂向下機制（大氣對太陽輻射的響應驅動了海洋的響應）。由底

至上機制主要強調海洋的熱吸收能力。海洋熱容量巨大，因而其直接吸收TSI造成的長期累積效應可能會比較顯著[36]。Meehl等[26]提出由底至上機制解釋了熱帶太平洋SST對TSI的11年周期響應的La Ni?a型空間結構形成過程（圖1）：太陽活動峰年時，熱帶太平洋東部無云區海表面接收到的太陽輻射增加（圖1a），從而增加了海洋的感熱通量；蒸發導致大氣中的水汽增多，更多的水汽隨著信風被輸送到中西太平洋多云區，加強了降水量和向對太陽輻射的反射（圖1b）；東太平洋無云區大氣沉降的增強，使得云量進一步減少，然后導致更強的信風和更強的赤道輻合帶（圖1c）。海氣相互作用過程使得太陽輻射在太平洋東部增加而西部較少。自頂向下機制則主要來解釋太陽輻射的紫外部分如何通過同溫層自上而下影響氣候系統。White[35]對海洋SST和熱含量等的熱收支的診斷認為，SST中的11年周期信號不能僅僅以由底至上機制來解釋，TSI中的紫外輻射部分通過大氣同溫層自頂向下影響氣候系統的作用也可能存在。Misios等[37]的數值模擬實驗也說明，大氣對TSI的11年周期的響應驅動了熱帶太平洋中該尺度的信號，并通過海—氣反饋過程放大。熱帶和副熱帶海區可能同時存在由底至上和自頂向下兩種響應機制[30]。

圖1 熱帶太平洋SST對太陽輻射11年周期響應的機制（a）全球平均太陽輻射增加0.2W·m-2即可使東太平洋無云區增加約2W·m-2的熱通量；（b）無云區海面溫度的增加導致海洋潛熱通量增加，大氣中的水汽增多。信風將更多的水汽帶到西太平洋的赤道輻合帶，從而輻合帶云量增加，太陽輻射反射增強且降水增多，海表面溫度反而降低；（c）隨著東部大氣沉降的增強，無云區云量進一步減少，海面接收到的太陽輻射進一步增強，導致更強的信風和赤道輻合帶（據Meehl等[26]改編）

3 海洋熱含量對TSI的11年周期的響應

目前關于海洋對太陽11年周期的響應研究，大致有如下3種方法：一是根據海洋觀測數據計算局部海區（海盆或更大尺度）平均溫度（SST或海洋熱含量等）的時間序列和太陽活動（TSI或黑子數）時間序列的相關性；二是通過對海洋觀測數據的合成平均或合成平均差來確定海洋對太陽11年周期響應的空間分布；三是采用海—氣耦合模式，在模式中改變與太陽活動有關的參數來做敏感性試驗，從而推測海洋對太陽11年周期的響應過程和機制。

本研究探討了海洋熱含量（如果沒有特別說明，海洋熱含量就是指海洋熱含量異常）與TSI的11年周期的關系。TSI數據基于Wang等[38]的通量傳輸模型模擬得到（http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/），然后進行平移，以便和Kopp等[11]校正后的TSI觀測值銜接。海洋熱含量采用源自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和日本氣象廳（JMA）的共兩套數據。NOAA數據由Levitus等[39]基于WOD09構建，該數據集提供全球1°×1°格點海洋熱含量數據，時間從1955—2011年，包括季節平均、年平均和5年平均，垂向包括0～700m和0～2000m兩個水深。本文采用的是0～700m層的5年平均數據。JMA數據由Ishii等[40]基于WOD05構建，空間分辨率也是1°×1°，時間從1950—2011年，該數據為年平均數據。為與NOAA數據保持一致，我們對JMA數據進行了5年滑動平均。

首先，根據TSI的量值（圖2）將1955—2012年這段時間分為太陽活動高值年和太陽活動低值年兩類。前者為包括太陽活動峰年在內的TSI的11年周期中輻射值較高的年份（大約5年），后者為包括太陽活動谷年在內的TSI的11年周期中輻射值較低的年份。我們注意到，如果以一個常數（如1955—2012年的TSI平均值，圖2藍線）來劃分高值年和低值年，可能會造成一個太陽黑子周期內有多個高值年時段或多個低值年時段的情況（如1965—1976年間，1971年為低值

年，而1970年和1972年為高值年）。為此，本文采用經驗正交分解（EMD）方法，提取TSI中的11年周期的本征模態函數，以此模態代替TSI來確定高值年和低值年：高于平均TSI的EMD分量所對應的年份為太陽活動高值年，其余年份為太陽活動低值年。在做EMD分解時，為了減小EMD分解中邊界效應所引起的誤差，選取的時間段從1947年開始。在做合成平均差時，實際時段根據海洋熱含量的時段截取。

太陽活動高值年和低值年確定之后，我們采用合成平均差（將海洋中每個點的0～700m熱含量按照太陽活動高值年和低值年分為兩組，然后計算兩組的平均值之差）來確定海洋熱含量對太陽活動的響應。圖3是兩套熱含量數據得到的熱含量對太陽11年周期響應的空間模態。

圖2 年平均TSI（黑線）以及它的11年周期的EMD分量（紅線）。圖中高于1955—2012年的TSI平均值（藍線）的EMD分量所對應的年份為太陽活動高值年，其余為太陽活動低值年

圖3 合成平均差得到的0～700m全球海洋熱含量對太陽11年周期的響應模態。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數據得到的結果。如果某個點的海洋熱含量具有與TSI同相位的11年周期振蕩，則該點表現為暖色調；反之，如果某點的海洋熱含量具有同TSI反相位的11年周期振蕩，則該點在表現為冷色調。矩形區域A和B對應著太平洋海洋熱含量對TSI正響應顯著和負響應顯著的兩個區域

很明顯，TSI的11年周期只是圖3中空間各點熱含量對太陽輻射響應為正或負的充分條件，而不是必要條件。換言之，圖3中為正響應的點，其熱含量未必具有與TSI同相位的11年周期振蕩；同樣，負響應的點也未必具有與TSI反相位的11年周期振蕩。為此，我們在熱帶太平洋選擇兩個海洋熱含量對TSI響應比較顯著的海區，來進一步觀察其是否具有11年周期振蕩。圖3中A區域和B區域分別對應太平洋海洋熱含量對TSI正響應或負響應比較顯著的兩個區域。圖4和圖5分別給出這兩個區域經向（子午向）平均海洋熱含量隨時間的變化。在NOAA數據（圖4a）和JMA數據（圖4b）中，A區域的海洋熱含量都表現出明顯的準10年振蕩。B區域的海洋熱含量在1980年代之后表現出明顯的準10年周期振蕩。如果認為1980年左右存在一個冷相位（圖5a中比較明顯，圖5b中則不明顯），則從1950年代至2011年會出現一個連續的10年周期振蕩。這個冷相位的弱化或缺失，可能與1975年左右熱帶太平洋的穩態轉換（regime shift）[41]有關。以Levitus數據為例，我們對這兩個區域進行了小波分析。功率譜（圖6）顯示，兩個區域的平均熱含量都在11年左右周期上有明顯譜峰，并通過了紅噪聲95%的置信度檢驗。對于A區域（圖6a），11年周期為最顯著周期；對于B區域（圖6b），25年左右周期最顯著，11年周期次之。

圖4 赤道中太平洋（圖3中A區域）海洋熱含量隨時間的變化。海洋熱含量具有明顯的11年周期振蕩，且與太陽11年周期信號同相位。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數據得到的結果

圖5 西太平洋暖池（圖3中B區域）海洋熱含量隨時間的變化。海洋熱含量具有明顯的11年周期振蕩，且與太陽11年周期信號反相位。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數據得到的結果

然后，采用一個簡單的辦法對圖3中給出的海洋熱含量對TSI的響應模態做顯著性檢驗。1955—2012年間，TSI大致經歷了5個黑子周期，這里將其分為9段（每段長度為一個太陽黑子周期，相鄰兩段有半個周期的重疊），在每段時間采用合成平均差做海洋熱含量的響應投影。若某點海洋熱含量對TSI的9段響應中同為正或同為負的出現7次以上，則認為該點的海洋熱含量對TSI的11年周期響應是顯著的。結果顯示，圖3中A區域的大部分格點上對TSI的11年周期的響應是顯著的，而B區域的顯著響應區域集中在該區域顏色較深的位置（圖略）。這也解釋了為何圖5中B區域的11年周期不如圖4中A區域的11年周期明顯。

此外，在黑潮、灣流以及阿加勒斯海流這幾個西邊界流的延伸區，也分別看到了熱含量對太陽11年周期的顯著響應。其中，黑潮延伸區為顯著的正響應，后兩者為負響應。這些區域的海洋熱含量變化對局地氣候系統都有重要影響。

4 總結與展望

太陽是地球氣候系統的主要能量來源。太陽活動必然會影響到地球氣候系統。然而，太陽總輻射在一個黑子周期（11年）內的微小變化是否能夠顯著影響到地球氣候系統，還存在廣泛爭議。目前已有的觀測只能證明，在大氣和海洋的某些區域，存在與TSI的11年周期相關的周期信號。時間序列的相關性無法解釋TSI的微小能量變化如何引起地球氣候系統（局部）地區顯著的11年振蕩的問題。TSI信號通過非線性作用在氣候系統中的放大過程，還需要復雜的太陽—氣候系統的相互作用機制來解釋。目前數值模式在機制分析上起重要作用，理論證明還需要進一步發展。

我們近期的工作從海洋熱含量對TSI響應的空間模態中挑選了兩個響應顯著的區域。在這兩個區域中，我們看到海洋熱含量具有明顯的準10年周期振蕩。Hasegawa等[42]曾在熱帶太平洋的海洋熱含量中發現了13年的振蕩信號，并認為它和ENSO事件有關。與他們發現的信號不同的是，我們給出的準10年信號周期更接近太陽11年周期，并且沒有發現明顯的東西向傳播現象，因而可能是不同的信號。考慮到得到該信號的過程，我們認為，它是海洋熱含量對TSI的11年周期的響應。此外，黑潮、灣流、阿加勒斯海流這幾個對區域氣候影響顯著的西邊界流，它們延伸區的海洋熱含量對TSI的11年周期的響應也很顯著，只是相位上有所不同。不同海區對TSI響應的強度或相位上的差異，可能是海—氣非線性相互作用的結果，也可能是海洋本身動力過程的結果，響應過程及作用機理有待深入探討。

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Response of Ocean Heat Content to the 11-year Variation of Total Solar Irradiance

Wang Gang1,2, Yan Shuangxi3, Lin Min3
(1 Key Laboratory of Data Analysis and Applications (LDAA), the First Institute of Oceanography (FIO), State Oceanic Administration (SOA), Qingdao 266061 2 Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling (MASNUM), FIO, SOA, Qingdao 266061 3 Department of Mathematics, School of Mathematical Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100)

The total solar irradiance (TSI) impinging on the Earth has a slight variation of approximate 11-year period, which is expected to affect the variability of the Earth climate system. Researches have found correlations between sea surface temperature or ocean heat content of local ocean basins and the 11-year TSI time series. However, the response of the upper ocean to the 11-year solar cycle is not spatially uniform, and the response mechanism is still open to debate. No region has even been identif i ed to have a clear 11-year variation in its sea surface temperature or ocean heat content yet. We analysed the ocean heat content (OHC) in upper-700-m of the global ocean from NOAA and JMA datasets, respectively. Composite mean difference method is used to obtain the response pattern of OHC to the 11-year solar activity. The two datasets give rather similar results. We select a positive response area and a negative one in the Pacif i c and fi nd a signif i cant 11-year variation in the upper 700-m OHC in these two regions.

total solar irradiance (TSI), sea surface temperature (SST), ocean heat content (OHC)

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.003

2013年10月16日；

2014年3月10日

王剛（1977— ），Email: wangg@fio.org.cn

資助信息：國家重大科學研究計劃項目（2012CB957803）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2011CB403502）;國家自然科學基金資助項目（41006018，41476024）；山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金項目（BS2011HZ019）