全球大氣能量演變及其與太陽活動的關系

鄭丹宣，王 芬，何 寧

(1.重慶武隆仙女山機場，重慶 武隆 408500；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400；3.重慶市萬州五橋機場，重慶 萬州 404100)

1 引言

隨著氣候變暖的爭議進入高潮[1]，國際上出現了氣候可能變冷的論調[2-3]，而且認為這主要歸結于太陽活動的減弱[4-6]。太陽作為離地球最近的恒星，向地球提供著光和熱，是地球氣候系統最根本的能量源，同時，它也是空間天氣擾動的主要源頭[7]。前人對太陽活動以及太陽黑子數的變化的研究也有許多[8]，同時就太陽活動對ENSO事件這一熱點問題的研究也有不少，而關于ENSO位相與太陽黑子周期位相的關系，最近的一些研究結論是有差異的。White和Liu[9]注意到ENSO暖事件常與太陽黑子峰年匹配，并且提出非線性位相鎖定能夠解釋赤道東太平洋SST變率的重要部分。但是，Meehl提出了相反的意見，Meehl等[10]研究發現太陽黑子峰年，對應La Nia位相(ENSO冷事件)。Roy和Haigh[11]認為，這種分歧的原因可能是由于太陽黑子峰年一般超前于年代際的太陽輻射峰年1 a左右。2006年，Ramaswamy等[12]發現，盡管地球表面對太陽和溫室氣體強迫的響應是相似的，但平流層和對流層對溫室氣體的響應是相反的，這對從噪音中分離太陽信號是有益的。太陽活動對地球大氣能量的演變有影響嗎？二者之間有什么關系呢？于是，本文通過連續小波變換、連續功率譜分析、交叉小波分析和經典交叉譜分析的方法，對全球大氣能量的演變周期以及太陽常數與大氣能量兩個時間序列的共振周期和位相關系做了相關的研究，得到了結論。

本文利用1979—2010年間的JRA-25再分析資料、太陽常數觀測資料，重現了1979—2010年間的各能量的時間序列，并對整層大氣、對流層大氣和平流層大氣這3個層次的能量的演變規律及其與太陽活動的位相關系進行了分析。考慮到平流層和對流層大氣的成分等要素各不相同，在探究全球大氣能量的演變與太陽活動的關系時，將大氣能量分為了平流層大氣能量、對流層大氣能量和整層大氣能量(平流層大氣能量和對流層大氣能量的總和)，對它們分別進行了討論，初步得到了全球大氣能量演變周期以及全球大氣能量和太陽常數的共振周期以及位相關系。

2 資料和方法

2.1 資料的選取及處理

2.1.1 JRA-25再分析資料 資料為JRA-25再分析資料，要素包括月平均地表氣壓，位勢高度，緯向風，經向風，大氣溫度和比濕等。垂直方向23層，水平分辨率為1.25°×1.25°，空間范圍為全球。時間跨度為1979年1月—2010年12月，共計32 a。

2.1.2 太陽常數逐日觀測資料 資料從網站(http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/太陽常數-data/)下載，覆蓋時段為1979年1月—2010年12月的逐日資料，然后對其進行了年平均處理，得到和能量等時間長度的時間序列。

2.2 方法

2.2.2 譜分析 譜分析[15]在氣象中的應用是十分廣泛的。連續功率譜分析多用于氣象要素時間序列的周期分析上，而交叉譜分析則多用于不同氣象要素場的相互關系研究上。本文用連續功率譜分析，探尋全球大氣能量的演變周期。同時對全球大氣能量和太陽常數做了交叉譜分析，探尋了兩者間的共振周期。連續功率譜密度估計的公式:

2.2.3 小波分析 現在小波分析越來越多地被用于分析信號的周期特征, 因為它可以得到時間序列周期和頻率特征的局部精細結構。交叉小波分析[8]是小波分析方法的拓展, 可以用來分析兩個時間序列的共振周期及其位相關系。

3 結果與分析

3.1 全球大氣能量的演變趨勢

本文將大氣能量分層成了整層大氣、對流層大氣和平流層大氣這3個層次，分別進行討論和分析。圖1首先給出了1979—2010年標準化后整層大氣能量的時間序列。從圖1可以看出，整層大氣的動能、位能、內能、總能量隨著時間的變化，均有一個上升的趨勢，其中動能在20世紀90年代中期—2010年基本為增加的趨勢，在2010年達到最高值。位能呈現波動較為規律，基本為“正負”交錯。位能在1998年及2010年達到一個高值，低值出現在1993—1996年。總能量在1998年之后上升較為明顯，在2010年、1998年達到峰值。這與王紹武[13]提出的“近30 a來，全球氣候顯著變暖”的觀點基本吻合。同時1997—1998年的厄爾尼諾事件在時間序列中也有體現。

圖1 1979—2010年標準化后整層大氣能量的時間序列(a 動能，b 位能，c 內能，d 總動能)Fig.1 The time series of the energy of the total atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)total energy

圖2給出了1979—2010年標準化后對流層大氣能量的時間序列。對流層處于整層大氣系統的下層，是最靠近人類活動區域的一層，也是大氣運動最復雜的氣層，無論是溫度還是水汽，對流層比平流層的擁有量更大，因此，對流層的能量的方差貢獻，也明顯高于平流層的能量的方差貢獻，對比圖1和圖2可以看到，對流層大氣的能量的時間序列走勢基本與整層大氣的能量的時間序列走勢一致。從圖2中可以看到，動能、位能、內能的時間序列均有一定的上升趨勢。其中在1998年，動能、位能、內能均達到峰值。

圖2 1979—2010年標準化后對流層大氣能量的時間序列(a 動能，b 位能，c 內能，d 總動能)Fig.2 The time series of the energy of the troposphere atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)latent heat energy

圖3給出了1979—2010年標準化后平流層大氣能量的時間序列。平流層處于整層大氣的上層，比起人類活動的影響，這一層受太陽活動的影響更大，人類活動的影響微乎其微。從圖中可以看到平流層的大氣動能有一個弱的上升趨勢，相反，位能、內能、總能量都有一個下降的趨勢，且動能的波動比較規律，同時位能、內能、總能量在1993—1996年達到了低值。根據計算，平流層位能的方差貢獻占58.5%，內能的方差貢獻占40.8%，而動能、潛熱能的方差貢獻幾乎可以忽略不計。從圖3中還可以看出，平流層動能有微弱的上升趨勢，但絲毫不影響總能量的下降趨勢，因為在平流層占方差貢獻99.3%的動能、內能均有一個下降的趨勢，從而使得平流層的總能量也呈下降趨勢。

進入工業革命以來，全球的溫室氣體排放增加。溫室氣體增加的輻射效應，一方面造成地面和對流層變暖，另一方面卻導致平流層變冷。這在圖2和圖3的內能時間序列可以得到佐證，與溫度相關的內能，在平流層有一個下降趨勢，相反在對流層，內能的時間序列有一個上升趨勢。王紹武[14]給出了一系列太陽活動減弱的證據，并根據1965 年以來各種與太陽活動有關指數的觀測，指出太陽活動已經或即將回到20 世紀初期的低點，1920年以來的強太陽活動期(現代極大期)即將結束。宋斌[6]也指出太陽活動強迫是造成全球變暖停滯的幾種外強迫中最重要的強迫。雖然本文的重點不在研究全球變暖。但是，太陽活動是否會影響大氣能量的演變，它們之間究竟有著怎樣一種聯系，是太陽活動超前于大氣能量的變化，還是大氣能量的變化超前于太陽活動呢，它們之間是否有共振周期，這些問題，本文通過連續小波變換、連續功率譜分析、交叉小波分析和經典交叉譜分析的方法做了相關的研究，為全球大氣能量演變及其與太陽活動的關系的研究提供了一些科學論斷。

圖3 1979—2010年標準化后平流層大氣能量的時間序列(a 動能，b 位能，c 內能，d 總動能)Fig.3 The time series of the energy of the stratosphere atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)total energy

3.2 全球大氣能量的演變周期

圖4 全球大氣能量的連續功率譜分析(藍色線條表示大氣能量的連續功率譜估計，紅色線條為置信度為95%的白色噪音過程檢驗值，橫坐標為周期(單位：a))Fig.4 The continuous power spectrum analysis of the total atmosphere energy,continuous power spectrum estimation (blue line) and the value of 95% confidence coefficient of white noise process inspection(red line),the unit of X-coordinate is year

3.3 全球大氣能量與太陽常數的共振周期

根據文獻[18-19]中的方法和程序，對全球大氣能量與太陽常數的相互關系進行小波分析和交叉譜分析。圖5首先給出全球大氣能量和太陽常數的連續小波變換結果，從中可以看到，整層大氣和對流層大氣的總能量的連續小波變換的結果與之前的連續功率譜估計的結論一致，都存在一個顯著的4 a周期。而平流層并沒有得到11～22 a的顯著周期的結論。至于平流層的連續小波變換結果和之前的連續功率譜估計的結論不一樣，是因為在對平流層大氣總能量的進行連續小波變換處理前，沒有對其進行濾波處理，4 a的強ENSO信號，掩蓋了11 a周期變化的特征。而太陽常數的連續小波分析結果和太陽常數的連續功率譜估計一致，并且均通過了顯著性為0.05的檢驗。

圖5 全球大氣能量和太陽常數的連續小波變換(a，整層大氣總能量；b，對流層大氣總能量；c，平流層大氣總能量；d，太陽常數；粗實線表示通過0.05 顯著性檢驗的臨界值，細實線表示連續小波變換的數據邊緣效應影響較大的區域)Fig.5 The continuous wavelet transform of atmosphere and the solar constant,(a)the continuous wavelet transform of the energy of total atmosphere ;(b)the continuous wavelet transform of the energy of troposphere atmosphere;(c)the continuous wavelet transform of the energy of stratosphere atmosphere;(d)the continuous wavelet transform of the solar constant;(the center area circling by the thick solid line is the critical value of passing the 0.05 significance testing,the border area signing by the thin solid line is the area of the data edge effect)

圖6為全球整層大氣總能量和太陽常數的交叉小波分析結果。從圖中可以看到，整層大氣總能量和太陽常數兩個時間序列通過顯著性檢驗的共振周期為8～11 a；對流層大氣總能量和太陽常數兩個時間序列通過顯著性檢驗的共振周期同樣為8～11 a。兩個層次的大氣總能量和太陽常數在此頻段上都表現出同位相的顯著共振關系，并且在8～11 a的尺度上無論是整層大氣總能量還是對流層大氣的總能量，大氣總能量的變化都超前于太陽常數的變化。雖然還沒有足夠的證據解釋整層大氣的總能量的變化超前于太陽常數的變化的原因，但是在兩個時間序列(總能量和太陽常數)的超前、落后關系上，平流層的交叉小波分析結果表明，平流層大氣對太陽活動的響應，與對流層大氣對太陽活動的響應是不同的。

圖6 全球整層大氣總能量和太陽常數的交叉小波分析(a，整層大氣；b，對流層大氣；c，平流層大氣；粗實線表示通過0.05 顯著性檢驗的臨界值,細實線表示交叉小波分析的數據邊緣效應影響較大的區域。箭頭由左指向右表示太陽常數與全球大氣能量同位相，箭頭豎直指向下表示全球大氣能量的變化超前太陽常數90°)Fig.6 The Cross wavelet analysis of the energy of the total atmosphere and the solar constant(a),the Cross wavelet analysis of the energy of the troposphere atmosphere and the solar constant(b),the Cross wavelet analysis of the energy of the stratosphere atmosphere and the solar constant(c),the center area circling by the thick solid line is the critical value of passing the 0.05 significance testing,the border area signing by the thin solid line is the area of the data edge effect ;the same phase of the solar constant and atmosphere energy signs by arrow from left to right,the phase of atmosphere is 90°ahead signing by arrow pointing to bottom vertically)

圖7為全球大氣總能量與太陽常數的經典交叉功率譜分析。從圖7a看到，全球大氣總能量與太陽常數的經典交叉功率譜通過顯著性檢驗的共振周期為4～11 a；對流層大氣通過顯著性檢驗的共振周期為5.5～7.3 a(圖7b)；平流層大氣通過顯著性檢驗的共振周期為3.7～11 a(圖7c)。對比圖6、圖7可以看到，交叉小波分析和經典交叉譜分析的結果存在細微的差異，可以從以下兩個方面解釋：一方面，本文所選取的樣本基數為32 a(1979—2010年)，樣本基數自身較小，在進行小波分析的時候，為了舍去誤差較大的數據邊緣效應影響區，所得到的共振周期具有個例特征；另一方面，經典交叉譜分析的結果具有統計學的平均量意義，與小波分析有所不同。

圖7 全球大氣總能量與太陽常數的經典交叉功率譜分析(藍色線條)(紅色線條表示置信度為95%的白色噪音過程檢驗值，橫坐標為周期(單位：a))Fig.7 The result of the classic cross power spectrum analysis of the energy of the global atmosphere and the solar constant(blue line),the value of 95% confidence coefficient of white noise process inspection(red line),the unit of X-coordinate is year

4 結論和討論

①整層大氣的動能、位能、內能、總能量隨著時間的變化，均有一個上升的趨勢，其中動能在20世紀90年代中期—2010年基本為增加的趨勢，在2010年達到最高值。對流層的大氣動能、內能、位能和總能量均有一個上升的趨勢。平流層里占方差貢獻較大的位能、內能均有一個下降的趨勢，從而平流層的總能量有一個下降的趨勢。

②整層大氣的總能量和對流層大氣的總能量，兩者的功率譜估計的變化大體一致，都存在一個顯著的3.7 a的周期；而平流層大氣的總能量具有一個顯著的11～22 a的振蕩周期，這與太陽活動和太陽磁場有著密切關系。同時，平流層大氣對太陽活動的響應，與對流層大氣對太陽活動的響應有所不同。平流層大氣的總能量略落后于太陽常數，但是整層大氣和對流層大氣的總能量均是超前于太陽常數。

③整層大氣、對流層大氣和平流層大氣這3個層次的總能量和太陽常數分別具有顯著的4～11 a的共振周期、5.5～7.3 a的共振周期和3.7～11 a的共振周期。

盡管近幾十年來，對流層大氣的總能量有一個上升趨勢，但是相反的，受太陽活動影響更大的平流層，其總能量呈一個下降的趨勢。太陽活動對全球大氣能量的影響依然是一個重要的科研問題，全球氣候變暖的問題依然受到爭議。