一個古老的話題：太陽、地球和天氣

李澤椿 諶蕓 張峰 權(quán)婉晴 王月冬

太陽活動研究歷史

太陽活動變化的最長久記錄是太陽黑子的變化。太陽黑子的第一次記錄大約是在公元前800年前的中國，最老的描繪記錄約在公元1128年。1610年，天文學(xué)家開始用望遠(yuǎn)鏡記錄黑子和它們的運動，最初的研究聚焦于本質(zhì)和行為。17、18世紀(jì)，由于黑子數(shù)目偏低，使得研究受到了阻礙。但在19世紀(jì)之前，已經(jīng)有足夠長的數(shù)值記錄可以推斷黑子活動的周期性。

?用望遠(yuǎn)鏡觀測太陽

?在北極監(jiān)測太陽活動

1801年，一個名叫赫謝耳（Herschel）的歐洲人推測太陽活動可能與地球氣候之間存在聯(lián)系，并得出太陽黑子少時地球上降水量少的結(jié)論。這是關(guān)于太陽活動對地球氣候影響的最早論述。在隨后的200年里，人們找到很多支持證據(jù)，表明太陽活動與某些氣候要素之間具有良好的相關(guān)性。譬如，太陽黑子持續(xù)異常減少的蒙德極小期（1645年至1715年）在時間上正好對應(yīng)于西歐“小冰期”的低谷期、北半球陸地表面溫度與太陽活動周期長度之間具有很強相關(guān)性。

大約在1900年，研究人員開始探索太陽活動和地球上天氣間的關(guān)聯(lián)性，特別值得注意的是阿布特的工作。他的團(tuán)隊從發(fā)明測量太陽輻射的儀器開始，之后，他在智利的卡拉瑪建立太陽觀測站，以彌補威爾遜山天文臺在數(shù)據(jù)資料上的不足。他通過城市各個月的天氣記錄，如溫度與降雨量變化等和太陽活動成正相關(guān)或反相關(guān)的趨勢，來尋找太陽活動與天氣間的關(guān)聯(lián)性。隨著樹木年輪氣候?qū)W的發(fā)展，科學(xué)家們注意到樹木的生長和現(xiàn)存記錄上太陽活動周期之間的關(guān)聯(lián)性，并且以長達(dá)數(shù)世紀(jì)的太陽常數(shù)變化，推論千年尺度的年代學(xué)變化與之相似。

太陽活動是地球天氣與氣候形成的原因

地球的絕大多數(shù)能量來自太陽，地?zé)崮堋⒒鹕侥艿绕渌芰康目偤椭挥刑栞椛淠艿?/10000。地球上大氣環(huán)流的直接能量來源是下墊面的加熱、水汽相變的潛熱加熱和大氣對太陽短波輻射的少量吸收，但其最終來源還是太陽輻射。

太陽輻射將能量傳遞給地球下墊面。地球不同緯度接受太陽輻射能量的差異造成了從赤道到兩極的地表溫度和大氣溫度差異，而地球海陸分布差異也帶來不同區(qū)域吸收太陽輻射能量的差異，占地表面積71%的海洋吸收了大部分的太陽輻射能，成為地球大氣最重要的熱源。

上述溫度差異造就了地表附近的冷暖氣團(tuán)，同時也激發(fā)了大氣產(chǎn)生環(huán)流，進(jìn)而促使冷暖氣團(tuán)交匯，引起降水、寒潮、大風(fēng)等天氣。由于氣溫與降水的分布差異，地球不同區(qū)域也就有了不同的氣候。

?地球的絕大多數(shù)能量來自太陽

?冷暖氣團(tuán)交匯引起降水、寒潮、大風(fēng)等天氣

太陽活動引發(fā)地球天氣的變化

研究結(jié)果顯示，太陽活動和地球溫度的變化具有共同的周期性;同時，太陽活動和溫度變化之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系。全球平均氣溫的變化受太陽活動調(diào)制。在分析萬年尺度的重構(gòu)數(shù)據(jù)時，也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律：太陽黑子數(shù)與南極局地氣溫有4個共同變化周期，并且太陽黑子的變化領(lǐng)先于地球溫度的變化，而大氣中CO2含量的變化則滯后于溫度的變化。太陽黑子11年周期與中國夏季氣溫呈明顯的雙振動現(xiàn)象，即在太陽黑子的峰、谷值年附近，夏季大范圍氣溫偏低;而在峰、谷值年之間的年份，夏季大范圍氣溫偏高。1951年以來，中國東北地區(qū)出現(xiàn)的6個嚴(yán)重低溫冷害年，其中就有5年在太陽黑子的峰、谷值年附近。20世紀(jì)80年代以來，全球變暖，東北地區(qū)沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的低溫冷害，但在4個太陽黑子的峰、谷值年中，有3年東北大部地區(qū)夏季溫度比常年偏低。

另外，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，亞寒帶許多樹齡很高的樹木的年輪恰恰有著與太陽黑子活動11年周期相對應(yīng)的、有規(guī)律的疏密變化。同時從統(tǒng)計資料中發(fā)現(xiàn)，凡是太陽黑子活動的高峰年，地球上特異性的反常氣候出現(xiàn)的機率就明顯地增多;相反，在太陽黑子活動的低峰年，地球上的氣候就相對比較平穩(wěn)。

針對太陽活動的另一個關(guān)注重點在于太陽活動對全球變暖的影響。據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告稱，太陽活動11年的周期性變化可以解釋全球溫度波動值在太陽活動峰谷期之間為何為0.1℃左右。在20世紀(jì)初，太陽活動的長期增長趨勢以及內(nèi)部變率、溫室氣體的增加和火山活動的間斷等，都可能會放大這一周期內(nèi)的升溫情況。最近的模式研究結(jié)果也表明：20世紀(jì)上半葉，全球增暖主要歸因于自然因素，其中相當(dāng)程度上源于太陽影響的增加;而20世紀(jì)下半葉和21世紀(jì)初，增暖主要是由于溫室氣體排放。而對于最近20年的情景，甚至有研究認(rèn)為，太陽活動可能對氣候起到一個弱的降溫作用。

?樹木年輪與太陽黑子活動11年周期也有關(guān)聯(lián)

?太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等都會影響地球天氣氣候

?全球大氣環(huán)流

太陽活動對地球天氣影響機制研究

三種時間尺度

目前關(guān)于太陽活動對地球氣候的影響，主要存在三種不同時間尺度上的研究：（1）與太陽活動長周期變化相關(guān)的地球氣候的改變，主要探索地球上接收到的太陽輸出能量的長期變化與幾百至幾千年氣候變化之間的關(guān)系;（2）與11年太陽活動周期有關(guān)的中周期氣候變化，主要研究地球上氣壓、溫度、降水、雷暴等氣象參數(shù)與太陽黑子周期的相關(guān)性;（3）與瞬變太陽事件有關(guān)的幾天時間尺度的天氣變化，主要研究直接或間接的太陽擾動（如耀斑、地磁擾動、太陽風(fēng)特性的短期變化、行星際磁場扇形結(jié)構(gòu)等）與氣象參數(shù)（如氣壓、環(huán)流形勢、雷暴、渦旋面積指數(shù)等）短期變化之間的關(guān)系。早期的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，500百帕（hPa）等壓面的平均高度在太陽耀斑前后發(fā)生了明顯的改變，雷暴活動似乎也與太陽耀斑事件存在某些相關(guān)性。

太陽活動影響機制

目前，通過一系列的分析研究，在關(guān)于太陽活動影響天氣氣候變化方面，學(xué)術(shù)界已有了一些初步看法，但尚未形成完整的理論。歸納起來，可以將它們概括為直接影響和間接影響。具體有如下幾種可能途徑：

太陽活動→太陽輻射量→地表溫度→大氣環(huán)流→天氣氣候變化。這是最直接的影響方式。11年太陽活動周期輻射量變化對地表溫度的影響為0.07開爾文（K），與全球平均海平面溫度（SST）變化（0.08K±0.02K）尺度相當(dāng)。然而不同地區(qū)的局地溫度變化要遠(yuǎn)大于全球平均，這表明其中包含一定的反饋強化機制，如對哈德雷環(huán)流與沃克環(huán)流的影響造成更大的溫度變化。

太陽活動（特別是宇宙線加強）→地球大氣電離程度→大氣經(jīng)圈環(huán)流→天氣氣候變化。一些觀測研究已表明，在太陽黑子的高峰期，地球大氣的電離程度比較強，尤其是在高緯度地區(qū)。這樣，在電磁場的作用下，高緯度大氣電離化的增強將導(dǎo)致高緯度地區(qū)大氣直接經(jīng)圈環(huán)流的加強。經(jīng)圈環(huán)流的加強，將使空氣的南北交換加強，大氣活動中心會明顯增強，全球的降水量也可能增多。同時，地球大氣電離程度的變化還必然引起高層大氣中離子含量的改變，高離子含量的空氣被帶到對流層，可能影響到云和降水過程。

?太陽紫外輻射間接影響地球天氣氣候

?太陽活動引起地球磁場的變化

太陽活動→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→天氣氣候。與太陽總輻照度的變化幅度相比，紫外輻射的波動要大很多，可以達(dá)到6%～8%。紫外輻射對加熱平流層和臭氧尤其重要。衛(wèi)星觀測表明，平流層上層的臭氧混合比與太陽輻射加熱有明顯的正相關(guān)，太陽輻射加熱強，在2百帕（hPa）高度處的臭氧混合比就高。在這樣的情形下，太陽活動（太陽黑子）所引起的輻射量（尤其是紫外輻射）的增加將使得平流層的臭氧量及其分布發(fā)生變化，從而引起平流層熱狀況的變化，進(jìn)而引起平流層溫度場的變化，改變平流層大氣環(huán)流，并通過行星波的垂直傳播以及對流層平流層的耦合機制影響對流層的大氣環(huán)流，最終引起天氣氣候的變化。例如，平流層接收到的紫外輻射減小時，平流層風(fēng)力降低，急流也就相應(yīng)減弱，從而使天氣系統(tǒng)滯留時間延長，導(dǎo)致極端天氣事件發(fā)生。

太陽活動→地球磁場→地球自轉(zhuǎn)速度（或地磁能量）→大氣和海洋環(huán)流→天氣氣候。太陽活動會引起地球磁場的變化，地球磁場的變化將引起地球外核流動的改變，而外核流動的改變通過核幔耦合作用，包括電磁耦合、粘性耦合、熱力耦合和地形耦合等過程，又將對地幔產(chǎn)生影響，然后又引起地球自轉(zhuǎn)速度（日長）的變化。地球自轉(zhuǎn)速度的變化，通過地球與大氣和海洋的角動量交換將引起大氣環(huán)流和海洋環(huán)流的變化，最終影響天氣氣候。同時，地磁場的變化也將引起核幔邊界上地磁能量的改變，這種能量通過一定方式傳到地面也可以影響氣候變化。

然而，太陽活動和地球氣候系統(tǒng)都是高度復(fù)雜的體系，太陽變化影響地球天氣和氣候的機制，是一項很古老、涉及領(lǐng)域很寬廣的交叉學(xué)科，同時也是一個十分復(fù)雜而難以解決的問題，它涉及太陽-行星際空間-磁層-電離層-低層大氣之間的各種耦合過程。目前，科學(xué)家們僅僅做了一些簡單的分析，尚未達(dá)到定量評估的深度。要進(jìn)一步探索太陽活動與地球天氣之間的聯(lián)系，還需要空間學(xué)家和氣象、氣候?qū)＜疫M(jìn)一步合作來回答。