太阳活动年代际变化对现代气候影响的研究进展
肖子牛1, 钟琦1, 尹志强2, 周立旻3, 宋燕1, 韩延本2, 黄聪4, 潘静5, 赵亮4
1.中国气象局气象干部培训学院,北京 100081
2.中国科学院国家天文台,北京 100012
3.华东师范大学,上海 200062
4.国家卫星气象中心,北京 100081
5.中国科学院大气物理研究所,北京 100029

肖子牛(1965-),男,云南昆明人,研究员,主要从事气候和气候变化、数值模拟、天气气候预测研究.E-mail:xiaozn@cma.gov.cn

摘要

太阳活动对现代气候变化尤其在年代际尺度的影响和贡献是亟待认识的科学问题之一。回顾了近年在年代际尺度上太阳活动影响地球气候的新观测证据,侧重阐述了太阳总辐射、紫外辐射和宇宙射线影响气候的途径和气候系统响应机制的细节,以及对其评估验证的新进展。此外,还指出对观测资料不确定性的评估、气候系统对太阳活动效应的放大机制的数值检验以及对未来可能的太阳活动极端事件的影响预估是目前研究中面临的挑战。最后,展望了该领域可能取得突破的关键点,为未来的科学研究提供参考。

关键词: 太阳总辐射; 紫外线辐射; 宇宙射线; 气候系统和气候变化; 影响和响应机制
Advances in the Research of Impact of Decadal Solar Cycle on Modern Climate
Xiao Ziniu1, Zhong Qi1, Yin Zhiqiang2, Zhou Limin3, Song Yan1, Han Yanben2, Huang Cong4, Pan Jing5, Zhao Liang6
1. China Meteorological Administration Training Centre, Beijing 100081,China
2. National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012,China
3. East China Normal University, Shanghai 200062, China
4. National Satellite Meteorological Center, Beijing 100081,China
5. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029,China
Abstract

Role of solar activity on modern climate change, particularly in the decadalscale is an important scientific issue. This paper reviews the recent observation of decadal solar signal in earth’s climate, with focus on the mechanism of solar radiation, ultraviolet radiation and cosmic rays on climate system ,and its validation. The paper points out that the assessment of uncertainty in observations, amplification process of the climate system, as well as possible future impact of solar extreme events are challenges in the present study. Finally, the keys of breakthrough are pointed, to provide a reference for future research.

Keyword: Total solar irradiance; Ultroviolet forcing; Galactic cosmic ray; Climate system and climate change; Mechanism and evaluation.
1前言

全球气候变化的归因是21世纪初最重要的科学研究议题之一,IPCC第四次评估报告认为“观测到的20世纪中叶以来大部分的全球平均温度的升高,很可能是由于观测到的人为温室气体浓度增加所导致”,但其同时指出报告结论对太阳活动等自然因子的科学认识水平很低,太阳活动作用于气候的因子和机制并未得到完全和充分的考虑[ 1, 2]。虽然基于温室气体变化理论所模拟的气温变化具有与观测一致的上升趋势,但却无法解释年际至年代际的变化,尤其是20世纪40年代前后的温度变化。不少研究认为太阳活动在年代际和百年温度变化中可能具有重要的作用[ 3, 4]。21世纪以来年全球年平均增温停滞[ 5, 6],寒冷事件频繁出现,由自然因子驱动的小冰期是否再现成为热门的话题,太阳活动对现代气候变化的作用成为科学关注的热点[ 7, 8, 9, 10, 11]。国际日地物理委员会( SCOSTEP)于2004年建立了“日—地系统的气候天气”研究项目( CAWSES:Climate And Weather of the Sun-Earth System);美国2003年将太阳与气候的研究列为其六大科学研究计划之一,近期又发布了“2013~2022年日-地系统的基础研究和应用研究战略方案”;欧洲核能研究中心的粒子物理实验室CERN于2006年启动CLOUD(Cosmics Leaving Outdoor Droplets)计划,研究宇宙线对地球云层和气候的可能影响。

太阳活动对气候的影响早在17世纪就引起了人们的重视。迄今已有很多研究将历史时期的气候记录和太阳活动记录进行相关分析,证实了两者的关联性[ 12, 13, 14, 15]。其中,Eddy[ 16, 17]提出了太阳辐射的长期变化与气候变化密切相关最有说服力的证据,指出太阳黑子的Sporer极小期和Maunder极小期造成了这两个时期全球的“小冰期”事件。另一值得注意的工作是Labitzke[ 18, 19]利用1958~1986年的数据发现,当把数据根据大气准两年振荡(QBO)的位相分类后,可以得到太阳周期对冬季北半球极地平流层温度的清晰影响。而Friis-Christensen[ 20]的工作对研究太阳活动与近百年现代气候变化的关系具有重要的启示意义,他们第一次以两个太阳黑子周期极大值之间的时间长度作为表征太阳活动水平的指标并与北半球陆面平均温度进行对比。结果发现自19世纪末起,随着太阳黑子周期的变短,北半球陆面温度也逐渐升高。当1940年左右太阳黑子周期停止变短并逐渐变长时,地表温度也达到峰值并开始逐渐回落。而1960年代后太阳黑子周期再次变短,地表温度又再次转而上升。两者之间有极好的相关(相关系数达0.95)。这一工作意味着太阳活动年代际的变化与气候年代际的变化也有密切关联。但这些联系多集中在统计相关分析和相似周期的比较层面,并不能说明其因果关系,揭示太阳活动影响气候的机制仍然是重要而艰难的科学议题。

事实上,太阳活动驱动气候变化的途径在很早就开始引起了科学家的关注[ 21],除了太阳直接辐射的作用以外,还提出了太阳能量粒子的作用、紫外辐射对臭氧的作用、大气电学、和太阳磁场作用等多种机制[ 22, 23],但由于早期观测和认识的局限,这些作用途径基本都处于推测阶段。近年来,基于先进观测手段的应用和大量观测数据的出现,以及数值模式的进展,很多研究揭示出太阳活动周期信号在关键地区(如热带太平洋[ 24])和大气过程(如北大西洋涛动[ 25],厄尔尼诺[ 26])中的作用效应。紫外线辐射(UV)的作用被从太阳总辐射(TSI)机制里剥离出来,气候系统对太阳活动信号的非线性响应过程,以及银河宇宙射线(GCRs)作用于云的机制备受关注。本文将在第2节对年代际尺度太阳活动影响气候的新观测事实进行总结,第3节阐述影响机制的研究热点,第4节讨论该领域面临的挑战,第5节展望研究的前景。

2 年代际尺度太阳活动影响气候的事实

太阳是地球气候形成和变化的原始驱动力,它是长时间尺度气候变化最重要的驱动因子[ 27, 28, 29, 30]。太阳变化可以解释中世纪暖期和小冰期、准1500年气候振荡乃至6000~9000年前全新世的气候变化[ 31, 32, 33, 34, 35]。现代资料分析表明,太阳活动和近百年来现代全球气候变化也有密切关系[ 36]。本节概述了近年来太阳年代际周期信号在气候系统中的观测事实。

2.1平流层中的年代际太阳活动信号

由于在过去的几个11年太阳周期内卫星观测的广泛应用,太阳的年代际活动与平流层臭氧、温度和风的相关性研究取得了大量成果。

从观测资料可以发现太阳活动直接影响平流层臭氧的证据。对SAGE卫星资料(1985-2003)的统计分析表明,紫外辐射可直接影响平流层上部(1hPa)臭氧的产生率,同时在中、高纬度的平流层中层和赤道地区20hpa以下的臭氧层产生次大值的影响[ 37, 38]。在极区通过能量粒子可间接改变臭氧的浓度[ 39]。由这两种过程引起的间接环流造成的输送又能改变臭氧的分布[ 40, 41]

许多统计显著的证据还表明平流层的温度和风场具有11年太阳周期变化。Frame and Gray[ 42]、Shibata and Deushi[ 43]等采用多元回归分析了欧洲中心ERA-40再分析资料,在赤道平流层高层的温度场发现~2K的最大响应区,与臭氧浓度的最大响应区一致。这一信号可能一半来自太阳辐射变化的直接作用,一半来自臭氧反馈的作用[ 40]。同时,在赤道和副热带低层平流层(20hPa以下)存在统计显著的次响应大值,这与臭氧在平流层低层的次极大值分布一致。Randel[ 44]等利用重定标后的TOVS资料得到了类似的分布结构,但响应强度相对较弱,平流层高层极大值中心~1.1K,低层次极大值中心约0.5K。强度上的这一差别可能源于资料的本身,TOVS资料的垂直分辨率较低(约10km),而再分析资料在同化过程中要受到模式的影响。对纬向风场的ERA-40再分析资料的分析同样显示出对11年太阳周期信号的正响应,结构分布与温度场一致[ 42, 45]

太阳活动另一个主要作用是对冬季平流层的北半球极涡(即北极涛动AO)的影响[ 18]。准两年振荡(QBO)是平流层最重要的周期变化,近年基于观测资料的发展,“太阳周期—准两年振荡”(SC-QBO)相互作用研究不断深入[ 46, 47],其数值模拟也取得了令人鼓舞的成功[ 48, 49]。分析发现,当观测按照QBO位相分类后,北极(NP)30hPa(约24km)位势高度场存在明显的11年太阳周期。30hPa NP位势高度的变化与“太阳周期—准两年振荡”也有紧密的联系,在QBO东风年(QBO-E)随太阳活动增加而减小。在QBO西风年(QBO-W)随太阳活动增加而增加,并导致30hPa以下气压层平均温度的增加。赤道平流层的QBO与NP位势高度和温度场通过“Holton-Tan”遥相关联,一般QBO-E年比QBO-W年北半球极涡更温暖,并伴随频繁的大尺度波扰动,即通常所说的平流层爆发性增温。

太阳活动对平流层的影响从物理原理上看是明确的,因此也是深入开展太阳活动对气候影响的最重要一块基石。但观测资料和模式对平流层的描述能力较弱仍然是研究工作取得进展的主要瓶颈问题。

2.2 对流层中的年代际尺度太阳活动信号

太阳活动对大气对流层的影响也得到了大量研究结果的证实,如低层大气的云量、季风等要素的变化均发现包含有太阳活动的信息[ 50, 51, 52, 53]

对流层温度和风场对太阳11年周期变化具有明显响应。对NCEP再分析资料的分析表明,纬向平均风场和温度场对太阳活动具有响应。在太阳活动高值年中纬度急流相对较弱,位置偏向极区[ 54, 55, 56],副热带急流和费勒尔环流向极区移动。

太阳活动对低纬度大气环流具有明显的调制作用,人们首先注意到的是对哈德莱环流和沃克环流的影响。通过对NCEP垂直速度场的分析,Van Loon等[ 57, 58]发现太阳高值年间哈德莱环流强度增大;Kodera[ 59]也发现在此期间近赤道对流活动受到抑制,而远赤道印度季风区对流加强。同时,一些研究指出,太阳高值年间沃克环流也得到增强[ 58, 60, 61],与之相关赤道东太平洋的海温出现冷异常的响应,赤道辐合带(ITCZ)和南太平洋辐合带(SPCZ)偏向极区方向移动[ 62, 63]

近年来,不少研究揭示了太阳活动对副热带环流的影响,在NAM和SAM中发现了太阳活动的信号[ 64, 65, 66, 67]。Haigh and Roscoe[ 68]采用了一种多元回归分析方法对NAM和SAM指数进行了分析。当结合QBO位相分类时,显示出统计显著的响应,尤其是在近地面:在Smax-QBO‐W 和Smin-QBO‐E年极涡更弱而温暖,在Smax-QBO‐E 和Smin-QBO‐W年则更强而冷。

2.3 地球表面气候要素中的年代际尺度太阳活动信号

地球表面气候要素中也同样存在太阳活动的信号[ 69, 70, 71, 72, 73]。值得注意的是,这些显著的年代际太阳活动信号通常是在特定区域的气候异常信号中检测到的[ 74, 75, 76]。White 等[ 62, 63]发现在太阳强迫峰值年赤道东太平洋海温发生类El Nino暖事件,Meehl 等[ 61]发现在太阳黑子数峰值年对应类La Nina的冷事件,随后几年转为类EL Nino暖事件。一些区域的地表温度显示出与太阳11年周期的相关性[ 48, 77]。中国的气温与太阳活动存在相关,长江和黄河流域夏季降水量(旱涝)和降水模态与太阳活动11年周期显著相关[ 78, 79, 80, 81]。Zhao等[ 82]研究了太阳活动11年周期对东亚夏季风边界及雨带的影响,从统计和物理上初步证明不同气候系统交界区域是太阳活动信号较为明显的区域,发现广义梅雨期是夏半年雨带经向位置与太阳活动最显著的时期,这暗示东亚夏季风活动可能参与了太阳活动信号的传导过程。

综上所述,太阳活动在长时间周期尺度上对气候的驱动作用已有确凿的证据。近年来利用新的观测和分析资料,不断有新的统计事实指向十年至年代际太阳活动与地球气候的相关联系,或巩固了之前的一些认识和结论。可以注意到太阳对平流层上层的影响和作用具有较为清晰的物理图像,也得到了观测的有力支持。太阳周期和准两年振荡(SC-QBO)相互作用和调制对气候的影响表现出较为复杂的多尺度相互作用特征。对流层的气候系统要素对太阳周期信号响应具有显著的区域特征,这可能由于影响这些地区的气候系统存在对太阳活动响应的敏感机制。同时,这些结论的可靠程度还依赖于观测数据本身的特性以及所采用的分析方法,比如卫星资料的重定标问题、模式对再分析资料的影响等。这些都有待于在今后的工作中继续改进和验证。

3 太阳活动影响气候的途径和气候系统的响应过程

尽管已经发现太阳活动与气候系统的若干联系,但其因果关系难以确定。基于近30年的卫星观测数据,准11年太阳活动周期中总辐射变化强度仅约为0.1%[ 83]。人们难以理解如此小的能量变化如何引起显著的气候效应,除非气候系统存在某些响应过程可以放大太阳活动的作用效能。这需要深入探究太阳活动影响气候的途径和气候系统的响应过程,从动力和物理机制的揭示中找到答案。近年来,机制的研究和定量评估得到了新观测数据和数值模式发展的支持,本节着重阐述这一领域的观点和进展。

3.1 太阳总辐射(TSI)变化的作用机制

太阳总辐射的变化是太阳影响地球大气最直观和直接的方式,也是科学界公认的作用机制。但越来越多的研究意识到气候系统并不是被动地接受TSI的变化,其通过内部的一系列非线性响应过程,放大了微小的辐射变化。Wetherald[ 84]应用早期简化的大气环流模型研究了太阳常数变化带来的影响,结果显示气候系统具有高度非线性的响应。这些响应过程包括热带海气耦合的响应机制、随机共振机制和温盐环流响应。

海气耦合模型能够还原千年尺度地球气候的年代际变化基本信号[ 85, 86],热带海洋和相对无云的副热带海区被认为是对太阳总辐射变化响应的关键地区[ 87]。Meehl等人的一系列研究显示,在太阳高值年期间,增强的太阳可见光辐射直接加热下垫面海洋,引起更多的蒸发,并增加水汽向降水区的辐合,从而增强降水极值和与其相关的垂直运动。这一过程还包括信风加强、赤道东太平洋上升涌增强和海表温度变冷,其结果与增强的哈德莱和沃克环流相一致[ 61, 88]。与此同时,加强的热带环流将加强副热带下沉支的作用,其正反馈作用将减少云量,从而进一步增加了太阳强迫对地表下垫面的作用[ 61, 89]。这种具有放大作用的正反馈机制能部分的解释海洋混合层温度的变化,但其对海-气系统间感热和潜热通量的调制作用,以及与哈德莱环流或沃克环流可能的相互作用还有待进一步的研究和揭示。

太阳活动还可能通过随机共振过程——一种将弱信号放大成非线性双稳态系统的机制——放大气候系统的内部振荡(如ENSO)[ 90, 91],近期一些研究在热带海洋循环和EL Nino的变化中发现了太阳强迫的间接放大作用[ 92, 93]。另一种机制是通过温盐环流放大太阳总辐射变化的影响,这一机制强调了北半球高纬地区太阳辐射的改变对全球的影响。高纬地区大量淡水快速注入北大西洋,引起表层海水密度降低,从而削弱温盐环流强度,降低高低纬之间热量交换的效率。这能成功解释很多气候变化事件,如新仙女木事件,9.3ka前冷事件[ 94, 95]

3.2 紫外辐射(UV)的作用机制

太阳紫外辐射对平流层的影响是太阳活动作用于地球气候的重要环节。紫外线(UV)辐射虽然只占太阳辐射能量的9%,但其变化量却占总辐射变化量的32%[ 96],因此,单独研究紫外线辐射的变化及其对气候的影响是必要的。目前普遍认为这一影响包含了3个关键过程[ 14, 97]:(1)是UV变化对平流层臭氧的直接作用(包括对臭氧层的加热和臭氧产生率的影响);(2)是通过臭氧分布的二次调整,平流层热力和动力场调整,将UV的这种影响在平流层内传播(包括从赤道到极地,从平流层高层到低层);(3)是通过平流层-对流层的耦合作用将其影响下传至大气低层。

3.2.1紫外辐射对平流层作用的研究

众所周知,紫外辐射变化对平流层臭氧有直接的影响。臭氧含量变化引起的加热作用,将改变平流层高层的经向温度梯度,并将引起平流层风场的改变,进而影响冬半球平流层高层行星波的传播[ 98, 99]。Kodera和Kuroda[ 100]进一步验证了这一机制,指出在太阳高值年期间,冬半球副热带平流层高层发展一西风异常,由于行星波传播对背景风场的敏感,将产生一正的反馈,使风场异常随时间向极地和向下层传播,且异常的强度显著增加。

由于平流层的逆温结构,异常扰动信号如何传播是一个关键的问题。“太阳周期—准两年振荡”(SC-QBO)的这一异常信号如何从平流层高层传播到赤道低纬度尚无定论。目前主要提出了三种可能的机制:一是通过B-D (Brewer‐Dobson)环流;二是通过调制QBO的下降率;三是Cordero 和 Nathan[ 101, 102]提出的波动诱导臭氧加热机制。B-D环流机制认为,太阳活动对行星波强迫可以影响B-D环流的强度。在太阳高值年,极地冬季涡旋扰动减弱,B-D环流减弱,相应B-D环流下沉支绝热加热减弱,使极地平流层低层温度较平均值偏冷。通过这种方式,赤道平流层高层的温度异常被传输到极低平流层低层,且强度被显著放大。同理,从赤道返回的上升支在太阳高值年也是减弱的,相应绝热冷却减弱,导致赤道平流层低层偏暖。这与ERA-40再分析资料的分析结果相符[ 42]。这一动力反馈机制同时将调制臭氧的输送[ 40]。减弱的上升支导致赤道平流层低层正的臭氧异常,并通过非绝热加热产生正的温度异常。这一图像得到了SAGE卫星资料的统计分析结果的验证[ 38]

太阳活动对QBO下降率的调节机制[ 103, 104]与B-D环流调整机制不同,它认为太阳活动信号在平流层高层和低层的传输只局限于赤道地区,即减弱的QBO纬向风异常通过局地经向环流影响副热带QBO温度和臭氧异常。这几种太阳影响的传输机制并不互相排斥,也可能是同时起作用的,未来需要利用耦合的化学模式做更进一步研究。

3.2.2平流层-对流层耦合的研究

紫外辐射在平流层作用的另外一个关键问题是如何将其影响传播到对流层大气。由于缺乏连续而精确有效的观测,平流层与对流层之间动力的传递过程和机制尚不清楚,其三维空间大气结构的各种动力、物理和化学过程未被广泛认识和充分的定量描述[ 105]

近年来,在平流层臭氧的探测与分析、平流层-对流层相互作用和质量交换、平流层大气辐射传输及其对对流层气候的影响等方面,开展了不少工作并取得了一些进展[ 106, 107, 108, 109]。Thompson 等[ 110]通过观测资料分析证实了NAM异常向下传播的现象。Salby and Callaghan[ 111]在赤道识别出平流层B-D环流与对流层哈德莱环流的相互作用。Baldwin[ 112]集中阐述了太阳周期与平流层-对流层动力耦合的研究进展,指出平流层异常存在向对流层的下传现象,如果太阳活动异常作用改变了平流层极涡的强度,必将影响对流层的北半球环状模[ 113, 114, 115],进而影响对流层的气候。这些影响途经和机制可部分地解释对流层中观测到的区域响应信号。

虽然紫外辐射影响机制近年取得了很大进展,但仍有很多理论细节尚不清楚。主要集中在太阳辐射多因子机制的协同作用和气候系统异常扰动响应的传播方面:(1)太阳辐射的TSI机制和UV机制的作用从原理上说是有所区分的,但越来越多的研究显示这两种作用的效应密不可分。TSI和UV影响效应的叠加,有可能将较小的太阳强迫放大,在赤道太平洋引发海温,降水和云的响应[ 89, 116]。太阳活动对海洋的强迫作用及海洋的响应机制还需要进一步的探究,在对海表温度和海洋热容量的热力收支诊断分析后,White[ 117]指出,海表温度中观测到的11年太阳周期信号无法仅靠TSI变化产生的辐射强迫来解释,紫外辐射造成的从上至下的效应可能也对海表温度异常有重要影响。(2)在气候系统对异常扰动的传播方面,平流层年代际AO-NAO的位相变化依赖于赤道的显著响应,如何实现这种响应的机理尚不清楚。在对流层低层,响应如何实现并影响到极地以外的地区?其中大气环流和海洋环流的作用等细节都还需要进一步的探索。此外,目前对UV机制的研究多依赖数值模式的结果,虽然目前模式在对这些相互作用的模拟上进展迅速,但对这些结果的检验是一个严峻挑战,从观测资料中不断挖掘支持证据仍然是未来研究很重要的方面。

3.3 宇宙射线—云作用机制

宇宙射线与云的联系可能是当前太阳活动影响气候的重要缺失环节。1959年Ney[ 118]就提出银河宇宙射线变化可能通过影响云量变化对地球气候产生影响,然而受到当时观测手段的限制,他的预测并没有得到验证。1997年Svensmark等[ 119] 利用新的卫星观测资料(ISCCP-C2数据库所记录的1982~1993年全球云量数据)与同期银河宇宙射线(GCR)数据进行相关分析,首次报道了银河宇宙射线通量和全球云量11年周期变化之间惊人的相关性,即太阳活动高值年(达到大气宇宙射线通量的低值时期)与较少的云量相对应。全球云量在太阳周期内变化了2%~4%,对应辐射强度变化了1~2 Wm-2[ 120]。由于进入地球低层大气的宇宙射线通量受太阳风变化的影响(太阳低值年达到对流层的宇宙射线通量相对高),在11年太阳周期内到达地球低层大气的宇宙射线的变化约达15%,重建的宇宙射线显示在过去一个世纪宇宙射线通量的减少也接近15%[ 121]。如果上述宇宙射线和云辐射收支的相关性成立,那么由于20世纪宇宙射线的变化导致的正辐射强迫可达1~2 Wm-2,这已经和被认为是人类活动引起的上世纪的变暖幅度相当,这一发现随即引起了激烈的争论。

3.3.1宇宙射线与云量联系的事实分析

目前,宇宙射线对云量的影响仍存在很大争议。针对一些研究对ISCCP-C2数据的质疑,2000年,Marsh和Svensmark[ 122]进一步利用ISCCP-D2数据库记录的1983~2000年分层云量数据和同期银河宇宙射线通量数据进行了统计分析,发现低层云量变化与银河宇宙射线通量变化有良好的关系相关。两者强烈的相关性得到了其他一些分析的支持[ 123],包括一些地基观测的支持,如Veretenenko 等[ 124]利用俄罗斯大气辐射网1961~1986年的低层云量记录, Udelhofen等[ 125]利用美国大气辐射网1900~1987年低层云量记录验证了低层云云量与银河宇宙射线通量间的良好相关性。一些研究指出,在局部区域这种相关是非常显著的[ 126, 127]。但另一些研究则指出这种联系并不显著甚至并不存在[ 128, 129, 130]。而这些可能存在的太阳周期变化的信号,可能是紫外辐射机制作用的结果[ 125, 126, 131],或者是UV和GCRs机制同时在起作用[ 132]

3.3.2宇宙射线对云微物理过程的作用机制

尽管宇宙射线对云的作用还存在不确定性,但人们还是对其开展了诸多的讨论,提出了宇宙射线通量和云物理属性的联系主要存在两种可能的机制[ 22, 121, 133, 134, 135]。一是离子诱导成核机制。即太阳活动通过地球空间环境中各种粒子的电离作用诱导凝结核的形成,增加对流层云凝结核和云滴数量,从而改变云滴粒子谱分布,进而增加云量。有研究指出,粒子诱导成核机制造成的气候敏感性具有较强的地域特性,在被海洋层积云覆盖的东部热带地区和副热带太平洋地区,凝结核数量浓度较低,小的气溶胶浓度变化就能引起云量的较大变化[ 136]。另一种机制是全球大气电路—静电云微物理机制[ 137]。即太阳活动可通过对大气电路的调控增加云粒子间的碰并增长效率,带电冰核的捕获可造成过冷云滴在较高温度下转化为冰晶,进而影响云层静电微物理过程(例如改变云凝结核数量或成冰核数量),导致中高纬度地区环流异常和低纬度云量变化。Zhou 和Tinsley[ 138, 139]通过数值模拟方法研究了宇宙射线对云层边界层电荷累积和充电过程的影响,Nicoll1和 Harrison[ 140]利用气球试验数据发现,在太阳低值年,增多的宇宙射线通过改变云顶和云底的电荷分布,有利于大水滴的形成,从而加速雨滴下落,初步验证了上述理论模拟结果。

3.3.3宇宙射线—云作用机制的检验

如果宇宙射线可以驱动云量变化,而由于云的反馈作用必将放大这种影响的效应,这对全球气候的影响是不容忽视的。但这种影响的显著程度,需要进一步的检验。

在实验室进行微物理过程的模拟是验证宇宙射线-云机制的重要途径之一。CERN于2011年发布了其CLOUD实验的第一批研究结果[ 141],该实验在精密控制的条件下研究宇宙射线对气溶胶形成的影响,而这些微小的液体或悬浮在大气中的固体颗粒可能是形成大量云滴的种子。

Pierce and Adams[ 142]利用戈达德研究所空间研究的大气环流模式(GISS GCM II-prime)计算了低层大气(平流层低层和整个对流层)气溶胶微物理对宇宙射线的响应,对宇宙射线和云凝结核(CCN)的关系进行了验证。他们模拟出的云凝结核在太阳周期内的变化不足以解释观测到的云量变化,由此认为这对气候变化的影响效应很微小。但上述模拟在描述复杂的离子-气溶胶过程中的假设条件可能存在缺陷,不足以获得全球评估的结果[ 121]

正在开展的一些观测外场试验涉及了太阳活动对全球电路系统和电离层电势影响机制的研究,如南极Vostock站、格陵兰和夏威夷观测站等,将通过对高、低纬度大气电离层电势的观测,揭示太阳活动周期中大气电离层电势的变化规律。

从上述可见,“太阳周期—宇宙射线—云—气候”之间联系的研究是且将继续是一个重要而活跃的研究领域,也是未来可能取得突破的新领域。继续寻找观测证据来确认这种联系、开展实验室和外场试验来揭示其中微物理机制的许多细节,是未来重要的研究议题。此外,更重要的是如何搭建从微观过程到宏观现象之间的桥梁,解释这些微物理过程对天气要素和气候系统的作用,从而评估它的气候效应,这是目前比较缺失的环节。通常太阳活动事件对大气的影响往往只有几分钟~几天时间,如何将短时间的事件与长时间如10年、20年和100年尺度的气候变化联系起来,需要将太阳活动的驱动机制和气候系统的响应机理结合起来进行深入的研究,才可能在时间尺度、变率量级等难点问题上取得突破。

4 太阳活动对气候影响研究面临的挑战

从上述的回顾和讨论我们可以看到,太阳活动对气候变化的影响仍然是气候变化评估中不确定性较大的领域之一。最近几十年,观测系统尤其是卫星观测系统的发展,极大地推进了对太阳活动规律的认识,数值模式的快速发展为机制理论的探索提供了良好的研究平台。太阳活动与地球气候系统相互关联的多时间尺度效应、太阳活动和宇宙射线等关键因子的作用机制研究、气候系统对这些关键因子的响应过程的放大作用,等等,正在成为这一领域研究的热点和可能的突破口。但应该看到这些初显曙光的领域,还有很多基本的科学问题没有厘清,突破的机遇和不确定的风险共存。

(1)基于不断丰富的观测资料的诊断需要加强对资料不确定性的评估

太阳总辐射的卫星观测始于1978年,因为排除了大气的影响,卫星测量相比地面观测更加准确。这三十年多年的卫星观测大大提升了对太阳辐射短期变化的认识。最近的一些研究表明,太阳总辐射存在每10年间明显上升的趋势[ 143]。而当前的气候模型一般都假定过去30年间太阳总辐射没有发生显著变化,如果太阳总辐射确实存在一个明显的上升趋势,那么太阳对气候的影响很可能被低估了[ 144]。太阳总辐射在太阳活动11年周期内的变化幅度约1Wm-2,而不同仪器观测结果相差却可以达到5Wm-2,因此不同卫星数据的校准和评估是一个重要的工作。

最近,根据美国国家航空与宇宙航行局太阳辐射与气候实验的总辐射监视器(TIM)数据,在2008年太阳活动极小周期内,总的太阳辐射最精确值为1360.8±0.5Wm-2。这一数值比目前能量平衡计算和气候模型中所使用的1990年确定的权威数值1365.4±1.3Wm-2低了很多。研究人员根据新的TIM数据,评估了自1978年以来太阳辐射照度测量的精确性和稳定性,以及仪器的不确定与不稳定对气候的影响,结果发现,TIM测得的较低的太阳辐射值并非是源于太阳辐射的变化。TIM测量稳定性的保障可以提高在气候时间尺度上监测太阳辐射变化的能力,从而改进估算太阳造成的地球能量平衡的能力[ 145]

而NASA 2003年新发射的SORCE卫星上SIM光谱辐射探测仪最近给出的测量结果则更为出人意料,它显示在2004~2007年太阳活动下降期期间,紫外辐射的减小幅度比之前的估计大4~6倍[ 146]。那么,鉴于3.2节所述气候系统对紫外辐射信号非线性放大的作用,太阳对气候变化的影响有必要重新进行评估。已有初步研究将这一新的UV观测结果应用于数值模式,分别就大气中层臭氧[ 147]和年代际温度[ 148]对其的响应进行了模拟。Ineson等[ 149]模拟了UV新观测结果对欧洲和美国冷冬的影响。Haigh 等[ 150]通过一个辐射-光化学模式,指出利用新的SORCE谱变量值模拟出的大气响应更符合观测。

(2)对太阳活动影响气候的机制检验有赖于数值模式能力的不断提高

探索太阳活动在气候系统中的信号很大程度决定于气候系统对特定强迫的响应,而鉴于气候系统的非线性响应方式,一个可行的途径即是通过气候模式进行研究。然而,迄今多数气候模式仅反映了太阳总辐射的作用效应,分光谱的辐射因子和云反馈机制尚未在数值模式中充分实现。

新近发展的一些大气模式在平流层具有较高的分辨率,并且包含了交互式化学过程,开展了对UV机制的模拟检验工作[ 103, 151, 152, 153, 154, 155]。目前这些模式能较好的模拟赤道地区臭氧信号年平均的垂直结构,包括平流层低层的次极大值区,所模拟的11年太阳周期内风场异常向极地和向下传播与观测较为一致[ 156]。一些大气环流模式和耦合模式能够很好地模拟平流层-对流层的相互作用及对流层的响应[ 89, 93, 157]。但这些模式尚不能完全模拟诸如准两年振荡(QBO)的平流层效应。

当前,对宇宙射线-云机制的评估尚处于起步阶段,有关该机制的一些理论还不成熟,甚至在相对简单的机制模型中都没有得到充分验证。尤其是大部分气候模式的水平分辨率都受到计算条件限制,从而无法显示分辨云过程,而宇宙射线作用的检验相对普通气候模式需要考虑更细致的云微物理参数化方案。

(3)第23周太阳异常和未来可能的太阳活动极端事件预估

太阳异常和未来可能的太阳活动极端事件预估是来自现实需求的挑战。近年太阳活动的异常表现使未来太阳活动总体趋势的预测成为太阳物理学研究的热点之一[ 158, 159],而其可能发生的极端太阳事件对未来地球气候,尤其区域气候的影响也已引起气候学界的高度关注[ 160, 161]

目前还没有可靠的非线性动力学数值模式能预测太阳内部的磁流体动力学振荡,甚至预报下一个11年周期的峰值也有很大难度[ 162]。但仍有不少研究对太阳活动的趋势和可能出现的极端事件进行了预测。Penn and Livingston[ 163]对未来几十年的太阳周强弱做出推测,认为到2015年太阳黑子将很难产生,现正在经历的第24太阳周可能是未来几十年内最后一个有黑子产生的太阳周。2011年6月美国天文学会太阳物理学分会认为,未来太阳可能将进入休眠期。Lockwood[ 164]和Barnard等人[ 165]推测,宇宙射线有8%的概率重新恢复到蒙德极小期的水平。Lockwood[ 164]的研究同时检测了气候系统对目前极小期太阳活动下降的响应,证实欧洲地区的冷冬与太阳活动偏弱有关。Abdussamatov[ 166]指出,20世纪90年代以来TSI和地球吸收太阳辐射量的减少将导致在2014年温度下降。

因此,太阳活动对气候影响的机制不清楚仍然是目前面临的最大挑战,如何量化评估其对现代全球气候变化的贡献率,减少不确定性,是一个需要解决的现实而关键问题。太阳活动要素变化规律的认识现在还很不够,而这是预测未来其对气候变化趋势有何影响的前提和基础。

5 讨论和展望

本文对近年来太阳活动对气候影响的研究进展进行了总结,内容包括年代际尺度太阳活动周期与气候系统的联系,太阳活动影响气候的主要途径和气候系统对其的响应过程,及其客观验证和评估工作。不难发现,在过去的几十年,卫星和地基观测的发展以及理论和数值模型的改进,极大地促进了科学界了解和探索太阳活动对地球气候的影响,也使这一主题的研究从最初的寻找两者统计意义上的联系和相似性逐渐发展成为探求机理的结合了太阳物理学、气候学和海洋学的交叉科学领域。

我们认为,未来太阳活动对气候变化影响的理论研究主要集中在驱动机制、以及气候系统对其的响应机理两个方面,特别是在揭示太阳活动作用效应的非线性放大过程研究上有可能寻求突破。其中包含以下几个关键点:(1)通过先进观测技术和数据,进一步认知太阳活动的规律,尤其是谱可分辨的太阳辐射测量,并进而确认太阳活动影响气候变化的多时间尺度特征,评估在年代际和百年尺度上对现代气候变化的影响;(2)探寻太阳活动影响气候变化的关键驱动机制,主要是太阳活动通过影响调制大气电场的途径和机制是特别值得关注的;(3)气候系统的某些环节,如云的反馈作用、季风活动等可能存在非线性的放大作用,从而使微小的太阳活动要素变化产生显著的气候变化效应。(4)需要通过数值模式对各种理论机制的客观验证,用数值模式比较不同机制的相对贡献,评估多种影响途径叠加后的综合效应。IPCC第五次评估报告指出,改进包含太阳活动的模式系统是深化对认识自然因子影响气候变化作用的关键。

The authors have declared that no competing interests exist.

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