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太阳活动与地球气候变化关系的研究进展

2019年11月15日 星期五 12:14:29

太阳辐射是地球系统的主要能量来源,主要包括两种类型:太阳光子和太阳风。一般来说,太阳风能流比太阳光子辐射低4-5个量级,因此绝大多数的研究都将关注点放在了太阳光子辐射上。普遍认为,太阳总辐射主要存在11年左右的活动周期,这也经常被用来研究气候十年震荡的效应。作为一种重要的地球能量来源之一,进入磁层的太阳风总能流(Ein)虽然也呈现出明显的周年震荡,但其对于地球气候的影响却没有引起足够的重视。

利用全球3D磁流体力学模式,空间中心天气室王赤研究员团队估算了Ein的年均值,并与南京信息工程大学王会军院士的团队开展深入的学科交叉研究,以考察其对于地球气候变化,比如厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、北半球冬季温度、全球热带气旋的影响。

在宏观气候层面,贺圣平等发现在Ein高年的次年冬季:1)相比SSN和F10.7,Ein与南方涛动指数存在显著的相关关系;2)Ein 回归得到的海平面气压异常(SLP anomaly)呈现出类似于南方涛动(Southern Oscillation)的模态,以及北大西洋涛动的正相;3)北半球温度存在4个异常区,欧亚大陆和阿拉斯加温度上升,而欧洲南部和加拿大东部温度下降。

为了解释这些现象,我们也在影响机制方面也有所探索。贺圣平等发现:1)Ein高年时,太平洋哈德利-沃克环流(Pacific Hadley–Walker circulation)持续减弱,而这是形成南方涛动的重要动力学因素;2)通过布鲁尔-多普森环流(Brewer-Dobson Circulation), 实现中纬地区大气异常从平流层到对流层的向下传播;3)通过罗斯贝波(Rossby wave)的水平传播,进而影响全球。总的来说就是,太阳风能流输入的不均匀性通过改变大气环流,实现平流层-对流层耦合,并最终辐射到全球范围。

此前,我们也以全球热带气旋活动为切入点,考察了一个具体的实例。李晖等发现,相比太阳黑子、太阳总辐射、F10.7辐射、赤道海温、南方涛动指数,太阳风能流与全球热带气旋总能量的相关性最大,尤其是考虑一年的滞后效应。李晖等也提出了一种潜在的作用机制:Ein高年,通过影响全球云量的分布,改变海洋热吸收,使得太平洋赤道附近海温上升,同时垂直风切变减弱,这些都有利于热带气旋的生成和发展。并且,还在关键的机制链上找到了一些观测证据,促进了对此现象的理解。

这系列研究为理解全球气候变化的自然驱动因子提供了一个新的线索——太阳风能流。未来更为精确的气候学以及气候物理模式研究中应该考虑太阳风能流的贡献。相关工作发表在《国家科学评论》(《National Science Review》)、《大气和日地物理学报》(《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》)和《大气和海洋科学快报》(《Atmospheric and Oceanic Science Letters》)上。

1. He, S., Wang, H., Li, F., Li, H., & Wang, C. (2019). Solar-wind–magnetosphere energy influences the interannual variability of the northern-hemispheric winter climate. National Science Review, nwz082. https://doi.org/10.1093/nsr/nwz082.

2. Li, H., Wang, C., He, S., Wang, H., Tu, C., Xu, J., et al. (2018). Plausible modulation of solar wind energy flux input on global tropical cyclone activity. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.01.018.

3. He, S.-P., Wang, H.-J., Gao, Y.-Q., Li, F., Li, H., & Wang, C. (2018). Influence of solar wind energy flux on the interannual variability of ENSO in the subsequent year. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 1–8. https://doi.org/10.1080/16742834.2018.1436367.



图1. Ein高年的次年冬季北半球呈现北大西洋涛动正相

图2. 通过布鲁尔-多普森环流,中纬地区位势高度场异常向下传播

图3. 罗斯贝波的水平传播,影响大气阻塞频率,进而影响北半球的温度

 

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