太陽活動如何影響天氣氣候變化

2020-11-26 中國氣象局

　　近20年的研究已清楚表明，天氣氣候的形成和變化，尤其是氣候變化並不僅僅是大氣運動所產生的，它們是氣候系統（包括大氣、海洋、地圈和生物圈等）共同作用的結果。作為大氣和海洋運動能量基本來源的太陽，無疑在大氣等系統的運動和變化中有極其重要的作用。李崇銀院士從氣象學角度概括歸納了太陽活動與天氣氣候變化的關係。

　　本期嘉賓：中國解放軍理工大學教授/中國科學院大氣物理所研究員中國科學院院士李崇銀

　　採訪人：本報記者丁繼武

　　天氣和氣候變化已是大家熟知的事實，近年來更加引起社會的普遍關注。近20年的研究表明，天氣氣候的形成和變化，尤其是氣候變化並不僅僅是大氣運動所產生的，它們是氣候系統（包括大氣、海洋、地圈和生物圈等）共同作用的結果。溫室氣體含量增加所引起的全球增暖尤為世人所關注，而太陽是大氣和海洋運動的根本能量源，太陽活動如何影響天氣氣候變化也必然受到關注。

　　太陽同樣也處於不停的運動和變化之中，地球上的某些天氣氣候變化又明顯地反映出它們可能與太陽活動有一定的關係。但是，太陽活動通過什麼途徑影響天氣氣候變化？影響的具體物理過程及其機制又是什麼？直到目前，還沒有一個理論能夠很好地說明。
天氣氣候變化與太陽活動的一些相關現象

　　太陽活動的重要現象是所謂太陽黑子，它有極明顯的11年周期變化。目前研究表明，太陽黑子數與地球上天氣氣候變化之間確實存在著一定關係。例如，太陽黑子的全影和半影比率（Rs）與北半球地面氣溫異常在長時間的變化趨勢上有正相關變化，Rs值大時，則北半球氣溫偏高。

　　太陽活動不僅與大範圍的氣候狀況有關，還與一些局部地區的天氣氣候現象有一定關係。例如，英國大氣閃電次數與太陽黑子數之間也有正相關關係，在太陽黑子多的年份，英國大氣閃電也多；反之亦然。

　　在分析太陽活動與地球氣候變化之間的關係時，人們還發現對分析資料的處理也是十分重要的。例如，每年某地區的地面氣壓同太陽輻射通量之間並沒有明顯的關係，但如果考慮了平流層的準兩年振蕩（QBO）特徵，僅就QBO的西風位相年進行統計分析，太陽輻射量的變化同南北氣壓差的變化間有正相關關係，而同查爾斯頓的氣溫變化有負相關關係。

　　全球增暖及其影響是大家極為重視的問題，溫室氣體排放的增加被認為是禍首。但最近的一些研究表明，地球氣溫的變化同太陽活動也有一定的關係，太陽活動也可能是全球增暖的一種因素。
影響天氣氣候變化的幾種可能途徑

　　儘管尚未形成完整的理論，但根據多年來的觀測和分析研究，可以將太陽活動對天氣氣候變化的影響歸納成三種可能途徑：

　　太陽活動→地球大氣電離程度→大氣經圈環流→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。這樣，在電磁場的作用下，高緯度大氣電離化的增強將導致高緯地區大氣直接經圈環流的加強，經圈環流的加強使空氣的南北交換加強，大氣活動中心會明顯增強，全球的降水量可能增多。

　　太陽活動所引起的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，從而還可能改變凝結核的數量，最後可能影響到雲和降水過程。

　　太陽活動→紫外輻射→臭氧層→平流層熱狀況→天氣氣候

　　衛星觀測表明，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關係，太陽輻射加熱強，在2百帕高度處的臭氧混合比就高。這樣，太陽活動（太陽黑子多）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生變化，從而引起平流層熱狀況的變化。平流層熱狀況的變化必將引起平流層溫度場的變化，平流層大氣環流亦將發生變化，進而通過行星波的異常影響對流層大氣環流的改變，最終引起天氣氣候的變化。因為行星波可以通過對流層頂而垂直傳播。

　　太陽活動→地球磁場→地球自轉速度→大氣和海洋環流→天氣氣候

　　太陽活動引起地球磁場的變化，磁場的變化將引起地殼內部磁流體（溶漿）運動的改變。因為地球外核是以鐵鎳為主要成分的熔融態合金，其黏滯度近似於水，也可視為磁流體。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、黏性耦合、熱力耦合和地形耦合等過程，又將對地幔產生影響，然後又引起地球自轉（日長）的變化。地球自轉速度（日長）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流和海洋環流的變化，最終影響天氣氣候。

　　尚需重點研究解決的問題

　　以上從氣象學的角度概括了太陽活動影響地球上天氣氣候的三種主要的可能途徑。但是，如何確定上述途徑的具體物理過程？以及是否還有其他途徑？這些問題都值得深入研究。

　　在以上三種可能途徑中，尚待研究解決的重點是：

　　關於通過大氣電離程度影響天氣氣候。如果太陽活動影響電離層的問題已經基本清楚的話，那麼大氣電離程度或者電離層與對流層大氣經圈環流的關係尚需研究確定或證實，其動力學機制也是尚待研究的重點，這些需要在空間科學家和氣象學家的共同努力下解決。

　　關於通過熱輻射影響天氣氣候。研究的一個重點是明確太陽活動與平流層臭氧量及平流層環流的關係；另一個重點是平流層環流的變化如何影響對流層環流。

　　關於通過磁場影響天氣氣候。太陽活動對地球磁場的影響已有相當研究，需要進一步著重研究的問題有兩個：其一是地磁場影響地殼內部磁流體運動的觀測事實和機制；其二是地殼內部磁流體運動影響地球自轉（日長）的事實和機制。 （來源於2008年3月28日《中國氣象報》作者：丁繼武）

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    與地球上的風、雨、雷、電等天氣現象類似，太陽也存在諸多不同時空尺度的活動現象，如太陽輻射、黑子、光斑、譜斑、耀斑、日冕物質拋射等，太陽活動則是這些現象的總稱。那麼，地球氣候的變化會受到作為空間天氣現象的太陽活動影響嗎？
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