高原積雪對太陽活動響應(yīng)及其放大作用的研究進(jìn)展

宋燕 周雅清 李智才 張薇 孫必云 索琳 畢訓(xùn)強(qiáng) 肖天貴 張紅英

（1 中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 山西晉中市氣象局，晉中 030600； 3 山西氣候中心，太原 030006；4 北京市房山區(qū)氣象局，北京 102488；5 中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029； 6 成都信息工程大學(xué)，成都 610225；7 山西長治市氣象局，長治 046000）

0 引言

太陽輻射是地球氣候系統(tǒng)和大氣環(huán)流的重要能量來源，研究表明，太陽活動對天氣和氣候有重要的影響。近代太陽活動對全球氣候系統(tǒng)顯著影響的例子就是小冰期，由于太陽活動的減弱，太陽黑子減少，使得12世紀(jì)中期到19世紀(jì)末期，全球氣候在世界不同的區(qū)域出現(xiàn)了明顯的變冷，發(fā)生氣候異常。

太陽活動對全球氣候系統(tǒng)的影響在某些區(qū)域更為顯著，也即具有區(qū)域性選擇。有研究表明，東亞季風(fēng)區(qū)是對太陽活動響應(yīng)的顯著區(qū)域，太陽活動的強(qiáng)弱影響東亞夏季風(fēng)北部邊緣所在緯度，太陽活動強(qiáng)（弱），東亞夏季風(fēng)區(qū)域南風(fēng)更加偏北（南），雨帶位置偏北（南）。冬季太陽射電通量（SRF）強(qiáng)（弱），東亞冬季風(fēng)較弱（強(qiáng)），東北亞地區(qū)冬季降水偏多（少）。

在年代際時間尺度上，通過相關(guān)分析和顯著性檢驗(yàn)，宋燕等指出，太陽活動對高原冬季雪深和東亞冬季風(fēng)的影響在滯后2～6 a里達(dá)到最強(qiáng)，進(jìn)一步說明了東亞地區(qū)是響應(yīng)太陽活動的顯著地區(qū)，高原積雪對太陽活動有明顯的響應(yīng)。

關(guān)于高原積雪對太陽活動的響應(yīng)機(jī)制研究，近期研究結(jié)果表明，太陽活動通過bottom-up（太陽總輻照度（TSI））機(jī)制，影響太平洋、大西洋和印度洋地區(qū)0～200 m海溫異常和潛熱通量異常，在異常的海氣相互作用下，進(jìn)一步造成東亞冬季和夏季降水異常，當(dāng)海溫異常指數(shù)高（低）時，高原夏季降水偏少（多），冬季降水偏多（少）。計(jì)算表明，高原地區(qū)的冬季降水與雪深相關(guān)性較高（達(dá)到99.9%），因此，高原冬季降水量反映積雪的多少。這項(xiàng)研究成果說明海洋對太陽活動的響應(yīng)后的熱力異常分布，通過影響海氣相互作用中的熱量通量，進(jìn)而影響到高原積雪的異常；并且，由太陽活動造成的高原積雪異常，通過陸面過程和陸氣相互作用，進(jìn)而影響接下來夏季的東亞夏季風(fēng)，造成中國夏季降水異常，在太陽活動強(qiáng)（弱）年，中國東部地區(qū)降水雨帶偏北（南）。這證明太陽活動對高原積雪和中國夏季降水的關(guān)系有明顯的調(diào)制作用，放大了太陽活動的影響。這些研究結(jié)果首次揭示了太陽活動影響高原積雪的物理過程，以及高原積雪對太陽活動的放大作用。

太陽活動主要通過兩種物理途徑影響氣候系統(tǒng)，其一是top-down（自上而下）機(jī)制，又稱為紫外線（UV）機(jī)制；其二是bottom-up（自下而上）機(jī)制，又稱為TSI機(jī)制。由于太陽輻射中的紫外輻射引起的能量變化，會在地球大氣中引起較為顯著的影響，尤其是紫外輻射可以直接作用于平流層大氣中的臭氧，促使平流層大氣中臭氧量增加、熱量在不同緯度重新分配，改變熱力平衡而造成大氣環(huán)流的變化，再由平流層和對流層大氣之間的相互作用、大氣中長波垂直傳播影響對流層大氣環(huán)流和氣候現(xiàn)象，這種機(jī)制即是所謂的top-down機(jī)制。太陽活動影響氣候系統(tǒng)的另一個機(jī)制是bottom-up機(jī)制，指的是太陽總輻射（TSI）的變化直接影響地球表面的熱量分布，尤其是晴空無云的海洋，由于海洋表面熱量吸收增多，造成海溫異常分布，再通過海氣相互作用影響水汽蒸發(fā)和大氣中的水分含量，改變Hadley環(huán)流和Walker環(huán)流，引起副熱帶地區(qū)垂直運(yùn)動和云量的變化，促使更多的水汽向ITCZ降水區(qū)輻合，這兩種機(jī)制的作用是正向一致的，從而放大了太陽活動的影響。本文在總結(jié)前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，探索太陽活動通過兩種機(jī)制影響高原積雪和東亞季風(fēng)，進(jìn)一步放大太陽活動影響的物理過程。

目前尚缺乏有關(guān)太陽活動影響高原積雪異常的數(shù)值模擬研究，主要的難點(diǎn)在于需要選取可以描述高層大氣化學(xué)過程、以及0～700 m海洋各層熱力過程的氣候系統(tǒng)模式，能夠同時體現(xiàn)太陽活動影響氣候系統(tǒng)的top-down和bottom-up兩種機(jī)制，才能模擬出太陽活動影響大氣的熱力和動力過程以及非線性放大效應(yīng)，得到太陽活動影響高原積雪的物理圖像。這對氣候系統(tǒng)模式的要求比較高。Meehl等的工作表明，需要同時考慮太陽活動兩種機(jī)制綜合的影響，才能與實(shí)際觀測更加接近。

1 研究結(jié)果

研究表明，在年代際時間尺度上，太陽射電通量（Solar Radio Flux，SRF）與高原冬季雪深呈較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且，太陽活動調(diào)節(jié)著高原冬季雪深與中國夏季降水之間的關(guān)系。太陽活動對東亞夏季風(fēng)的北緣位置以及6月淮河降水量都有重要的指示意義。然而，在年際時間尺度上，高原積雪對太陽活動響應(yīng)的時空特征，以及對太陽活動響應(yīng)的放大作用研究成果甚少，而高原積雪對東亞地區(qū)氣候的影響深遠(yuǎn)且意義重大，因此，相關(guān)研究很有必要。

1.1 冬季高原積雪對太陽活動的時空響應(yīng)特征

利用1951—2017年20世紀(jì)再分析資料數(shù)據(jù)集第二版（20CRv2）的月平均水等效積雪深度格點(diǎn)資料代替積雪測站資料（該數(shù)據(jù)是單位面積上的積雪換算為融化后的水的質(zhì)量，單位是kg/m，分辨率為2°×2°），分析冬季高原積雪空間分布對太陽活動響應(yīng)的同期和滯后相關(guān)（圖1），發(fā)現(xiàn)高原積雪與太陽活動信號有同期和滯后1～2 a的顯著相關(guān)。高原整體積雪與太陽射電通量基本呈現(xiàn)正相關(guān)，僅在高原的西端、東北部和東南部有局部的負(fù)相關(guān)。其中，顯著相關(guān)區(qū)域集中在高原中部地區(qū)，唐古拉山脈—念青唐古拉山脈—橫斷山脈一線以及巴顏喀拉山脈東段和阿尼瑪卿山脈。隨著滯后時間的延長，正相關(guān)的區(qū)域逐漸減小，高原南部負(fù)相關(guān)的區(qū)域逐漸增大。說明在年際時間尺度上，冬季高原積雪空間分布對太陽活動有明顯的同期和滯后相關(guān)。

圖1 1951—2017年青藏高原冬季積雪與太陽射電通量同期和滯后相關(guān)的空間分布，依次為同期（a）和分別滯后1～10 a（b～k）（黑點(diǎn)表示通過0.05的顯著性檢驗(yàn)） Fig. 1 Spatial distribution of winter snow over the Tibetan Plateau during 1951-2017 for the same period and lag of solar radio flux (a) in the same period, (b)-(k) in the lag of 1-10 years (Stippling indicates gridpoint where the difference is significant at 0.05 significance level)

對冬季高原積雪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（REOF）展開（圖2），第一旋轉(zhuǎn)特征向量表現(xiàn)為以唐古拉山脈—念青唐古拉山脈為界的東北—西南反位相特征（圖2a）；第二旋轉(zhuǎn)特征向量表現(xiàn)為沿緯向的“? + ?”的分布特征（圖2b）；在第三旋轉(zhuǎn)特征向量呈現(xiàn)南北反位相的分布特征（圖2c）；第四個旋轉(zhuǎn)特征向量近似地以90°E為界，呈現(xiàn)東西反位相的分布特征（圖2d）。

圖2 1951—2017年冬季高原積雪經(jīng)REOF分解后的第1～4模態(tài)特征向量的空間分布，依次為第1模態(tài)（a，解釋方差為23.59%）、第2模態(tài)（b，解釋方差為16.34%）、第3模態(tài)（c，解釋方差為14.44%）、第4模態(tài)（d，解釋方差為12.27%）以及各模態(tài)主成分時間系數(shù)，依次為PC1（e）、PC2（f）、PC3（g）、PC4（h） Fig. 2 Spatial distribution of the eigenvectors of the first to fourth modes after REOF decomposition from 1951 to 2017. The first mode (a, variance is 23.59%), the second mode (b, variance is 16.34%),the third mode (c, variance is 14.44%), the fourth mode (d, variance is 12.27%), and the time coefficients of the principal components of PC1 (e), PC2 (f), PC3 (g) and PC4 (h)

計(jì)算冬季高原積雪REOF各模態(tài)時間系數(shù)與SRF的相關(guān)系數(shù)（表1），顯示PC1、PC2、PC3與SRF之間存在顯著的同期相關(guān)，PC2與SRF的同期相關(guān)最顯著（0.5571）。各模態(tài)的時間系數(shù)與SRF之間都存在顯著的滯后相關(guān)。PC1與SRF除了滯后第7年未達(dá)到顯著性水平之外，其余滯后年份均表現(xiàn)出顯著的滯后相關(guān)。兩者在同期至滯后7年時間段里均呈正相關(guān)，滯后8～10 a轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，其中滯后第3年呈最大正相關(guān)（0.6344）。前3個模態(tài)與SRF均有顯著的同期和滯后相關(guān)，說明太陽活動對冬季高原積雪的影響是顯著的。

表1 1951—2017年冬季高原積雪REOF時間系數(shù)與SRF的同期和滯后相關(guān)系數(shù) Table 1 Correlation coefficients between time coefficient of the principal components of snow and SRF from 1951 to 2017

以上研究結(jié)果均表明，太陽活動對冬季高原積雪時空分布具有同期和滯后顯著的影響，高原地區(qū)是對太陽活動響應(yīng)的敏感地區(qū)。

1.2 高原積雪對太陽活動響應(yīng)的非線性放大影響

太陽活動對高原冬季積雪的影響，在峰值年和谷值年表現(xiàn)得更為突出。選取冬季SRF峰值年：1957/58，1967/68，1979/80，1990/91和2001/02，谷值年為：1963/64，1975/76，1986/87，1995/96和2008/09。圖3是SRF和谷值年中國冬季降水差值場，從圖中可見，在太陽活動峰（谷）值年，高原地區(qū)冬季降水顯著偏多（少），并且通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。不僅如此，從我國東北經(jīng)過河套地區(qū)，到青藏高原地區(qū)，降水異常分布呈現(xiàn)出東北?西南走向的“+?+”的分布特征。

根據(jù)太陽活動對地球氣候系統(tǒng)影響的TSI機(jī)制（bottom-up），太陽活動短波輻射影響海洋熱量的吸收，從而造成海氣相互作用的異常，這種異?？梢苑从吃跐摕嵬亢透袩嵬康捻憫?yīng)上面。圖4是太陽射電通量11 a周期峰值年和谷值年潛熱通量的差值場?？梢钥闯?，太平洋存在4個顯著的潛熱通量異常區(qū)A、B、C和D區(qū)（圖4），具體范圍如表2所描述。通過驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)，B區(qū)和C區(qū)的潛熱通量異常值，與高原冬季降水有密切的關(guān)系，對高原地區(qū)冬季降水的貢獻(xiàn)最大。因此，利用B區(qū)和C區(qū)潛熱通量異常數(shù)值定義一個指數(shù)

I

=

L

+

L

，其與中國冬季降水的空間相關(guān)分布如圖5所示?？梢钥闯?，高原地區(qū)降水異常分布與圖3非常相似，說明副熱帶太平洋中部和西部地區(qū)的潛熱通量異常對高原地區(qū)冬季降水有重要的貢獻(xiàn)。高原積雪異常，又會在接下來的夏季對中國降水產(chǎn)生影響，從而持續(xù)放大了太陽活動的作用。相比較而言，由太陽活動造成的感熱通量異常對高原地區(qū)冬季降水的影響較?。▓D略）。

圖3 SRF峰值年和谷值年中國冬季降水差值場 （黑點(diǎn)表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)）[18] Fig. 3 Difference of winter precipitation in China between peak and valley years of SRF (Stippling indicates stations where is at 0.05 significance level[18])

圖4 太陽射電通量峰值年與谷值年冬季潛熱通量差值圖 （紫點(diǎn)為通過0.05顯著性檢驗(yàn)的格點(diǎn)）[18] Fig. 4 Difference of latent heat flux between peak year and valley year of SRF in winter. (Stippling is gridpoints at 0.05 significance level[18])

表2 潛熱通量異常區(qū)的空間范圍 Table 2 Regional extent of latent heat flux anomaly

圖5 潛熱通量異常指數(shù)與中國冬季降水的相關(guān)（黑點(diǎn)表示通過0.05顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)） Fig. 5 Correlation between latent heat flux anomaly index and winter precipitation in China (Stippling indicates stations where the difference is at 0.05 significance level)

太陽活動還可以通過影響0～200 m全球海洋溫度距平，經(jīng)由海氣相互作用，進(jìn)而影響高原冬夏季降水，從而放大太陽活動的作用。利用美國國家海洋地理數(shù)據(jù)中心（NODC）0～700 m海溫距平資料WOD09數(shù)據(jù)集（World Ocean Atlas，NCAR Climate Data Guide）（1955—2016年）（格點(diǎn)分辨率為1°×1°），將垂向各層次的海溫距平資料進(jìn)行5 a滑動平均，以去除ENSO信號。計(jì)算表明，0～200 m的海溫異常對太陽射電通量的響應(yīng)比較顯著，將0～200 m層海溫異常累加起來分析其對太陽射電通量高值年和低值年響應(yīng)的合成差場，結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過功率譜分析和紅噪聲顯著周期檢驗(yàn)，圖中共6個顯著的響應(yīng)區(qū)A～F均對太陽活動有顯著的響應(yīng)，其具體空間范圍和顯著周期如表3所示。

表3 全球海洋0～200 m年平均海溫距平累加對SRF響應(yīng)的顯著區(qū)域空間范圍和顯著周期 Table 3 Range and significant period of 0?200 m accumulated annual sea surface temperature anomaly response to SRF

圖6 經(jīng)過5 a滑動平均后的全球海洋0～200 m年平均海溫距平累加對SRF響應(yīng)的合成差場（A～F區(qū)域分別是海溫對太陽輻射響應(yīng)顯著的區(qū)域，暖色為正響應(yīng)，冷色為負(fù)響應(yīng)，均通過紅噪聲0.05的顯著性檢驗(yàn)） Fig. 6 Composite of 0-200 m accumulated annual sea surface temperature anomaly response to SRF after 5 years running mean (A-F regions have significant responses, warm color indicates a positive response, and cold color means a negative response, all of which are at 0.05 significance level of red noise)

經(jīng)過檢測，全球6個顯著的響應(yīng)區(qū)域（A、B、C、D、E、F）均具有與太陽活動周期相近的11.3 a顯著周期，并且都通過了紅噪聲95%的信度檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步檢測這6個區(qū)域海溫異常確實(shí)是由太陽活動激發(fā)而產(chǎn)生，對每個區(qū)域進(jìn)行海溫距平時間?經(jīng)向剖面圖分析（圖略），可以看到這6個區(qū)域確實(shí)存在近似11 a的顯著周期。

利用這6個區(qū)的海溫異常值定義海溫異常指數(shù)：

Z

=

ST

+

ST

?

ST

?

ST

?

ST

?

ST

，與SRF求相關(guān)得到相關(guān)系數(shù)為0.473，通過了0.001的顯著性檢驗(yàn)（圖7），去趨勢后兩者的相關(guān)性更加顯著。說明海溫異常指數(shù)

Z

可以較好地反映對太陽射電通量響應(yīng)的強(qiáng)度和位相變化。

圖7 海溫異常指數(shù)Z的標(biāo)準(zhǔn)化曲線（黑色實(shí)線）和SRF標(biāo)準(zhǔn)化序列（紅色實(shí)線）（虛線為Z的趨勢線） Fig. 7 Normalized time series of SSTA index Z (black solid line) and SRF (red solid line) (Dashed line isthe tendency of Z)

海溫異常指數(shù)

Z

與冬季和夏季格點(diǎn)降水分別計(jì)算同期相關(guān)，可以發(fā)現(xiàn)，在高原地區(qū)都存在較為顯著的相關(guān)（圖8）。當(dāng)海溫異常指數(shù)

Z

數(shù)值較大（?。┑臅r候，冬季高原地區(qū)降水顯著偏多（少），而夏季高原地區(qū)的降水顯著偏少（多）。滯后1 a的相關(guān)分布與同期相關(guān)很相似（圖略）。說明全球海溫異常傳遞了太陽活動的信號，對高原地區(qū)的降水產(chǎn)生明顯影響，從而放大了太陽活動的作用。冬季高原降水與積雪的高相關(guān)可以說明，冬季高原積雪對海溫異常指數(shù)

Z

具有顯著相關(guān)的特征，而高原積雪又可以影響大氣環(huán)流和東亞夏季風(fēng)，因此，太陽活動所產(chǎn)生的影響會通過非線性海氣相互作用的鏈條反應(yīng)，對東亞氣候產(chǎn)生深刻而久遠(yuǎn)的影響。

圖8 海溫異常指數(shù)Z與東亞地區(qū)冬季降水率（a）和夏季降水率（b）的相關(guān)系數(shù)（其中陰影區(qū)是達(dá)到0.1顯著水平的異常區(qū)，實(shí)線是0.5等值線，虛線是-0.5等值線） Fig. 8 Correlation of SST anomaly index Z and winter precipitation rate (a), and summer precipitation rate (b) in East Asia. (Shading indicates 0.1 significance level, solid contour interval is 0.5%, and dotted contour interval is -0.5%)

太陽活動造成的海溫異常指數(shù)對中國冬季降水的影響主要集中在某些地區(qū)，比如當(dāng)指數(shù)

Z

數(shù)值大時，華南地區(qū)廣西和廣東西部一帶降水增多，東北地區(qū)降水減少，青藏高原地區(qū)降水顯著增加；對中國地區(qū)夏季降水的顯著影響集中在江南東部地區(qū)福建、浙江和臺灣地區(qū)一帶、山東半島、青藏高原中部和東北部地區(qū)，這些都是降水減少比較顯著的區(qū)域。說明海溫異常在這些地區(qū)可以放大太陽活動的信號使得降水減少。在做短期降水預(yù)測時，應(yīng)該注意在這些地區(qū)降水異常中的太陽活動信號。

以上討論了太陽活動對全球和東亞地區(qū)海洋熱力異常和降水的影響和放大作用，這只是太陽活動影響氣候系統(tǒng)的一部分，實(shí)際上，在氣候系統(tǒng)的許多領(lǐng)域還沒有涉及到對太陽活動響應(yīng)的研究，需要人們進(jìn)一步去探索。

1.3 太陽活動影響高原積雪的機(jī)制研究

一般認(rèn)為，太陽活動影響氣候系統(tǒng)的機(jī)制有兩種：一種是bottom-up機(jī)制，也就是太陽總輻射機(jī)制（TSI機(jī)制），太陽活動總輻射的變化，直接影響地球表面與大氣之間的熱通量和大氣溫度，改變大氣環(huán)流，進(jìn)而導(dǎo)致地球氣候異常，驅(qū)動氣候變化；另一種機(jī)制是top-down機(jī)制（UV機(jī)制），即太陽短波輻射中的紫外波段的強(qiáng)度變化能影響地球中高層大氣化學(xué)過程，改變熱平衡，進(jìn)而影響平流層大氣環(huán)流，并通過行星波的垂直傳播影響到對流層大氣，引起某些區(qū)域氣候變化。研究表明，兩種機(jī)制的作用是同相的，可以共同影響某些區(qū)域的氣候異常，并且，top-down機(jī)制要比bottom-up機(jī)制的貢獻(xiàn)要大。這是太陽活動非線性影響氣候異常的重要物理機(jī)制。

前面1.2節(jié)所討論的物理過程體現(xiàn)了bottom-up機(jī)制的作用。太陽活動對高原積雪的影響是否也可以通過top-down機(jī)制得以體現(xiàn)？我們嘗試從top-down機(jī)制分析太陽活動對高原積雪的影響。

圖9給出了冬季SRF峰值年與谷值年冬季溫度異常的垂直剖面圖和位勢高度異常剖面圖，可以看出，太陽活動峰值年400～100 hPa北極地區(qū)降溫，中緯度地區(qū)升溫，與這種指向極地的溫度梯度相匹配，有利于中緯度地區(qū)西風(fēng)加強(qiáng)，北極濤動呈現(xiàn)正位相，中緯度地區(qū)西風(fēng)加強(qiáng)（圖略）。在太陽活動谷值年，這種特征相反。

圖9 冬季太陽射電通量峰值年與谷值年緯向平均數(shù)值的緯度-高度剖面差值 （a）冬季溫度 （單位：℃），（b）冬季位勢高度 （單位：gpm） Fig. 9 Difference of latitude-height profile of zonal mean value between peak and valley years of winter solar radio flux. (a) Winter temperature (unit: ℃), (b) winter geopotential height (unit: gpm)

平流層大氣的這種環(huán)流異常可以通過大氣長波的垂直傳播，傳遞到對流層大氣。太陽射電通量高低年的EP通量（圖10）顯示，太陽活動高年，高緯度地區(qū)60°—80°N，從平流層到對流層存在一致的EP通量下傳的現(xiàn)象，表明波動下傳，將太陽活動的影響下傳到對流層。平流層感熱通量由極地指向低緯度，熱量向中緯度輸送，有利于中緯度溫度升高，高緯度溫度降低，產(chǎn)生由南指向極地的溫度梯度，利于西風(fēng)加強(qiáng)。沿經(jīng)向方向，平流層EP通量箭頭由極地指向赤道，有向北的動量輸送，因此，在平流層45°—70°N存在強(qiáng)的EP通量的輻散，緯向西風(fēng)加強(qiáng)；而其以南地區(qū)和極地地區(qū)，存在EP通量的輻合，緯向西風(fēng)減弱，東風(fēng)加強(qiáng)。這種緯向風(fēng)隨緯度的經(jīng)向分布特征反映了環(huán)狀模（北極濤動）的正位相。同樣，對流層50°—60°N地區(qū)850 hPa以上存在EP通量的輻散，有利于西風(fēng)加強(qiáng)。太陽活動低年，則情況相反。

圖10 冬季SRF高（a），低（b）年EP通量（箭頭）和散度（陰影）（白點(diǎn)表示通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)） Fig. 10 EP flux (arrow) and divergence (shading) in winter of (a) high SRF years and (b) low SRF years. (Stippling indicates gridpoints where are at 0.1 significance level)

平流層與對流層大氣之間的相互作用改變了對流層大氣環(huán)流場分布。太陽活動高年的500 hPa緯向風(fēng)場顯示，高原地區(qū)有顯著的東風(fēng)異常，而其南側(cè)的印度半島、孟加拉灣和阿拉伯海上空存在較強(qiáng)的西風(fēng)異常，西風(fēng)氣流加強(qiáng)（圖11a）。這種緯向風(fēng)異常隨緯度的經(jīng)向變化，產(chǎn)生正的渦度異常，易在高原地區(qū)產(chǎn)生異常的氣旋，有利于加強(qiáng)降水，從而造成高原積雪的增多（圖11b）。經(jīng)過計(jì)算，SRF高年的冬季積雪日數(shù)平均每年比低年多出50 d。并且，由太陽活動造成的這種異常的緯向風(fēng)可以一直持續(xù)到春季（圖略），從而影響高原春季積雪。計(jì)算顯示，SRF高年的春季積雪日數(shù)平均每年比低年多出57 d。

圖11 冬季太陽射電通量高低年差值場 （a）500 hPa緯向風(fēng)場（紫色點(diǎn)表示通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)），（b）高原冬季積雪日數(shù)（▲表示通過0.1顯著性水平檢驗(yàn)） Fig. 11 Difference of high solar radio flux years and low years in winter (a) 500 hPa zonal wind field (stippling means gridpoints where are at 0.1 significance test level), (b) snow days number in winter over the plateau (▲ means station with 0.1 significance level)

以上研究結(jié)果揭示了太陽活動影響高原積雪的top-down物理過程，證明了太陽活動通過兩種物理機(jī)制（bottom-up和top-down）共同影響高原積雪。

2 討論和結(jié)論

以上的研究從觀測事實(shí)的角度揭露了高原積雪對太陽活動響應(yīng)的時空特征和物理過程，我們也嘗試從數(shù)值試驗(yàn)的角度研究太陽活動對高原積雪的影響。這需要?dú)夂蚰Ｊ桨鼮榧?xì)致的高層大氣的化學(xué)過程，以及海氣耦合系統(tǒng)，這樣更容易從top-down和bottom-up兩種機(jī)制的共同作用下看到太陽活動對高原積雪的影響。

2.1 高原積雪對太陽活動響應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)

選用美國大氣科學(xué)中心的地球系統(tǒng)模式（NCAR CESM2.1.1）版本進(jìn)行了包含有年變化的太陽輻射強(qiáng)度（Total Solar Irradiance，TSI）1979—2009年的全耦合的數(shù)值積分試驗(yàn)，分析了1979—2009年期間地球氣候系統(tǒng)的變化。大氣水平分辨率為1.9°×2.5°，具體模式參數(shù)設(shè)置如表4。

表4 模式參數(shù)設(shè)置 Table 4 Mode parameters

根據(jù)模式中1979—2009年太陽輻射強(qiáng)度（TSI）的變化，選取TSI＞1.0標(biāo)準(zhǔn)差的TSI高值年：1979，1980，1981，1989，1990，2000，2001，2002年，總共8 a；小于?1.0標(biāo)準(zhǔn)差的TSI低值年：1985，1986，1995，1996，1997，2007，2008，2009年，總共8 a。

圖12是太陽活動高低年參考高度溫度（TREHFT）（2 m氣溫）和頂層凈太陽通量（FSNT）的空間分布。可以看出，太陽活動高值年高原地區(qū)大氣層頂太陽通量明顯較強(qiáng)，近地面大氣溫度更高，均通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。說明太陽活動強(qiáng)，高原地區(qū)進(jìn)入大氣層頂?shù)臒崃扛?，近地面氣溫偏高?/p>

圖12 太陽活動高低年差值場分布 （a）年平均頂層大氣凈太陽通量；（b）參考高度溫度（黑色點(diǎn)為通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，陰影區(qū)是高原地區(qū)） Fig. 12 Difference in high and low solar activity years of annual net solar flux at top of atmosphere (a), annual temperature at reference height (b) (stippling indicates gridpoints where are at 0.05 significance level, and shading are plateau areas)

圖13是太陽活動高低年高原降雪率差值場，可以看到，太陽活動高（低）年，高原主體的降雪率偏多（少）；高原以西和以北均表現(xiàn)為降雪率偏低（高）。說明太陽活動強(qiáng)（弱）時，高原主體冬春季積雪偏多（少）。這與1.1節(jié)所得到的結(jié)論一致，也與宋燕等研究結(jié)果較為一致。數(shù)值模擬的結(jié)果與診斷分析結(jié)果相一致。

圖13 太陽活動高低年年平均降雪率差值場的空間分布 （黑色點(diǎn)為通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，陰影區(qū)是高原地區(qū)） Fig. 13 Spatial distribution of difference of annual average snowfall rate between high and low solar activity years (stippling indicates gridpoints where are at 0.05 significance level, and shading are plateau areas)

環(huán)流場分析表明，太陽活動高年500 hPa高原主體上空存在異常氣旋和上升運(yùn)動，有利于產(chǎn)生降水；高原主體上空100 hPa存在異常反氣旋，配合500 hPa異常氣旋，存在異常上升氣流，有利于降雪增多。以上環(huán)流異常有利于太陽活動強(qiáng)的年份高原降雪率增多；太陽活動低的年份則相反（圖略）。

以上數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果證明了高原地區(qū)是對太陽活動響應(yīng)的敏感地區(qū)，包括溫度場、降雪率和環(huán)流場（圖略）都存在異常響應(yīng)。但是，模式中的平流層大氣在中緯度地區(qū)沒有出現(xiàn)緯向風(fēng)的加強(qiáng)，環(huán)狀模沒有明顯的加強(qiáng)，EP通量分析表明平流層和對流層大氣的相互作用也非常弱。究其原因，有可能是模式中平流層大氣的化學(xué)過程不完善造成的。在下一步的研究工作中，擬選擇包含較完整化學(xué)過程（主要是臭氧響應(yīng)太陽輻射）的氣候模式，繼續(xù)研究太陽活動對高原積雪異常影響的物理機(jī)制。

2.2 結(jié)論

本文回顧和梳理了近期高原積雪對太陽活動響應(yīng)以及放大作用的研究成果，給出了最新的研究結(jié)果，具體結(jié)論如下。

1）1951—2017年青藏高原冬季積雪與太陽射電通量同期和滯后空間相關(guān)分析表明，高原積雪對太陽活動具有顯著的空間響應(yīng)，同期和滯后1～2 a為顯著的正相關(guān)，主要集中在昆侖山脈—唐古拉山脈—念青唐古拉山脈—橫斷山脈一線。2年以后相關(guān)分布型發(fā)生顯著的變化，以32°N為界，逐漸向“北正南負(fù)”的分布型發(fā)展，高原北部積雪呈正相關(guān)，85°E以西高原西部積雪呈正相關(guān)。

2）高原積雪旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解（REOF）分析表明，高原積雪的不同空間模態(tài)對太陽活動的響應(yīng)有不同的分布型，前3個模態(tài)對太陽活動都有顯著的同期和滯后響應(yīng)，都通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，其中第一模態(tài)響應(yīng)最為顯著。響應(yīng)的敏感區(qū)集中在高原主體上的高山區(qū)域，這里的積雪偏多，對太陽活動的響應(yīng)更為敏感。第四模態(tài)響應(yīng)最弱。

3）太陽活動通過影響海氣相互作用，導(dǎo)致冬季太平洋上的潛熱通量顯著異常，以及太平洋和大西洋0～200 m海溫顯著異常，海洋與大氣異常的熱量交換使得高原地區(qū)降水顯著異常。一般來說，太陽活動峰（谷）值年，高原地區(qū)冬季降水偏多（少）；太陽活動高（低）年，海溫異常指數(shù)偏高（低），高原地區(qū)冬季降水偏多（少），夏季降水偏少（多）。以上是太陽活動影響高原積雪異常的bottom-up（TSI）機(jī)制。受太陽活動影響的高原積雪異常，又會通過雪氣相互作用，進(jìn)一步影響中國夏季降水，從而放大了太陽活動的非線性影響。

4）對太陽活動影響高原積雪的機(jī)制研究表明，除去bottom-up機(jī)制之外，還存在top-down機(jī)制（UV機(jī)制）的影響。太陽活動峰（谷）值年，平流層北極地區(qū)降（升）溫，中緯度地區(qū)升（降）溫，由南指向北的溫度梯度使得中緯度地區(qū)西風(fēng)加強(qiáng)，北極濤動正（負(fù)）位相。太陽活動高（低）年，存在長波的垂直下（上）傳，在平流層45°—70°N存在強(qiáng)的EP通量的輻散（合），緯向西風(fēng)加強(qiáng)（減弱）；而45°—70°N以南地區(qū)和以北地區(qū)，存在EP通量的輻合（散），緯向西風(fēng)減弱（加強(qiáng)），東風(fēng)加強(qiáng)（減弱），北極濤動正（負(fù)）位相。高原地區(qū)有顯著的東（西）風(fēng)異常，而其以南印度半島、孟加拉灣和阿拉伯海上空存在較強(qiáng)的西（東）風(fēng)異常，這種緯向風(fēng)的經(jīng)向切變呈現(xiàn)出正（負(fù)）渦度異常，易產(chǎn)生異常（反）氣旋，有利于高原地區(qū)降水偏多（少），從而造成高原積雪的增多（減少）。由太陽活動造成的這種異常的緯向風(fēng)可以一直持續(xù)到春季，影響高原春季積雪。

5）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在太陽活動高（低）值年份，高原地區(qū)大氣層頂太陽通量更強(qiáng)（弱），近地面大氣溫度更高（低），高原主體的降雪率偏多（少）；高原主體500 hPa存在異常（反）氣旋，100 hPa存在異常反（正）氣旋，高原地區(qū)上升（下沉）運(yùn)動增強(qiáng)，（不）有利于產(chǎn)生降水，降雪率增多（減少）。

致謝：感謝廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院李德琳博士為本文做圖。