一个古老的话题：太阳、地球和天气

贺长云

撰文/李泽椿 谌芸 张峰 权婉晴 王月冬（国家气象中心）
极光常见于高磁纬度地区，但近期地磁暴较强，使得我国北方地区出现了罕见的极光现象。

极光的发生源于太阳风，太阳风是从太阳表面喷射出的速度约400km/s的高速等离子体流。太阳活动强度变大，抵达地球的太阳高能带电粒子就会变强，因此地处更低纬度的我们才能看到极光。
太阳作为地球最大的能量来源，“主宰”着地球的命运，地球的起源、演化以及所有的自然现象，都与太阳及其变化密切相关。接下来，带大家走近地球天气变化的最终原因——太阳，一探究竟。

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太阳活动研究历史

太阳活动变化的最长久记录是太阳黑子的变化。

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太阳黑子的第一次记录大约是在公元前800年前的中国，最老的描绘记录约在公元1128年。
1610年，天文学家开始用望远镜记录黑子和它们的运动，最初的研究聚焦于本质和行为。

17、18世纪，由于黑子数目偏低，使得研究受到了阻碍。但在19世纪之前，已经有足够长的数值记录可以推断黑子活动的周期性。
1801年，一个名叫赫谢耳（Herschel）的欧洲人推测太阳活动可能与地球气候之间存在联系，并得出太阳黑子少时地球上降水量少的结论。这是关于太阳活动对地球气候影响的最早论述。
在随后的200年里，人们找到很多支持证据，表明太阳活动与某些气候要素之间具有良好的相关性。
譬如，太阳黑子持续异常减少的蒙德极小期（1645年至1715年）在时间上正好对应于西欧“小冰期”的低谷期、北半球陆地表面温度与太阳活动周期长度之间具有很强相关性。
大约在1900年，研究人员开始探索太阳活动和地球上天气间的关联性，特别值得注意的是阿布特的工作。他的团队从发明测量太阳辐射的仪器开始，之后，他在智利的卡拉玛建立太阳观测站，以弥补威尔逊山天文台在数据资料上的不足。他通过城市各个月的天气记录，如温度与降雨量变化等和太阳活动成正相关或反相关的趋势，来寻找太阳活动与天气间的关联性。

随着树木年轮气候学的发展，科学家们注意到树木的生长和现存记录上太阳活动周期之间的关联性，并且以长达数世纪的太阳常数变化，推论千年尺度的年代学变化与之相似。

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太阳活动是地球天气与气候形成的原因

地球的绝大多数能量来自太阳，地热能、火山能等其他能量的总和只有太阳辐射能的1/10000。

地球上大气环流的直接能量来源是下垫面的加热、水汽相变的潜热加热和大气对太阳短波辐射的少量吸收，但其最终来源还是太阳辐射。
太阳辐射将能量传递给地球下垫面。
地球不同纬度接受太阳辐射能量的差异造成了从赤道到两极的地表温度和大气温度差异，而地球海陆分布差异也带来不同区域吸收太阳辐射能量的差异，占地表面积71%的海洋吸收了大部分的太阳辐射能，成为地球大气最重要的热源。

上述温度差异造就了地表附近的冷暖气团，同时也激发了大气产生环流，进而促使冷暖气团交汇，引起降水、寒潮、大风等天气。由于气温与降水的分布差异，地球不同区域也就有了不同的气候。

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太阳活动引发地球天气的变化

研究结果显示，太阳活动和地球温度的变化具有共同的周期性；同时，太阳活动和温度变化之间具有显著的相关关系。
全球平均气温的变化受太阳活动调制。
在分析万年尺度的重构数据时，也发现了类似的规律：太阳黑子数与南极局地气温有4个共同变化周期，并且太阳黑子的变化领先于地球温度的变化，而大气中CO2含量的变化则滞后于温度的变化。
太阳黑子11年周期与中国夏季气温呈明显的双振动现象，即在太阳黑子的峰、谷值年附近，夏季大范围气温偏低；而在峰、谷值年之间的年份，夏季大范围气温偏高。

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1951年以来，中国东北地区出现的6个严重低温冷害年，其中就有5年在太阳黑子的峰、谷值年附近。
20世纪80年代以来，全球变暖，东北地区没有出现严重的低温冷害，但在4个太阳黑子的峰、谷值年中，有3年东北大部地区夏季温度比常年偏低。

另外，科学家们还发现，亚寒带许多树龄很高的树木的年轮恰恰有着与太阳黑子活动11年周期相对应的、有规律的疏密变化。
同时从统计资料中发现，凡是太阳黑子活动的高峰年，地球上特异性的反常气候出现的机率就明显地增多；相反，在太阳黑子活动的低峰年，地球上的气候就相对比较平稳。

针对太阳活动的另一个关注重点在于太阳活动对全球变暖的影响。
据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告称，太阳活动11年的周期性变化可以解释全球温度波动值在太阳活动峰谷期之间为何为0.1℃左右。

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在20世纪初，太阳活动的长期增长趋势以及内部变率、温室气体的增加和火山活动的间断等，都可能会放大这一周期内的升温情况。最近的模式研究结果也表明：20世纪上半叶，全球增暖主要归因于自然因素，其中相当程度上源于太阳影响的增加；而20世纪下半叶和21世纪初，增暖主要是由于温室气体排放。
而对于最近20年的情景，甚至有研究认为，太阳活动可能对气候起到一个弱的降温作用。

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太阳活动对地球天气影响机制研究

三种时间尺度

目前关于太阳活动对地球气候的影响，主要存在三种不同时间尺度上的研究：

（1）与太阳活动长周期变化相关的地球气候的改变，主要探索地球上接收到的太阳输出能量的长期变化与几百至几千年气候变化之间的关系；
（2）与11年太阳活动周期有关的中周期气候变化，主要研究地球上气压、温度、降水、雷暴等气象参数与太阳黑子周期的相关性；
（3）与瞬变太阳事件有关的几天时间尺度的天气变化，主要研究直接或间接的太阳扰动（如耀斑、地磁扰动、太阳风特性的短期变化、行星际磁场扇形结构等）与气象参数（如气压、环流形势、雷暴、涡旋面积指数等）短期变化之间的关系。早期的统计研究发现，500百帕（hPa）等压面的平均高度在太阳耀斑前后发生了明显的改变，雷暴活动似乎也与太阳耀斑事件存在某些相关性。

太阳活动影响机制

目前，通过一系列的分析研究，在关于太阳活动影响天气气候变化方面，学术界已有了一些初步看法，但尚未形成完整的理论。

归纳起来，可以将它们概括为直接影响和间接影响。具体有如下几种可能途径：
太阳活动→太阳辐射量→地表温度→大气环流→天气气候变化。这是最直接的影响方式。

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11年太阳活动周期辐射量变化对地表温度的影响为0.07开尔文（K），与全球平均海平面温度（SST）变化（0.08K±0.02K）尺度相当。然而不同地区的局地温度变化要远大于全球平均，这表明其中包含一定的反馈强化机制，如对哈德雷环流与沃克环流的影响造成更大的温度变化。
太阳活动（特别是宇宙线加强）→地球大气电离程度→大气经圈环流→天气气候变化。一些观测研究已表明，在太阳黑子的高峰期，地球大气的电离程度比较强，尤其是在高纬度地区。
这样，在电磁场的作用下，高纬度大气电离化的增强将导致高纬度地区大气直接经圈环流的加强。
经圈环流的加强，将使空气的南北交换加强，大气活动中心会明显增强，全球的降水量也可能增多。
同时，地球大气电离程度的变化还必然引起高层大气中离子含量的改变，高离子含量的空气被带到对流层，可能影响到云和降水过程。
太阳活动→紫外辐射→臭氧层→平流层热状况→天气气候。
与太阳总辐照度的变化幅度相比，紫外辐射的波动要大很多，可以达到6%~8%。紫外辐射对加热平流层和臭氧尤其重要。
卫星观测表明，平流层上层的臭氧混合比与太阳辐射加热有明显的正相关，太阳辐射加热强，在2百帕（hPa）高度处的臭氧混合比就高。
在这样的情形下，太阳活动（太阳黑子）所引起的辐射量（尤其是紫外辐射）的增加将使得平流层的臭氧量及其分布发生变化，从而引起平流层热状况的变化，进而引起平流层温度场的变化，改变平流层大气环流，并通过行星波的垂直传播以及对流层平流层的耦合机制影响对流层的大气环流，最终引起天气气候的变化。

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例如，平流层接收到的紫外辐射减小时，平流层风力降低，急流也就相应减弱，从而使天气系统滞留时间延长，导致极端天气事件发生。
太阳活动→地球磁场→地球自转速度（或地磁能量）→大气和海洋环流→天气气候。
太阳活动会引起地球磁场的变化，地球磁场的变化将引起地球外核流动的改变，而外核流动的改变通过核幔耦合作用，包括电磁耦合、粘性耦合、热力耦合和地形耦合等过程，又将对地幔产生影响，然后又引起地球自转速度（日长）的变化。
地球自转速度的变化，通过地球与大气和海洋的角动量交换将引起大气环流和海洋环流的变化，最终影响天气气候。
同时，地磁场的变化也将引起核幔边界上地磁能量的改变，这种能量通过一定方式传到地面也可以影响气候变化。
然而，太阳活动和地球气候系统都是高度复杂的体系，太阳变化影响地球天气和气候的机制，是一项很古老、涉及领域很宽广的交叉学科，同时也是一个十分复杂而难以解决的问题，它涉及太阳-行星际空间-磁层-电离层-低层大气之间的各种耦合过程。
目前，科学家们仅仅做了一些简单的分析，尚未达到定量评估的深度。要进一步探索太阳活动与地球天气之间的联系，还需要空间学家和气象、气候专家进一步合作来回答。
<hr>本文来自《知识就是力量》杂志，原标题《一个古老的话题：太阳、地球和天气》，撰文/李泽椿、谌芸、张峰、权婉晴、王月冬，有删改，原创作品转载请注明来源。

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