太阳活动11年周期与南极海冰的可能联系

周群 陈文

(1 自然资源部国家海洋环境预报中心,北京 100081;2 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京 100190)

提要 本文利用1979—2018年NCEP-DOE 再分析资料、Hadley 中心提供的全球海冰密集度格点资料以及反映太阳活动11年周期变化的太阳黑子数资料,研究了太阳活动与南极海冰变化的可能联系和其中涉及的物理过程。结果表明,太阳活动偏强年,南极半岛-威德尔海海冰密集度增加,罗斯海外围海冰密集度减少,反之亦然。通过定义一个反映上述变化的南极海冰偶极子指数,我们发现其与南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)的变化具有显著的负相关关系,与AAO 密切相联系的绕极急流的非对称性结构在这一过程中起到了关键作用。当AAO 强度较强时,西风急流在南极半岛-威德尔海一带向南偏转,在罗斯海附近向北偏转,引起暖空气易于进入南极半岛-威德尔海,而更多的冷空气进入罗斯海外围,从而造成海冰分布的偶极子结构。而当AAO为负位相时,情况与上述相反。对流层AAO 模态对太阳活动的响应,可能在太阳活动与南极海冰两者的联系中起到了桥梁作用。进一步的研究揭示出太阳活动影响AAO的信号很可能源于平流层温度的响应,再通过对流层的平均经圈环流的调整,大气质量得以重新分布,在太阳活动偏强年,对流层低层易于出现负的AAO型响应。

0 引言

南极海冰作用区是地球气候系统主要的冷源之一[1],一方面,海冰具有较高的反照率,有效地减少了地球表面吸收的太阳辐射；另一方面,海冰能够隔离海洋与大气之间的热量和水汽交换。因此,南极海冰的变化能显著地影响极地大气冷源的强度,进而影响全球大气环流[2-3]。自20世纪70年代起,基于极轨卫星提供的被动微波影像资料,许多学者开展了针对南极海冰变化的研究工作,这些分析发现南极威德尔海和罗斯海海区的海冰最多、变化最大,指出南极海冰不仅在年际时间尺度上存在明显的变化,而且在年代际时间尺度上具有10年左右的准振荡周期[4-5]。通过定义具有跷跷板式变化特征的南极海冰涛动指数,大量研究证实了南极海冰的变化不仅对南极大陆气象、气候有重要的影响[6],而且与我国夏季气温及降水均都有着密切的联系[7-9]。已有的工作考察了影响南极海冰变化的外强迫因子,如太平洋海温[10]、西印度洋海温[11]、南半球环状模[12]等。南半球环状模或南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)是大气内部的一种模态,表征了南半球热带外大气在年际尺度上的主要变化[13]。观测分析及模式模拟均已揭示出威德尔海和罗斯海的海冰、感热通量等的变化对AAO的偶极子式响应,这可以归因于与AAO 有关的动力和热力强迫的综合作用[14-15]。

太阳辐射是全球地-气系统的基本能量来源,所以太阳活动周期变化造成的辐射强度的改变会对地球天气、气候产生重要影响[16-20]。太阳活动存在周期为11年左右的循环变化,卫星观测发现在一个活动周期中太阳总辐射的变动在1%以内,但其中紫外光谱波段的差异能达到6%～8%,这对于平流层臭氧含量及其分布的变化是至关重要的[21-22]。大量研究发现太阳活动产生的紫外辐射的变化通过臭氧吸收会引起平流层温度场的改变,进而造成风场的垂直变化,而风场的分布直接关系到大气准定常行星波的传播,通过波流相互作用,太阳活动能够调节对流层南、北半球环状模的强度及变率,进而影响更广泛区域的天气、气候[23-30]。这些研究普遍认为太阳活动对平流层上层和中层的影响是直接的(通过臭氧吸收紫外辐射),而对平流层下层—对流层的环流异常则是间接/动力影响的结果[31-36]。近来的工作指出通过对垂直经圈环流的调制,太阳活动能够引起低层AAO型的响应,进而对越赤道气流的建立和我国南海夏季风的爆发产生重要影响[37]。

从以上的回顾不难发现,一方面,太阳活动能够通过平流层-对流层耦合作用影响对流层低层南、北半球环状模的空间结构,另一方面,AAO与南极海冰变化规律紧密相关,那么,太阳活动能否影响南极海冰的变异就成为一个亟待探讨的科学问题。为此,本文将考察太阳活动与南极海冰变化之间的可能联系,分析AAO 在此过程中起到的关键作用,揭示太阳活动影响南极海冰变化的物理过程。

1 资料与方法

文中所使用的数据资料包括:(1)NCEP/DOE全球大气月平均再分析数据集(https://psl.noaa.gov/data/grdded/data.ncep.reanalysis2.html),该资料垂直方向从1 000 hPa到10 hPa 共17层,水平网格距为2.5°×2.5°,使用到的气象要素包括海平面气压、经向风、纬向风、气温以及垂直速度；(2)全球月平均海冰密集度数据集,取自英国气象局Hadley 中心,其水平分辨率为1°×1°；(3)比利时皇家天文台(http://www.sidc.be/silso/datafiles)提供的年平均太阳黑子数资料(Sunspot Number,SSN)。本文选用1979—2018年共计40年的资料进行统计分析,采用的方法主要是线性回归和相关分析,并利用t检验来验证其显著性。

计算年平均SSN 与同期太阳总辐射(数据取自NOAA 国家环境信息中心,https://www.ngdc.noaa.gov/stp/solar/irrad.html)的相关系数高达0.97(图略),也即太阳黑子周期活动与太阳总辐射的变动高度相关,表明两者变化十分一致,这也与已有的研究结果相吻合[38],因此,本文利用SSN 作为表征太阳活动强弱的指数。

2 太阳活动对南极海冰变化的可能影响

图1a是年平均的海冰密集度与SSN指数的回归分布,阴影区表示通过90%置信度检验的区域,可见,显著的正值区位于南极半岛-威德尔海附近,负值区主要位于罗斯海外围以及戴维斯海附近。大气环流诊断显示,整个极地高纬度地区为海平面气压的正异常覆盖(图略),主要的反气旋式环流异常有三个,分别位于南极半岛附近、罗斯海外围以及戴维斯海附近(图1b)。值得注意的一点是,南极半岛附近的异常反气旋中心位置偏北(65ºS 以北),导致威德尔海上空为自极地而来的偏南风异常；而罗斯海及戴维斯海的反气旋中心位置相对偏南(65ºS 以南),造成上述区域上空为中纬度而来的偏北风异常。这里的结果表明,太阳活动对南极海冰的异常分布存在影响,太阳活动偏强年,南极半岛-威德尔海海冰密集度显著增加,而罗斯海外围海冰密集度明显减少,海冰的异常与低层环流异常带来的冷、暖空气密切相关。

图1 南极海冰、大气环流场与太阳黑子数(SSN)指数的回归分布型.a)年平均的海冰密集度(等值线,间隔:1.5×10−2)与SSN指数的回归分布型;b) 850 hPa 风场(矢量,单位:m·s−1)与SSN指数的回归分布型.浅、深色阴影分别表示通过90%、95%置信度检验的区域;图a中实线(虚线)表示正值(负值),红色(蓝色)梯形框表示选定的典型的正值(负值)区Fig.1.Regressed distributions of the sea ice concentration and atmospheric circulation over the Antarctic on the sunspot number (SSN) index.a)regressed anomalies of annual mean sea ice concentration (contours,interval:1.5×10−2) on SSN index;b) regressed anomalies of 850 hPa wind (vectors,units:m·s−1) on SSN index.Heavy and light shadings denote the regions at the 95% and 90% confidence levels,respectively.Solid (Dashed) contours indicate the positive(negative) values and red (blue) trapezoid denotes the chosen typical area with positive (negative) values in figure a

为了系统地研究与南极海冰变化有关的南半球大气环流特征,我们将年平均的南极半岛-威德尔海(图1a中红色梯形框所示区域,70ºS～55ºS,25ºW～85ºW)与罗斯海外围(图1a中蓝色梯形框所示区域,75ºS～60ºS,160ºE～150ºW)区域平均的海冰密集度之差定义为南极海冰偶极子(Sea Ice Dipole,SID)指数。经标准化处理的SID指数与SSN指数的年际变化在图2中给出,可见,SID指数存在明显的年际和年代际变化,而SSN 则主要呈现显著的准11年周期性变化。我们将这SID指数的两种时间尺度进行分离,对SID指数进行5年滑动平均处理,以滑动平均值代表年代际变化[39]。分别将原始的、5年滑动平均的SID指数与SSN指数序列计算相关系数(0.38、0.37),结果均能超过95%置信水平,也即1979—2018年期间年平均SID指数与SSN指数之间呈显著的正相关关系。此外,本文定义的SID指数与程彦杰等[6]、卞林根和林学椿[9]为反映罗斯海外围与南极半岛附近的别林斯高晋海海冰跷跷板式变化规律而定义的南极海冰涛动指数呈显著的负相关关系(相关系数为−0.79,超过 99%置信度检验),因此,本文定义的SID指数不仅能够很好地反映太阳周期活动对南极海冰变化的主要影响,同时也对南极关键区海冰年际变化具有一定的指示意义。

图2 经标准化处理的年平均SSN(灰色阴影)指数和南极海冰偶极子(SID)指数(红色实线表示原始数据；黑色实线表示5年滑动平均后的数据)的时间变化序列Fig.2.Normalized time series of the annual mean SSN index (grey shadings) and Antarctic sea ice dipole (SID) index (raw:red line;5-year running mean:black line)

前人的工作指出AAO 与南极罗斯海和威德尔海海冰的相反变化有密切的关系[14],为此,我们将年平均南半球热带外地区的海平面气压场回归到SID指数(图3a)。整体而言,在极区及较高纬度地区为显著的海平面气压正异常,在中纬度地区则为明显的海平面气压负异常,这与AAO负位相的分布特征较为一致。事实上,将1979—2018年期间年平均南半球20ºS 以南的海平面气压场进行经验正交函数分解,第1模态(方差贡献31.8%)就表现为纬向对称、而经向上是极区和中纬度地区的偶极形态,反映的是大气质量在南半球中、高纬度之间的反向变化,也即AAO的强度变化(图3b),故本文将第1模态对应的标准化时间系数定义为AAO指数。已有的研究证实了自20世纪70年代以来,AAO表现出明显的年代际增强趋势[40],这种变化趋势主要由温室气体的增长和平流层臭氧损耗所导致[41]。因此,图3c给出的是去掉线性趋势后的标准化AAO指数与SID指数的时间演变序列,可以看出两者基本呈反位相变化,计算1979—2018年期间AAO指数与SID指数原始序列的相关系数为−0.52(通过99%置信水平),去掉线性趋势后两者的相关系数为−0.34(通过95%置信水平),这说明AAO 与SID之间具有显著的负相关关系。

图3 SID指数与南极涛动(AAO)指数的关系.a)年平均海平面气压(SLP) 回归到SID指数的分布型(等值线,间隔:0.5 hPa);b)年平均海平面气压(SLP)做EOF 分解展开的第一模态空间分布(等值线,间隔:0.5 hPa)；c)经标准化处理并去掉线性趋势后的第一模态对应的时间系数(定义为AAO指数,灰色阴影)和SID指数(红色实线)的时间变化序列.a)和b)中红色(蓝色)阴影分别表示正(负)值通过95%置信度检验的区域Fig.3.Relationship between the SID and the Antarctic Oscillation (AAO) index.a) regression pattern of the annual mean sea level pressure (SLP,contours,interval:0.5 hPa) on the SID index;b) the first EOF mode of the SLP field (contours,interval:0.5 hPa);c) the corresponding normalized time coefficients (defined as the AAO index;light grey shadings)and normalized time series of SID index (red solid line) after removing the linear trends.Red (Blue) shadings indicate the positive (negative) values exceeding the 95% confidence level in a) and b),respectively

Lefebvre 等[14]的工作指出绕极急流对AAO影响南极海冰变化起到了关键作用,所以图4a、4b 将海冰密集度及850 hPa 风场分别回归到SID指数、AAO指数上进行比较分析。可以看到,无论是海冰密集度还是低层环流异常,图4a和4b均呈现出截然相反的响应。SID指数为正时,绕极西风减弱,别林斯高晋海-威德尔海外围一带风向具有偏北的分量,造成更多的冷空气进入该区域,引起海冰密集度增加；其余地区风向具有偏南的分量,有利于暖空气的流入,导致海冰密集度减少。与此相反,AAO 强度偏强时,绕极西风急流明显增强,别林斯高晋海-威德尔海外围一带西风具有偏南的分量,给该区域带来由中纬度地区而来的暖空气,其余地区西风大都具有偏北的分量,导致极地而来的冷空气易于流入,这与别林斯高晋海-威德尔海外围一带海冰密集度减少,其余大部分地区海冰密集度增加的分析结果一致。

图4 南极海冰、大气环流场分别与SID、AAO指数的回归分布型.a)年平均海冰密集度(等值线,间隔:2×10−2)、850 hPa风场(矢量,单位:m·s−1)与SID指数的回归分布型;b)年平均海冰密集度(等值线,间隔:2×10−2)、850 hPa 风场(矢量,单位:m·s−1)与AAO指数的回归分布型.红(蓝)色阴影表示正(负)值通过95%置信度检验的区域Fig.4.Sea ice concentration and circulation anomalies regressed on the SID index and AAO index,respectively.a)regressed sea ice concentration (contours,interval:2×10−2) and 850 hPa wind anomalies (vectors,units:m·s−1) on the SID index;b) regressed sea ice concentration (contours,interval:2×10−2) and 850 hPa wind anomalies (vectors,units:m·s−1) on AAO index.Red (Blue) shadings indicate the positive (negative) values exceeding the 95% confidence level

图5 年平均南极半岛-威德尔海(红色实线)、罗斯海外围(蓝色虚线)区域平均的850 hPa 温度平流以及两者差值(灰色阴影,南极半岛-威德尔海平均减去罗斯海外围平均)的时间变化序列.所有序列均为经过标准化处理后的结果Fig.5.Normalized time series of the annual mean 850 hPa temperature advection over the Antarctic Peninsula-Weddell Sea (W,red solid line),the Ross Sea (R,blue dashed line) and the differences between the two areas (W minus R,grey shading)

分别计算本文所选两个关键区区域平均的850 hPa 温度平流,发现南极半岛-威德尔海与罗斯海外围的温度平流表现出相反的变化趋势(图5)。1979—2018年期间两者差值(南极半岛-威德尔海减去罗斯海外围)随时间的演变与AAO指数的变化高度一致(相关系数为0.49,能通过99%置信度检验),也即AAO 能显著地作用于所选关键区的温度平流。当AAO 强度偏强时,南极半岛-威德尔海有暖平流,罗斯海外围有冷平流,这可以很好地解释威德尔海附近海冰密集度减小,罗斯海外围海冰密集度增加的现象。因此,与AAO密切相关的西风急流的非对称性结构以及由此产生的温度平流异常,可能是联系太阳活动与南极海冰变化过程中的重要环节。

3 太阳活动影响南极海冰的物理过程

太阳活动通过何种途径影响对流层大气环流一直是学者们探讨的热点问题,许多研究指出太阳活动通过平流层臭氧吸收紫外辐射而影响平流层上层的热力状况,在Brewer-Dobson 环流调整和平流层-对流层动力耦合的作用下,信号逐步下传到平流层下层—对流层[23-24,32-36]。那么,首先我们考察一下大气热力状况对AAO 及太阳活动变化具体有着怎样的响应信号。图6是将南半球纬向平均气温分别回归到AAO指数与SSN指数的垂直剖面,可以清楚地看到,在太阳活动偏强年,平流层下层—对流层上层存在气温正异常,而对流层中、下层为相对较弱的气温负异常占据(图6b)；AAO 对温度场的影响与此相反,当AAO强度偏强时,从地面到对流层中层显著偏暖,对流层高层—平流层低层明显偏冷(图6a)。热力结构的改变必然引起风场垂直结构的变化[29],由于高纬度地区平流层冬半年盛行西风而夏半年盛行东风,于是,图7a、b分别是计算南半球冬半年(5—10月平均)纬向平均纬向风与AAO指数、SSN指数的回归结果。一般而言,AAO 具有垂直方向的准正压结构,在对流层和平流层均有明显的特征,可以通过南半球中高纬度地区的纬向平均纬向风的南北振荡表现出来[13]。从图7a中可以看到,纬向平均风在0～30°S 之间几乎为一致的负距平,而在60°S 附近存在明显的正距平,且风场回归的异常信号能够向高空延伸直达平流层。相反,纬向平均纬向风对SSN的响应信号则基本表现为低纬为正、高纬为负的偶极分布,尤其是在平流层下层这种偶极振荡形势更为明显(图7b)。使用南半球夏半年(11月—次年4月)的纬向风数据重复上述计算(图略),结果与之类似,SSN 与AAO 在对流层—平流层下层的信号呈反向变化。综合图6和图7的分析结果,太阳活动对平流层下层—对流层上层气温及风场的影响与AAO的信号在空间分布上十分类似,但符号相反。在太阳活动偏强年,AAO 强度受到抑制,而太阳活动偏弱年,AAO 则更为活跃。太阳活动对低层AAO模态的调制与平流层-对流层的耦合作用有关,并且太阳活动的影响最初很可能来源于平流层臭氧对紫外辐射的吸收和Brewer-Dobson 环流的改变[32-36]。

图6 纬向平均气温分别与AAO指数、SSN指数的回归分布.a) 将年平均的南半球纬向平均气温(等值线,间隔:0.2℃)回归到AAO指数的气压-纬度剖面分布；b) 将年平均的南半球纬向平均气温(等值线,间隔:0.2℃)回归到SSN指数的气压-纬度剖面分布.深、浅红色(蓝色)阴影分别表示正值(负值)通过95%、90%置信度检验的区域Fig.6.Regressed anomalies of the zonal-mean temperature on the AAO index and SSN index.a)regression distributions of the annual mean zonal-mean temperature (contours,interval:0.2℃) on the AAO index;b) regression distributions of the annual mean zonal-mean temperature (contours,interval:0.2℃) on the SSN index.Heavy and light red (blue) shadings denote the regions with positive (negative) values at the 95% and 90% confidence levels,respectively

图7 纬向平均纬向风分别与AAO指数、SSN指数的回归分布.a)将南半球冬半年(5—10月)纬向平均纬向风(等值线,间隔:0.2 m·s−1)回归到AAO指数的气压-纬度剖面分布;b)将南半球冬半年(5—10月平均)纬向平均纬向风(等值线,间隔:0.2 m·s−1)回归到SSN指数的气压-纬度剖面分布.深、浅红色(蓝色)阴影分别表示正值(负值)通过95%、90%置信度检验的区域Fig.7.Regressed anomalies of the zonal-mean zonal winds on the AAO index and SSN index.a)regression distributions of the austral wintertime (May-Oct) zonal-mean zonal winds (contours,interval:0.2 m·s−1) on the AAO index;b) regression distributions of the austral wintertime (May-Oct) zonal-mean zonal winds (contours,interval:0.2 m·s−1) on SSN index.Heavy and light red (blue) shadings denote the regions with positive (negative) values at the 95% and 90% confidence levels,respectively

太阳的能量输入是一个全球信号,太阳活动可以通过对气候模态的调制,进一步作用于不同区域的天气、气候异常[25-30],已有的工作认为半球尺度上的对流层经圈环流的调整是太阳活动影响低层大气环流的关键过程[37,42]。图8a给出了气候态(1979—2018年多年平均)的南半球平均经圈环流的分布情况,可以清楚地看到南半球的三圈环流特征,主要的上升支位于赤道地区及60°S 附近,下沉支位于副热带地区及极区附近(图8a)。将垂直经圈环流回归到SSN指数上,我们发现太阳活动影响下的南半球副热带地区及极区附近为异常的上升运动,而赤道地区及60°S 附近则为异常的下沉运动(图8b)。这表明太阳活动偏强年,南半球对流层经向三圈环流明显减弱,这将引起大气质量的重新分布,进而导致低层出现AAO 活动较弱的空间结构；与此相反,太阳活动偏弱年,南半球对流层经圈环流显著增强,低层易于出现较强的AAO 空间分布型。随后在西风绕极急流的作用下,太阳活动最终影响南极半岛-威德尔海与罗斯海附近海冰的偶极子变化,这是太阳活动影响南极海冰的主要物理过程。

图8 南半球经圈环流的气候态分布及其与SSN指数的回归分布型.a)纬向平均垂直速度的气候态 (1979—2018年多年平均,单位:3×10−2 Pa·s−1)分布;b)纬向平均垂直速度的SSN指数的回归分布型(等值线,间隔:0.25×10−2 Pa·s−1).b)中浅、深色阴影分别表示通过90%、95%置信度检验的区域Fig.8.Climatological distributions of the meridional circulation and the regressed meridional circulation anomalies on the SSN index.a) Climatological (1979—2018 averaged,units:3×10−2 Pa·s−1) distributions of the zonal-mean vertical motion;b) Regression patterns of the zonal-mean vertical motion (contours,interval:0.25×10−2 Pa·s−1) on the SSN index.Heavy and light shadings in (b) denote the regions at the 95% and 90% confidence levels,respectively

4 结论

利用1979—2018年NCEP/DOE 再分析逐月资料、Hadley 中心提供的海冰密集度以及太阳黑子数等数据,本文考察了太阳活动与南极海冰变化的可能联系。结果显示太阳活动对南极海冰变化有明显影响,太阳活动偏强年,南极半岛-威德尔海海冰密集度增加、罗斯海外围海冰密集度减少。通过定义一个反映上述海冰反向变化的南极海冰偶极子(SID)指数,我们发现其与AAO 存在显著的负相关关系。环流诊断分析揭示了与AAO密切相联系的西风急流的非对称结构以及随之变化的冷暖平流,可以很好地解释南极海冰的偶极子式分布特征。AAO 偏强时,绕极西风急流在南极大陆-威德尔海一带向北偏转,而在罗斯海外围向南偏转,导致极地而来的冷空气更易于进入罗斯海外围,而中纬度而来的暖空气则更易于进入南极半岛-威德尔海一带；AAO 偏弱时,情况与上述相反。

进一步的考察揭示了太阳活动是通过怎样的途径影响对流层低层AAO的分布型。太阳活动偏强年,整个南半球对流层上层—平流层下层呈一致性增暖,纬向风异常表现为南北振荡的分布形势,对流层的南半球平均经圈环流显著减弱,在对流层低层形成负的AAO型环流响应。太阳活动对AAO的这一影响可能源于平流层上层由于臭氧吸收紫外辐射而导致的热力结构的变化[35]。随后,再通过与AAO密切相关的绕极西风的变化,最终引起南极威德尔海附近海冰密集度增加、罗斯海外围海冰密集度减少,也即本研究揭示了太阳活动影响下的南极海冰年际变异主要是由大气环流异常所驱动的。

本文的结果强调了太阳活动通过影响AAO能够对南极海冰变化特征产生重要作用。一方面,由于太阳黑子活动具有比较规律的准11年周期,这对南极海冰的气候预测有一定的实际意义；另一方面,就太阳活动影响南极海冰进行系统性研究,有助于更好地理解南极下垫面与大气环流之间的相互作用,为未来在气候数值模拟中考虑太阳辐射与南极海冰下垫面特征的联系提供了参考依据。