Climate Change Research Letters
Vol. 08  No. 02 ( 2019 ), Article ID: 28932 , 10 pages
10.12677/CCRL.2019.82016

Research Progress of the Tibetan Plateau Snow’s Response and Amplification Mechanism to the Solar Activity

Lin Suo1, Yan Song2, Tiangui Xiao1

1School of Atmospheric Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan

2China Meteorological Administration Training Center, Beijing

Received: Jan. 30th, 2019; accepted: Feb. 12th, 2019; published: Feb. 20th, 2019

ABSTRACT

This paper briefly reviewed the spatio-temporal change of the snow over the Tibetan Plateau and its links to regional climate and the East Asian monsoon. Based on reviews on the weather systems and regional climatic modes in response sensitive areas to the sun, i.e. the North Pole and the northern Atlantic Ocean, tropical and monsoon regions, with two impact mechanisms of the solar activity on the climate change, that is sea-air couple and stochastic resonance, the response mechanism of plateau snow to the solar activity and its amplification were discussed, and the future research route was exhibited.

Keywords:The Solar Activity, The Snow over the Tibetan Plateau, Amplification Mechanism, Research Progress

青藏高原积雪对太阳活动的响应及放大机制研究进展

索 琳1,宋 燕2,肖天贵1

1成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都

2中国气象局气象干部培训学院,北京

收稿日期:2019年1月30日;录用日期:2019年2月12日;发布日期:2019年2月20日

摘 要

简要回顾了青藏高原积雪的时空演变特征及其与区域气候模态和季风活动等的联系,基于太阳活动信号敏感区北极–北大西洋、热带、季风活动区的天气系统以及区域气候模态,以太阳活动影响气候变化的两种机制,即海气耦合和随机共振,讨论青藏高原积雪对太阳活动的响应及其可能的放大机制,给出了未来的研究路线。

关键词 :太阳活动,高原积雪,放大机制,研究进展

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

全球气候经历了无数个冷暖交替的时期,近100年最引人关注的是温室效应 [1] 引发的全球变暖,IPCC第5次报告(http://www.ipcc.ch/activities/key_dates_AR5_schedulepdf.pdf)指出,全球平均气温1880~2012年大约升高了0.85℃。但是,IPCC报告中对太阳活动引发气候异常的放大作用考虑较少,作为自然变率要素之一的太阳活动对气候变化的影响引起广泛关注 [2] 。

太阳辐射是驱动大气运动的总能量,与气候变化密切相关,地球表面的重要气候要素——降水 [3] - [8] 、气温 [9] - [20],以及各地区的旱涝格局 [21] - [31],普遍显示出与太阳11 a或22 a周期的密切相关性;大气活动中心如副热带高压 [32] [33] [34] [35] [36],区域模态如AO [37],NAO [38] [39],PDO [40],ENSO [41] [42] [43] 等,也检测出普遍含有太阳11 a或22 a周期信号。虽然实际观测到的太阳辐射的变化很微弱 [44],被认识是不足以引起气候变化 [45] [46] 。但是,太阳活动能驱动气候变化,那么必然有一个信号放大的过程,一般认为这个过程是非线性的 [47] 。

近年来研究结果表明太阳活动影响气候变化的途径有三种:太阳总辐射机制(Total Solar Irradiance, 简称TSI) [48] [49],太阳短波辐射变化机制(Ultraviolet,简称UV) [50] 和来自于宇宙射线的能量粒子机制(Galactic Cosmic Radiation,简称GCR) [51] [52] 。其中,TSI机制 [45] [53] 是公认最直接和最常用的太阳辐射影响气候变化的机制,其影响气候变化的方式有三种:海气耦合,随机共振和温盐环流。温盐环流是由密度梯度驱动的深层洋流,很好地解释了古气候中的新仙女木事件,证明了温盐环流是高、低纬间热量传递的纽带。但是,在气候变化对太阳活动的响应研究中,它的影响因子相对复杂,且由于观测资料的匮乏使得其机制研究更多地源自气候模式研究。因而,从海气耦合和随机共振的角度来讨论太阳活动信号,可能得到更多的观测事实。

青藏高原积雪作为冰冻圈最活跃的分量之一,也是气候变化敏感的指示器。数值模拟研究表明,高原积雪主要是通过大气环流作用于亚洲季风,从而对区域降水及其分布造成影响 [54] 。研究表明,冬季青藏高原积雪偏多会造成高原地面热源减弱,从而导致冬季风偏强;而春季积雪融化后的“湿土壤”会延长高原积雪对天气气候的影响过程,从冬季持续到夏季,从而也会导致东亚夏季风和南亚夏季风的减弱 [55],使得西太平洋副热带高压偏南,长江中下游多雨 [56] [57] [58] [59],华南和华北降水减少 [60] 。与此同时,高原积雪受到ENSO的影响 [61],与ENSO一起共同对我国夏季降水异常产生显著影响 [62] 。

宋燕等 [63] 研究发现青藏高原积雪雪深与11 a周期的太阳活动间具有滞后相关,与积雪相关的东亚冬季风以及北半球冬季最强的信号北极涛动AO之间也有滞后相关,其中积雪深度中的太阳射电通量信号滞后2~6年,AO中滞后6~9年,而东亚冬季风中滞后4~9年,同时,高原积雪超前于北极涛动和东亚冬季风,北极涛动又超前于东亚冬季风,这也意味着,在高原积雪中的太阳活动信号逐渐传递给AO再同时或随后传递给东亚冬季风,太阳活动的信号在其中有传递的过程,并且放大了它的作用,而太阳活动信号是怎样在其中传递?如何被放大的?我们知道,青藏高原积雪影响气候变化有两种途径,一种是通过反射率,改变辐射平衡,二是融雪效应,改变高原热源分布,从而引起气候变化。那么高原积雪的哪种影响途径对响应关系更为重要?高原积雪是气候变化的外强迫之一,它与大气活动中心、区域气候模态存在遥相关关系,太阳活动信号与它们也有响应关系,那么高原积雪与这些模态的相互作用中,是否有太阳活动的调制作用?这些都是亟待研究的科学问题。

本文将围绕青藏高原积雪的观测事实,综合近年来与太阳活动相联系的气候要素、气候系统或气候模态的研究进展,结合高原积雪与它们之间的关系,从青藏高原积雪对太阳活动变化的响应可能通过海气耦合、随机共振的方式放大太阳活动信号的研究思路出发,探索高原积雪对太阳活动响应的物理过程及可能的放大机制的一种研究思路。

2. 青藏高原积雪时空演变及其对太阳活动的响应

基于青藏高原站点资料,分析20世纪60年代至21世纪10年代的青藏高原积雪的演变特征,研究结果普遍认为,20世纪70年代前后积雪偏少,20世纪80年代前后偏多,20世纪90年代末又转为偏少,这种偏少一直延续至21世纪10年代。总体来看,高原积雪经历了“偏少–偏多–偏少”的演变过程 [64] [65] [66] [67] [68] 。基于被动微波遥感数据反演的积雪深度资料研究发现,在20世纪80年代至21世纪10年代,高原积雪呈显著增长趋势 [69] 。若未经过5 a滑动平均,积雪深度反演资料分析表明1988年之后整体上青藏高原雪深是减少趋势,而积雪日数则是增加趋势 [70],形成争议结果,这可能与资料特点有关,站点资料的不均匀分布与含有10%精度误差却覆盖整个高原的反演资料可能造成不同结果。

讨论不同季节的高原积雪年代际变化,发现1961~2006年冬、春季积雪呈弱增加趋势 [71],1981~2010年,冬季减少幅度最大,春季次之 [72] 。2000年以后,秋季显著增加,春季明显减少 [73],但积雪最大值仍然在春季 [74] 。这表明高原积雪虽然在年际变化上有较为一致的“少–多–少”的结论,但是在讨论季节上的同一时间序列得出的结论并不一致。Oerlemans et al. [75] 对比反照率与雪深的关系,发现冬季积雪的反照率大于春季,夏季最低,然后缓慢增加,积雪反照率随太阳高度角的增加而降低(图1)。由此,可以利用日反照率时间序列来表示冰雪面反照率的季节变化特征 [77],从而建立与青藏高原积雪的关系,讨论不同季节的高原积雪对太阳活动的响应是否一致。

高原积雪影响气候变化的另一个因素是热源异常。青藏高原是中国夏季最强的热源,冬季则是相对冷源,其造成的热力异常与东亚大气环流和我国降水带的变化相联系。许多观测事实 [78] [79] [80] [81] 反映了高原热源异常对东亚和太平洋地区的大气环流有很大的影响,高原积雪也有可能是通过热源异常与太阳活动变化产生联系。高原热源的季节变化显著,那么进一步细化讨论由它引起的环流异常和气候变化是非常有必要的。

青藏高原积雪的空间分布基本与山脉走向一致,多处于海拔较高的山区,呈四周大,中间小的格局 [73] [82] [83],腹地的高山山脉上也有较大的分布 [84],积雪大值中心常集中在高原西南缘和东南地区,其中东南部是雪深大值区,也是季节、年际和年代际变化最显著的地区。积雪较少的区域分布在中部沿东北–西南走向的条形地带 [69],即柴达木盆地及高原上多处河谷地带 [72] [73] [85],一般认为可能由于南北两侧的高山阻挡湿空气的输送所致 [72] [86] 。高原积雪空间的不均匀分布,导致对气候变化响应的敏感区也有显著的空间差异 [87],当青藏高原积雪分东、西部 [88] 模拟研究发现西部积雪对东部积雪有促进作用,南、北部 [89] 分区讨论与东亚降水的关系时,呈现出北部积雪影响时间更长的特征,这也意味着,不同区域的积雪对太阳活动的响应可能不同,值得进一步研究。

Figure 1. Dependence of integrated albedo on solar elevation [76]

图1. 积雪反照率–太阳高度角曲线 [76]

3. 太阳活动信号的放大机制

近些年的研究,探讨太阳活动信号放大的机制研究日益成为重点,相较太阳活动信号与气候要素、大气活动中心或者区域气候模态间的相互关系,越来越重视它们产生联系的物理过程的探讨。肖子牛等 [47] [53] 认为在一些特殊的地区和大气环流系统中,对太阳活动的变化响应更为敏感,并且中高纬大气环流对太阳活动响应在冬季最为明显,热带大气环流与太阳活动在夏季有更显著的关联。由这一观测事实,引伸为全球重要的季风系统有可能是太阳信号在赤道和极地间传播的通道,相应地有许多相关的大气活动中心或区域气候模态可能参与其中,即太阳活动响应的敏感区在北极–北大西洋、热带以及季风活动区。海–气耦合和随机共振方式在季风活动中普遍存在,这意味着从这两个角度出发,可能获得高原积雪对太阳活动响应放大机制的有益认识。

3.1. 海–气耦合机制

北大西洋涛动(NAO)是北极涛动(AO)的一种形式,是冬季中高纬地区重要的气候模态。研究表明,AO/NAO对太阳活动的响应可能是太阳影响气候异常的重要环节 [90] [91] 。太阳活动与极地环流型的关系存在非对称性,在太阳活跃期,北半球海平面气压变化的空间结构更接近AO,具有半球特征;而在太阳非活跃期,信号被局限在大西洋地区,更像NAO型 [37] [92] [93] [94] [95] 。王瑞丽等 [96] 利用10.7 cm太阳射电通量资料研究分析了太阳活动变化与AO的关系,发现两者的联系主要体现在太阳活动强的时期,AO对东亚冬季风的影响在太阳活动强的时候才是显著的。吴玲玲等 [97] 发现在太阳活动活跃期,NAO空间结构与中东急流轴线的空间形态的关系,也存在类似的不对称性,证明了太阳活动对NAO与中东急流轴之间的关系存在着调制作用。宋燕等 [63] 通过讨论青藏高原积雪与AO、东亚冬季风之间所具有的显著的滞后相关关系,发现在高原积雪偏多时期,AO处于正位相,东亚冬季风偏弱,并且结合2012/2013年冬季高原积雪偏少、北极涛动负位相以及东亚冬季风偏强的观测事实证实了这个结论,认为青藏高原积雪异常超前调节北极涛动的异常和东亚冬季风的强弱。这样将太阳活动、高原积雪、东亚季风环流相联系,为探索太阳活动在其中的调制作用,以及可能具有的放大机制验证了可能性。

3.2. 随机共振机制

ENSO是热带海洋上最强的年际信号,与东亚大气环流、季风和降水密切相关。

董林垚 [98] 研究太阳黑子运动和厄尔尼诺(ENSO)对日本吉野川流域降雨影响时发现,太阳活动信号通过ENSO作用于流域降水。周群 [99] 研究太阳活动11年周期对ENSO年海温异常演变以及与之相联系的东亚降水的影响,发现在ENSO发展期秋季,随着赤道东太平洋海温的增暖,太阳活动低年印度洋海温明显升高,并在随后的ENSO盛期印度洋海温正异常明显偏强,呈现出太阳活动影响的不对称响应,这与太阳活动对热带海温的影响有关,强(弱)年时会在太平洋强迫出类La Nina (El Nino)的海温异常,导致在热带中东太平洋上升并在热带西太平洋下沉的异常Walker环流明显偏弱(偏强)。ENSO发展期秋季东亚地区降水异常更为显著,这与位于菲律宾附近的反气旋和我国华北北部的气旋的强度在太阳活动高、低年有显著差异有关。这些研究结果表明ENSO可以将太阳活动信号传递并放大。青藏高原积雪与ENSO相联系并调制降水分布的研究 [62] [100] [101] [102] 也很多,那么高原积雪与ENSO协同对太阳活动响应值得进一步研究。

3.3. 高原积雪、太阳活动与东亚冬季风–夏季风的响应关系

与大尺度的夏季风、冬季风有关的天气系统和过程很多。从全球范围来讲,季风活动中的主要系统构成了复杂的局地Hadley环流 [103] 。东亚冬季风和夏季风是复杂的气候系统达到平衡的结果,作为气候要素的降水与温度可以反映它们的强度。

根据宋燕等 [104] 的研究,高原积雪可以直接响应太阳活动,在太阳活动周期的不同位相,中国夏季雨带位置呈现不同的空间变化,这意味着,在太阳活动的调制作用下,高原积雪通过改变大气环流而影响中国雨带分布,呈现出高原积雪对太阳活动响应的放大作用,而这一放大作用可能与东亚季风相联系。Zhao [105] 通过对11 a周期太阳黑子与东亚地区6月降水带分布的分析,认为东亚地区在梅雨期的平均降水纬度分布受到太阳活动变化的调制作用,太阳活动强(弱),雨带偏北(南),进一步认为这是东亚夏季风北部边界作为太阳活动变化敏感区的一个观测事实。程国生 [106] 基于江淮梅雨与太阳活动11 a周期的相关性,认为太阳活动与江淮梅雨间存在太阳活动–西太平洋副高–江淮梅雨这一过程链。

ENSO一般在春季开始发展,到冬季达到增温最强,再到次年春季开始衰减,信号是跨年的。青藏高原积雪与冬季风、夏季风间的关系也有类似的以大气环流作为桥梁的跨年联系。周群等 [107] 研究发现,在太阳活动偏低年,西北太平洋附近的异常反气旋明显增强,范围扩大,其西北侧的西南气流强度偏强并向北延伸,从而使春季多雨地区绵延到内蒙古乃至西北地区;而夏季降水主要集中在长江流域中游。在太阳活动偏高年的次年春、夏季,不论是环流异常还是降水场的异常都明显偏弱,呈现一种不对称的响应结果。同时,太阳活动偏低年,从冬季至夏季与ENSO有关的东亚冬季风异常相联系的印度洋及热带西太平洋海温正相关范围明显偏大,赤道东太平洋的显著正海温异常衰减迅速,即东亚冬、夏季风之间的联系主要来自于与ENSO有关的东亚冬季风异常。高原积雪信号也可能通过这一过程将信号传递至夏季,实现隔季相关。

Figure 2. Technical diagram of research on mechanism of snow response over the Tibetan Plateau to the solar activity and amplification

图2. 高原积雪对太阳活动响应及其放大机制的研究路线

4. 结语

太阳活动影响气候变化,还有许多问题值得探讨。青藏高原积雪对太阳活动的响应是其中重要的一部分,二者在北极–北大西洋、热带气候模态、季风活动中都有联系,高原积雪对太阳活动响应过程中基于放大机制的探讨,一方面可以补充必要的观测事实,一方面有利于理解自然变率对气候变化的影响过程,建立更为全面的气候和气候变化预报模型。这样在太阳活动自身变化、影响气候变化的研究进展中,有利于进一步探讨气候变化的原因和规律,正确地评估人类活动对气候变化的影响。

未来的研究方向可以从高原积雪对太阳活动的响应着手,重点分析在太阳活动调制下积雪反照率和热力异常对东亚大气环流、东亚季风和中国降水的影响,比较高原积雪响应太阳活动的两种途径对气候变化影响的重要性,并且进一步研究太阳活动对高原积雪与ENSO协同作用影响东亚气候异常的物理现象、过程和机制,研究结果将对研究自然变率引致气候变化的机制提供参考。研究路线如图2所示。

致谢

本文在宋燕高级工程师的悉心指导下得以完成,在此向宋燕老师致以诚挚的感谢!

文章引用

索 琳,宋 燕,肖天贵. 青藏高原积雪对太阳活动的响应及放大机制研究进展
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