2. 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京 100190
2. Center for Monsoon System Research, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
太阳辐射是地球气候系统的基本能量来源,观测研究发现太阳活动存在比较规律的11年周期变化,太阳活动引起辐射强度的任何微小变化都会对地球天气气候产生重要影响[1-3]。已有的研究揭示了太阳活动的气候响应具有明显的区域性差异,季风活动区也被认为是太阳活动信号的敏感区域之一[4-6]。Kodera[7]提出太阳活动可以通过平流层对热带Walker环流的调制,影响与之相联系的印度夏季风。长期以来,我国学者针对太阳活动和东亚季风的关系也开展了大量工作,早在1980年代徐群等[8]的研究指出太阳活动对夏季副热带高压有显著影响,随后的分析着重考察了东亚降水变率对太阳活动的响应及相关的大气环流过程[9-11]。近年来,Zhao等[12]发现东亚夏季风爆发期(6月)季风雨带位置依赖于太阳黑子周期位相,这与西南季风强度和北界位置的变化密切相关[13]。然而,太阳活动影响东亚夏季风异常的可能机制,目前尚未形成完整的理论。
南海夏季风是东亚夏季风的重要成员,是连接东亚季风系统和印度季风系统的纽带[14]。南海夏季风爆发是东亚夏季风爆发的先兆信号,随着南海夏季风爆发和向北推进,东亚地区自南向北进入雨季。南海夏季风建立的早晚存在明显的年际变化,对东亚旱涝的分布起着至关重要的作用,因此,研究南海夏季风爆发早晚一直是气象学界关注的热点问题[15-19]。一系列影响南海夏季风建立的因子被揭示[20-25],其中南半球中高纬大气环流通过作用于连接两半球的低空越赤道气流的稳定建立,能够对南海夏季风的建立产生重要影响[26-28]。除上述年际尺度变化之外,许多工作揭示了南海夏季风爆发日期在1993/1994年出现年代际偏早的转变[29-33],相关的海洋、大气因子的诊断分析表明这与热带对流活动异常、越赤道气流的建立及强度存在密切联系[31-33]。综合以往的研究成果,太阳黑子活动11年周期变化与初夏东亚降水和西南季风的推进密切联系,而南海夏季风爆发的早晚与亚洲夏季风强度紧密相关,那么,太阳活动是否可以作为南海夏季风建立的预测因子之一就成为一个亟待研究的问题。为此,本文将分析太阳活动与南海夏季风爆发之间的联系,弄清半球间大气环流的相互作用,在此基础上,探讨太阳活动影响南海夏季风爆发的可能途径。
2 资料与方法本文所使用的数据资料包括:(1)美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)全球大气月平均再分析资料[34],水平分辨率是2.5 °×2.5 °,选取时段为1948—2017年共70年,物理要素包括海平面气压场、位势高度场、垂直速度场、经向风和纬向风场;(2)利用逐年平均[3-4, 12-13]的太阳黑子数资料(取自比利时皇家天文台http://www.sidc.be/silso/datafiles)作为描述太阳活动的表征指数(图 1);(3)依据国家气候中心季风监测业务系统的监测以及张莉萍等[18]的方法确定了1948—2017年南海夏季风建立日期的时间序列(图 1),平均建立日期为第29候(5月第4候)。
本文采用的方法主要是相关/回归分析和合成分析,并利用t检验来验证其显著性。
3 结果与讨论 3.1 太阳活动与南海夏季风爆发的关系从标准化的太阳黑子数及南海夏季风建立日期的时间序列中可以看到,太阳黑子数呈现显著的11年周期变化,而南海夏季风建立日期具有明显的年际和年代际变化特征,但二者在年代际变化的时间尺度上仍有同位相变化的倾向。如进入21世纪,南海夏季风爆发明显提前,对应同期太阳活动持续偏弱(图 1)。相关分析表明,1948—2017年(共计70年)间太阳黑子数与南海夏季风建立日期之间存在显著正相关,相关系数为0.24(通过了0.05显著性检验),证实太阳活动偏强(弱),有利于南海夏季风的爆发偏晚(早)。特别地,本研究资料时段内共包含6个完整的太阳黑子周期,峰值年(1957、1968、1979、1989、2000、2014年)南海夏季风建立的平均日期为5月第6候,而谷值年(1954、1964、1976、1986、1996、2008年)为5月第3候,比峰值年提前了3候。为重点考察太阳活动的可能影响,本节参考前人的工作[12]选取太阳活动峰、谷值年,对与南海夏季风爆发密切相关的环流异常进行合成分析。
根据高辉等[26]的研究,南海越赤道气流的迅速增强对南海夏季风的全面爆发有重要作用。图 2a给出了太阳活动峰、谷值年5月850 hPa水平风场的距平分布。在菲律宾附近存在一个低层反气旋式环流异常,南海和西北太平洋10 °N以南的地区受到强的偏北距平气流控制,表明太阳活动峰(谷)值年南海越赤道气流明显偏弱(强),从而有利于南海夏季风平均爆发日期推迟(提前)。以往的工作发现海洋性大陆及附近地区的对流活动与西太平洋副热带高压的东退、南海夏季风的建立存在密切联系[32, 35-38],因此,对700 hPa垂直速度场和500 hPa位势高度场分别进行合成分析得到图 2b和2c。可以看到,南海地区和赤道以南的海洋性大陆地区的对流呈偶极型分布,赤道以南的海洋性大陆地区为显著的异常上升运动,即该地区对流旺盛,在局地经向环流的作用下,其北侧的异常下沉运动位于南海及菲律宾附近地区,这就造成了低层赤道附近出现偏北风异常,也即太阳活动峰值年南海越赤道气流建立偏晚。相应地,在对流层中层,整个中南半岛、南海及菲律宾以东地区为显著的位势高度正异常覆盖,表明西太平洋副热带高压在太阳活动峰值年偏强西伸,而在谷值年偏弱东撤,这一点从5 870 gpm等值线的分布可以更直观地看到。所以,由南半球低纬地区活跃的对流活动引起的经向环流异常对南海越赤道气流的变化、副高在西太平洋地区的变异都起到了关键作用,这与已有的研究相一致[35-37],也反映出这可能是太阳活动影响南海夏季风建立早晚的重要环节。
热带印度洋-西太平洋地区对流层高、低层速度势函数及其辐散风场的合成情况也可以显示大尺度的异常上升下沉运动(图 3)。西太平洋地区(110~150 °E)的速度势呈现以赤道为界的南北向振荡型分布,850 hPa辐散风场在南海-菲律宾附近为显著的辐散区,而在南半球海洋性大陆地区为异常辐合区;200 hPa辐散风场异常的分布与上述相反且更为明显,表明在西太平洋热带地区存在一个赤道以南上升、赤道以北下沉的局地经向环流异常,再次强调了赤道以南的海洋性大陆的对流活动异常对东亚大气环流的影响。除此之外,注意到上游(60 °E附近)赤道印度洋也存在明显的低层辐合、高层辐散区,也即沿赤道的纬向垂直环流在该地区是异常的上升运动,在南海-菲律宾地区是下沉运动。这样,在太阳活动峰值年就构成了一个横跨热带印度洋-西太平洋的异常反Walker环流,进一步抑制了南海-菲律宾地区局地对流活动,有利于副高在南海的发展和加强。与此相反,太阳活动谷值年,在热带印度洋-西太平洋形成一个纬向加强的Walker环流,由此产生的南海-菲律宾上空的异常上升运动增强了局地对流的发展,削弱了西太平洋副热带高压。这些结果与前人的工作[24, 39]相一致,表明在热带印度洋-西太平洋大尺度纬向环流异常和海洋性大陆地区局地经向环流异常共同作用下,太阳活动显著影响着南海夏季风爆发的早晚。
许多研究指出索马里越赤道气流的稳定建立是南海夏季风爆发的先兆条件之一[26-27],图 4a是将前期南印度洋850 hPa水平风场回归到太阳黑子数的分布情况。最显著的特征是在中纬度地区有两个气旋性环流异常,中心分别位于非洲大陆南端和澳大利亚东南侧附近。索马里处于非洲大陆气旋的东侧,为偏北风异常控制,表明太阳活动越强,索马里越赤道气流建立越晚。事实上,当我们关注整个半球尺度的海平面气压场与太阳活动的关系(图 4b),可以清楚地看到正异常存在于极地附近、而中纬度地区基本为负异常占据,这种纬向对称、经向上表现为极区和中纬度地区大气质量的偶极型分布与传统定义的南极涛动(Antarctic Oscillation,AAO)的负位相十分类似[40],也即太阳活动偏强(弱)年,南海夏季风爆发之前,南半球易于产生负(正)的AAO型,与之相联系的索马里越赤道气流建立偏晚(早),从而为南海夏季风爆发偏晚(早)提供有利的环流条件。
利用有卫星观测(1979年)以来的较为可靠的南半球大气数据,我们考察了太阳活动影响对流层AAO的物理过程。根据以前的研究结果,太阳活动影响印度夏季风环流的信号可能来自于平流层的最初响应[7],又由于太阳的能量输入是一个全球信号,故此,图 5a和5b计算了纬向平均的气温、风及垂直速度与太阳黑子数的回归分布。随着太阳辐射的增强,3—4月南半球对流层上层-平流层下层气温一致偏高;温度梯度的变化必然带来风场的变化,在对流层以60 °S为界,形成低纬东风、高纬西风的偶极振荡形势,这与AAO负位相造成的平均纬向风场的振荡形势十分一致。南半球平均的垂直环流异常显示,主要的下沉支位于赤道附近和60 °S附近,在30 °S附近的副热带地区则表现为上升运动,表明太阳活动抑制了南半球平均经圈环流,导致大气质量的重新分布,对流层低层出现AAO负异常。采用高辉等[40]的方法,定义30 °S和65 °S纬圈平均的海平面气压差的标准化值作为AAO指数,可见AAO空间分布型表现为极区附近低压加深、中纬度高压增强的跷跷板分布,AAO指数的时间序列则表现为明显的年际和年代际变化(图 5c、5d)。将1979—2017年间原始的及3年滑动平均的3—4月平均的AAO指数分别与年平均的太阳黑子数序列做相关分析,得到相关系数为-0.35和-0.45(分别通过了0.05和0.01显著性水平检验),即3—4月AAO指数与当年太阳黑子数之间呈显著的负相关。以上的分析表明,太阳活动能够通过改变春季前期平流层温度场,调制南半球平均的垂直经圈环流,进而引起对流层低层AAO型的异常分布。
本文利用多年大气资料证实太阳活动对南海夏季风建立时间有一定的影响,二者之间存在显著的正相关关系。一般来说,太阳黑子活动偏强,引起5月对流层低层菲律宾附近的反气旋式环流异常,西太平洋副热带高压西伸、偏强,南海夏季风建立偏晚;而太阳黑子活动偏弱时与上述情况相反,西太平洋副热带高压偏弱、东撤,南海季风建立偏早。太阳活动影响南海夏季风爆发主要通过海洋性大陆地区的经向环流异常以及热带印度洋-西太平洋地区大尺度纬向Walker环流异常来共同实现的。
太阳活动的这一影响可能起源于平流层的气温响应,太阳活动偏强(弱)时,春季前期对流层上层-平流层下层增暖,削弱(加强)了对流层南半球平均的经圈环流,在对流层低层产生负(正)的南极涛动的响应,引起索马里越赤道气流建立偏晚(早),从而不利于(有利于)南海夏季风的及早爆发。
需要说明的是,本研究只是从统计角度出发揭示了太阳活动11年周期变化是南海夏季风爆发时间的影响因子之一,并试图从前期南半球环流演变给出合理的解释,进一步的研究还需要利用海-气耦合模式加以验证。鉴于太阳活动气候效应的重要性,今后有必要加强关于太阳活动的气候影响方面的研究。
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