海洋熱含量對太陽總輻射11年周期變化的響應(yīng)

王剛顏雙喜林敏

（1 國家海洋局數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061；2 國家海洋局海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3 中國海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)系，青島 266100）

海洋熱含量對太陽總輻射11年周期變化的響應(yīng)

王剛1,2顏雙喜3林敏3

（1 國家海洋局數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061；2 國家海洋局海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點實驗室，國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061；3 中國海洋大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院數(shù)學(xué)系，青島 266100）

地球接收到的太陽總輻射（TSI）存在一個約11年的微小周期變化，該變化可能對地球氣候系統(tǒng)造成影響。眾多研究表明，局部海域海表面溫度、海洋熱含量的平均時間序列與TSI的11年周期變化有顯著的相關(guān)性。但海洋對太陽輻射11年周期的響應(yīng)并非空間均勻的，響應(yīng)機制也不確定。這里采用合成平均差方法，根據(jù)太陽活動的高值年和低值年，對美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)和日本氣象廳（JMA）的全球上700m熱含量進行合成分析。兩套數(shù)據(jù)產(chǎn)品得到的海洋熱含量對太陽輻射的響應(yīng)空間模態(tài)基本一致。在太平洋分別選取其中一個正響應(yīng)區(qū)域和一個負響應(yīng)區(qū)域，發(fā)現(xiàn)這兩個區(qū)域的上700m熱含量確實存在較明顯的11年周期變化。

太陽總輻射，海表面溫度，海洋熱含量

1 引言

太陽輻射是地球氣候系統(tǒng)的主要驅(qū)動力。太陽總輻射（TSI）指位于地球大氣層之外一個標準地—日距離處的單位圓盤所接收到的太陽輻射通量。衛(wèi)星觀測時代開始之前，TSI的測量在地面進行，科學(xué)家普遍認為它是一個常量（約1367W·m-2），因而也稱其為“太陽常數(shù)”[1-4]。只有少數(shù)科學(xué)家根據(jù)一些間接資料推測，TSI可能隨太陽黑子等太陽活動而發(fā)生變化[5]。有了衛(wèi)星觀測以后，TSI的觀測精確度大大提升，TSI與太陽活動的密切關(guān)系也被逐漸證實。例如，TSI隨太陽黑子數(shù)有一個11年左右的周期變化[6-7]，太陽活動極大年（峰年）與太陽活動極小年（谷年）之間的TSI相差約1W·m-2。通常所說的太陽活動周（或太陽黑子周期）就是指太陽活動（太陽輻射和高能粒子等）和表象（黑子數(shù)、耀斑等）的平均11年左右（通常在9～13.6年之間）的周期變化。此外，在年代際尺度上，TSI還存在22年的Hale周期和80～90年的Gleissberg周期[8]。根據(jù)TSI與太陽活動的關(guān)系，天文學(xué)家可以重構(gòu)上百年的TSI時間序列[9-10]。

Kopp等[11]根據(jù)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)將目前TSI的平均值修正到約1361W·m-2。

早在200多年前，Herschel[12]就推測，太陽活動可能對地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響。作為太陽活動的一個主要指標，TSI在年代至千年時間尺度上的變化都可能會影響到氣候系統(tǒng)[13-14]。在有衛(wèi)星觀測之前，Eddy[5]就提出，TSI隨黑子數(shù)變化的準10年周期可能對地球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響。Beer等[15]采用一個非線性回歸模型估計，1850—1990年的140年中，全球變暖約40%源于太陽輻射。Scafetta等[16]以太陽—氣候耦合模型估算，太陽對1900—2000年全球變暖的貢獻率達到45%～50%，對1980—2000年全球變暖貢獻率約為25%～35%。Gleiser等[17]在低緯度和中緯度對流層的速度、熱力變量中都發(fā)現(xiàn)了顯著的太陽11年周期。Friis-Christensen等[18]發(fā)現(xiàn)太陽黑子周期長度的變化與北半球氣候距平時間序列有很高相關(guān)性，因而可以作為太陽活動與氣候系統(tǒng)的一個相關(guān)指數(shù)。

海洋是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分。本文主要探討海洋熱含量對TSI的11年周期的響應(yīng)。第二部分，將回顧以往研究中給出的TSI的11年周期變化影響上層海洋溫度的證據(jù)及可能的物理機制；第三部分，給出兩個海洋熱含量具有明顯11年周期的海區(qū)，這兩個海區(qū)可能是對TSI的11年周期具有顯著響應(yīng)的區(qū)域；第四部分是總結(jié)和展望。

2 海洋溫度對太陽11年周期的響應(yīng)

Reid[19]發(fā)現(xiàn)，1985年之前130年的全球平均海表面溫度（SST）異常與太陽黑子數(shù)的變化，在11年滑動平均之后具有非常一致的變化趨勢。根據(jù)1980—1985年間TSI的變率以及130年的全球平均SST數(shù)據(jù)推測，SST可能與TSI的11年周期變化的包絡(luò)（即80～90年的Gleissberg周期）具有相同的相位[20]。Reid建立的海洋熱結(jié)構(gòu)模式計算表明，驅(qū)動海洋變化需要TSI約0.1%～1%的變化量。從而，TSI在一個太陽黑子周期內(nèi)的變化幅度(約0.1%)可能會引起氣候系統(tǒng)的變化[20]。不過，也有研究認為其還不足以對氣候造成顯著影響[15]。White等[21]計算了1955—1991年共38年的全球平均SST異常的功率譜，發(fā)現(xiàn)各海盆和全球平均SST時間序列在9～13年以及18～25年的時間尺度上對TSI的變化有顯著響應(yīng)。1955—1996年間，全球海洋上層熱含量也有8～15年及15～30年周期的顯著變化，并與TSI的變化同步[22]。曲維政等[23]對1955—1999年間北太平洋中部400m深海洋溫度的異常進行了功率譜分析，發(fā)現(xiàn)北太平洋中部和南太平洋中部海水溫度具有明顯11年周期。

上層海洋對太陽11年周期活動的響應(yīng)在空間上也是分布不均的。通常采用合成平均差（Composite Mean Difference）方法，即根據(jù)上層海洋溫度在太陽活動峰年（或高值年）和谷年（或低值年）的平均差，來確定海洋對太陽響應(yīng)的空間結(jié)構(gòu)。眾多研究表明，太平洋SST中發(fā)現(xiàn)的太陽11年周期信號類似于ENSO信號。van Loon等[24-25]給出太平洋SST對TSI的11年周期峰年的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)熱帶北太平洋區(qū)域?qū)SI的11年周期的響應(yīng)為La Ni?a型信號，即在太陽活動峰年，熱帶西、中太平洋SST異常偏暖，而熱帶東太平洋異常偏冷。Meehl等[26-27]在熱帶太平洋的SST時間序列中發(fā)現(xiàn)了類似的強La Ni?a型冷信號。然而White等[21-22]、Tung等[28]以及Roy等[29]則在同一區(qū)域發(fā)現(xiàn)了弱El Ni?o型的暖信號。不同學(xué)者得到的海洋對TSI的11年周期響應(yīng)的空間分布在相位上的差異，可能是他們采用不同的數(shù)據(jù)濾波方法造成的[25,30]；也有可能太陽對海洋的影響并不顯著，因而被ENSO信號所掩蓋[31]。

在地球表面監(jiān)測TSI的11年周期變化對氣候系統(tǒng)的影響并不容易，這一方面是由于TSI本身的變化非常小，另一方面是由于近些年來溫室氣體、火山、氣溶膠等的變化對氣候系統(tǒng)的影響更加顯著，很難從中分離出太陽的影響。太陽活動影響地球氣候系統(tǒng)的觀測證據(jù)，似乎都只能從時間序列的統(tǒng)計特征來證明它們的相關(guān)性，因而受到一些學(xué)者的質(zhì)疑[32]。此外，從能量角度來說，TSI的11年周期變化只能使全球平均SST產(chǎn)生約0.1K的變化，這與觀測（至少是局部觀測）所顯示的太陽11年尺度的氣候變化的量值相差較大。一種可能的解釋是，太陽與地球氣候系統(tǒng)存在一個復(fù)雜的相互作用機制，使得地球表面只有局部地區(qū)對TSI的11年周期變化有顯著響應(yīng)[33]。

學(xué)者們所提出的太陽對氣候系統(tǒng)的影響機制大致可以分為兩類：一是太陽通過高能粒子的調(diào)制作用對氣候系統(tǒng)產(chǎn)生影響[34]；二是TSI的變化直接作用于氣候系統(tǒng)[35]。無論是高能粒子還是TSI本身，它們的變化對氣候系統(tǒng)造成的影響都非常小，但是其長期累積效應(yīng)或者非線性效應(yīng)導(dǎo)致的放大反饋過程可能會對氣候系統(tǒng)起到明顯作用。

太陽通過高能粒子的調(diào)制作用對氣候系統(tǒng)的影響主要是在高緯大氣中引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，進而作用到氣候系統(tǒng)。目前尚未有高能粒子直接影響海洋溫度的研究和報道。TSI直接作用機制包括由底至上機制（海洋吸收太陽輻射，然后傳遞到大氣中）和自頂向下機制（大氣對太陽輻射的響應(yīng)驅(qū)動了海洋的響應(yīng)）。由底

至上機制主要強調(diào)海洋的熱吸收能力。海洋熱容量巨大，因而其直接吸收TSI造成的長期累積效應(yīng)可能會比較顯著[36]。Meehl等[26]提出由底至上機制解釋了熱帶太平洋SST對TSI的11年周期響應(yīng)的La Ni?a型空間結(jié)構(gòu)形成過程（圖1）：太陽活動峰年時，熱帶太平洋東部無云區(qū)海表面接收到的太陽輻射增加（圖1a），從而增加了海洋的感熱通量；蒸發(fā)導(dǎo)致大氣中的水汽增多，更多的水汽隨著信風(fēng)被輸送到中西太平洋多云區(qū)，加強了降水量和向?qū)μ栞椛涞姆瓷洌▓D1b）；東太平洋無云區(qū)大氣沉降的增強，使得云量進一步減少，然后導(dǎo)致更強的信風(fēng)和更強的赤道輻合帶（圖1c）。海氣相互作用過程使得太陽輻射在太平洋東部增加而西部較少。自頂向下機制則主要來解釋太陽輻射的紫外部分如何通過同溫層自上而下影響氣候系統(tǒng)。White[35]對海洋SST和熱含量等的熱收支的診斷認為，SST中的11年周期信號不能僅僅以由底至上機制來解釋，TSI中的紫外輻射部分通過大氣同溫層自頂向下影響氣候系統(tǒng)的作用也可能存在。Misios等[37]的數(shù)值模擬實驗也說明，大氣對TSI的11年周期的響應(yīng)驅(qū)動了熱帶太平洋中該尺度的信號，并通過?！獨夥答佭^程放大。熱帶和副熱帶海區(qū)可能同時存在由底至上和自頂向下兩種響應(yīng)機制[30]。

圖1 熱帶太平洋SST對太陽輻射11年周期響應(yīng)的機制（a）全球平均太陽輻射增加0.2W·m-2即可使東太平洋無云區(qū)增加約2W·m-2的熱通量；（b）無云區(qū)海面溫度的增加導(dǎo)致海洋潛熱通量增加，大氣中的水汽增多。信風(fēng)將更多的水汽帶到西太平洋的赤道輻合帶，從而輻合帶云量增加，太陽輻射反射增強且降水增多，海表面溫度反而降低；（c）隨著東部大氣沉降的增強，無云區(qū)云量進一步減少，海面接收到的太陽輻射進一步增強，導(dǎo)致更強的信風(fēng)和赤道輻合帶（據(jù)Meehl等[26]改編）

3 海洋熱含量對TSI的11年周期的響應(yīng)

目前關(guān)于海洋對太陽11年周期的響應(yīng)研究，大致有如下3種方法：一是根據(jù)海洋觀測數(shù)據(jù)計算局部海區(qū)（海盆或更大尺度）平均溫度（SST或海洋熱含量等）的時間序列和太陽活動（TSI或黑子數(shù)）時間序列的相關(guān)性；二是通過對海洋觀測數(shù)據(jù)的合成平均或合成平均差來確定海洋對太陽11年周期響應(yīng)的空間分布；三是采用?！獨怦詈夏Ｊ剑谀Ｊ街懈淖兣c太陽活動有關(guān)的參數(shù)來做敏感性試驗，從而推測海洋對太陽11年周期的響應(yīng)過程和機制。

本研究探討了海洋熱含量（如果沒有特別說明，海洋熱含量就是指海洋熱含量異常）與TSI的11年周期的關(guān)系。TSI數(shù)據(jù)基于Wang等[38]的通量傳輸模型模擬得到（http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/tsi-data/），然后進行平移，以便和Kopp等[11]校正后的TSI觀測值銜接。海洋熱含量采用源自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和日本氣象廳（JMA）的共兩套數(shù)據(jù)。NOAA數(shù)據(jù)由Levitus等[39]基于WOD09構(gòu)建，該數(shù)據(jù)集提供全球1°×1°格點海洋熱含量數(shù)據(jù)，時間從1955—2011年，包括季節(jié)平均、年平均和5年平均，垂向包括0～700m和0～2000m兩個水深。本文采用的是0～700m層的5年平均數(shù)據(jù)。JMA數(shù)據(jù)由Ishii等[40]基于WOD05構(gòu)建，空間分辨率也是1°×1°，時間從1950—2011年，該數(shù)據(jù)為年平均數(shù)據(jù)。為與NOAA數(shù)據(jù)保持一致，我們對JMA數(shù)據(jù)進行了5年滑動平均。

首先，根據(jù)TSI的量值（圖2）將1955—2012年這段時間分為太陽活動高值年和太陽活動低值年兩類。前者為包括太陽活動峰年在內(nèi)的TSI的11年周期中輻射值較高的年份（大約5年），后者為包括太陽活動谷年在內(nèi)的TSI的11年周期中輻射值較低的年份。我們注意到，如果以一個常數(shù)（如1955—2012年的TSI平均值，圖2藍線）來劃分高值年和低值年，可能會造成一個太陽黑子周期內(nèi)有多個高值年時段或多個低值年時段的情況（如1965—1976年間，1971年為低值

年，而1970年和1972年為高值年）。為此，本文采用經(jīng)驗正交分解（EMD）方法，提取TSI中的11年周期的本征模態(tài)函數(shù)，以此模態(tài)代替TSI來確定高值年和低值年：高于平均TSI的EMD分量所對應(yīng)的年份為太陽活動高值年，其余年份為太陽活動低值年。在做EMD分解時，為了減小EMD分解中邊界效應(yīng)所引起的誤差，選取的時間段從1947年開始。在做合成平均差時，實際時段根據(jù)海洋熱含量的時段截取。

太陽活動高值年和低值年確定之后，我們采用合成平均差（將海洋中每個點的0～700m熱含量按照太陽活動高值年和低值年分為兩組，然后計算兩組的平均值之差）來確定海洋熱含量對太陽活動的響應(yīng)。圖3是兩套熱含量數(shù)據(jù)得到的熱含量對太陽11年周期響應(yīng)的空間模態(tài)。

圖2 年平均TSI（黑線）以及它的11年周期的EMD分量（紅線）。圖中高于1955—2012年的TSI平均值（藍線）的EMD分量所對應(yīng)的年份為太陽活動高值年，其余為太陽活動低值年

圖3 合成平均差得到的0～700m全球海洋熱含量對太陽11年周期的響應(yīng)模態(tài)。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。如果某個點的海洋熱含量具有與TSI同相位的11年周期振蕩，則該點表現(xiàn)為暖色調(diào)；反之，如果某點的海洋熱含量具有同TSI反相位的11年周期振蕩，則該點在表現(xiàn)為冷色調(diào)。矩形區(qū)域A和B對應(yīng)著太平洋海洋熱含量對TSI正響應(yīng)顯著和負響應(yīng)顯著的兩個區(qū)域

很明顯，TSI的11年周期只是圖3中空間各點熱含量對太陽輻射響應(yīng)為正或負的充分條件，而不是必要條件。換言之，圖3中為正響應(yīng)的點，其熱含量未必具有與TSI同相位的11年周期振蕩；同樣，負響應(yīng)的點也未必具有與TSI反相位的11年周期振蕩。為此，我們在熱帶太平洋選擇兩個海洋熱含量對TSI響應(yīng)比較顯著的海區(qū)，來進一步觀察其是否具有11年周期振蕩。圖3中A區(qū)域和B區(qū)域分別對應(yīng)太平洋海洋熱含量對TSI正響應(yīng)或負響應(yīng)比較顯著的兩個區(qū)域。圖4和圖5分別給出這兩個區(qū)域經(jīng)向（子午向）平均海洋熱含量隨時間的變化。在NOAA數(shù)據(jù)（圖4a）和JMA數(shù)據(jù)（圖4b）中，A區(qū)域的海洋熱含量都表現(xiàn)出明顯的準10年振蕩。B區(qū)域的海洋熱含量在1980年代之后表現(xiàn)出明顯的準10年周期振蕩。如果認為1980年左右存在一個冷相位（圖5a中比較明顯，圖5b中則不明顯），則從1950年代至2011年會出現(xiàn)一個連續(xù)的10年周期振蕩。這個冷相位的弱化或缺失，可能與1975年左右熱帶太平洋的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換（regime shift）[41]有關(guān)。以Levitus數(shù)據(jù)為例，我們對這兩個區(qū)域進行了小波分析。功率譜（圖6）顯示，兩個區(qū)域的平均熱含量都在11年左右周期上有明顯譜峰，并通過了紅噪聲95%的置信度檢驗。對于A區(qū)域（圖6a），11年周期為最顯著周期；對于B區(qū)域（圖6b），25年左右周期最顯著，11年周期次之。

圖4 赤道中太平洋（圖3中A區(qū)域）海洋熱含量隨時間的變化。海洋熱含量具有明顯的11年周期振蕩，且與太陽11年周期信號同相位。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數(shù)據(jù)得到的結(jié)果

圖5 西太平洋暖池（圖3中B區(qū)域）海洋熱含量隨時間的變化。海洋熱含量具有明顯的11年周期振蕩，且與太陽11年周期信號反相位。（a）和（b）分別是NOAA和JMA數(shù)據(jù)得到的結(jié)果

然后，采用一個簡單的辦法對圖3中給出的海洋熱含量對TSI的響應(yīng)模態(tài)做顯著性檢驗。1955—2012年間，TSI大致經(jīng)歷了5個黑子周期，這里將其分為9段（每段長度為一個太陽黑子周期，相鄰兩段有半個周期的重疊），在每段時間采用合成平均差做海洋熱含量的響應(yīng)投影。若某點海洋熱含量對TSI的9段響應(yīng)中同為正或同為負的出現(xiàn)7次以上，則認為該點的海洋熱含量對TSI的11年周期響應(yīng)是顯著的。結(jié)果顯示，圖3中A區(qū)域的大部分格點上對TSI的11年周期的響應(yīng)是顯著的，而B區(qū)域的顯著響應(yīng)區(qū)域集中在該區(qū)域顏色較深的位置（圖略）。這也解釋了為何圖5中B區(qū)域的11年周期不如圖4中A區(qū)域的11年周期明顯。

此外，在黑潮、灣流以及阿加勒斯海流這幾個西邊界流的延伸區(qū)，也分別看到了熱含量對太陽11年周期的顯著響應(yīng)。其中，黑潮延伸區(qū)為顯著的正響應(yīng)，后兩者為負響應(yīng)。這些區(qū)域的海洋熱含量變化對局地氣候系統(tǒng)都有重要影響。

4 總結(jié)與展望

太陽是地球氣候系統(tǒng)的主要能量來源。太陽活動必然會影響到地球氣候系統(tǒng)。然而，太陽總輻射在一個黑子周期（11年）內(nèi)的微小變化是否能夠顯著影響到地球氣候系統(tǒng)，還存在廣泛爭議。目前已有的觀測只能證明，在大氣和海洋的某些區(qū)域，存在與TSI的11年周期相關(guān)的周期信號。時間序列的相關(guān)性無法解釋TSI的微小能量變化如何引起地球氣候系統(tǒng)（局部）地區(qū)顯著的11年振蕩的問題。TSI信號通過非線性作用在氣候系統(tǒng)中的放大過程，還需要復(fù)雜的太陽—氣候系統(tǒng)的相互作用機制來解釋。目前數(shù)值模式在機制分析上起重要作用，理論證明還需要進一步發(fā)展。

我們近期的工作從海洋熱含量對TSI響應(yīng)的空間模態(tài)中挑選了兩個響應(yīng)顯著的區(qū)域。在這兩個區(qū)域中，我們看到海洋熱含量具有明顯的準10年周期振蕩。Hasegawa等[42]曾在熱帶太平洋的海洋熱含量中發(fā)現(xiàn)了13年的振蕩信號，并認為它和ENSO事件有關(guān)。與他們發(fā)現(xiàn)的信號不同的是，我們給出的準10年信號周期更接近太陽11年周期，并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的東西向傳播現(xiàn)象，因而可能是不同的信號。考慮到得到該信號的過程，我們認為，它是海洋熱含量對TSI的11年周期的響應(yīng)。此外，黑潮、灣流、阿加勒斯海流這幾個對區(qū)域氣候影響顯著的西邊界流，它們延伸區(qū)的海洋熱含量對TSI的11年周期的響應(yīng)也很顯著，只是相位上有所不同。不同海區(qū)對TSI響應(yīng)的強度或相位上的差異，可能是海—氣非線性相互作用的結(jié)果，也可能是海洋本身動力過程的結(jié)果，響應(yīng)過程及作用機理有待深入探討。

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Response of Ocean Heat Content to the 11-year Variation of Total Solar Irradiance

Wang Gang1,2, Yan Shuangxi3, Lin Min3
(1 Key Laboratory of Data Analysis and Applications (LDAA), the First Institute of Oceanography (FIO), State Oceanic Administration (SOA), Qingdao 266061 2 Key Laboratory of Marine Science and Numerical Modeling (MASNUM), FIO, SOA, Qingdao 266061 3 Department of Mathematics, School of Mathematical Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100)

The total solar irradiance (TSI) impinging on the Earth has a slight variation of approximate 11-year period, which is expected to affect the variability of the Earth climate system. Researches have found correlations between sea surface temperature or ocean heat content of local ocean basins and the 11-year TSI time series. However, the response of the upper ocean to the 11-year solar cycle is not spatially uniform, and the response mechanism is still open to debate. No region has even been identif i ed to have a clear 11-year variation in its sea surface temperature or ocean heat content yet. We analysed the ocean heat content (OHC) in upper-700-m of the global ocean from NOAA and JMA datasets, respectively. Composite mean difference method is used to obtain the response pattern of OHC to the 11-year solar activity. The two datasets give rather similar results. We select a positive response area and a negative one in the Pacif i c and fi nd a signif i cant 11-year variation in the upper 700-m OHC in these two regions.

total solar irradiance (TSI), sea surface temperature (SST), ocean heat content (OHC)

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.003

2013年10月16日；

2014年3月10日

王剛（1977— ），Email: wangg@fio.org.cn

資助信息：國家重大科學(xué)研究計劃項目（2012CB957803）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2011CB403502）;國家自然科學(xué)基金資助項目（41006018，41476024）；山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎勵基金項目（BS2011HZ019）