太陽常數(shù)變化對(duì)冬季全球輻射強(qiáng)迫及 氣候影響的數(shù)值模擬研究

曹美春 林朝暉 張賀

（中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029）

太陽常數(shù)變化對(duì)冬季全球輻射強(qiáng)迫及 氣候影響的數(shù)值模擬研究

曹美春 林朝暉 張賀

（中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所國(guó)際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029）

利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所第四代大氣環(huán)流模式IAP AGCM4.0，通過在模式中將太陽常數(shù)從1367W·m-2減少至1361W·m-2，探討了太陽總輻射減弱對(duì)冬季（12—2月）全球輻射強(qiáng)迫及氣候模擬的影響。結(jié)果表明：（1）大氣頂入射太陽輻射在全球范圍內(nèi)平均減少1.54W·m-2，南半球中高緯地區(qū)顯著減少2.15W·m-2。北美、西西伯利亞、中東以及澳洲東部大氣頂與地表的凈短波輻射則出現(xiàn)增加，這與上述地區(qū)總云量減少相對(duì)應(yīng)；（2）地表溫度在全球范圍內(nèi)平均降低約0.05oC，北美南部、南美南部、非洲東部與南部、澳洲西部以及亞歐大陸地表溫度出現(xiàn)降低，其中亞歐大陸降溫幅度達(dá)到2oC以上，北美北部、南美北部、非洲西部以及澳洲東部地表溫度則為升高，其中澳洲東部平均升溫幅度約為0.5oC；（3）降水在全球范圍內(nèi)平均減少約0.003mm·d-1，其中澳洲大陸降水平均減少約0.6mm·d-1，與該地區(qū)地表蒸散發(fā)減少、水汽源減少以及夏季風(fēng)減弱有關(guān)。

太陽活動(dòng)，輻射強(qiáng)迫，地表溫度，降水，大氣環(huán)流模式

1 引言

目前，全球氣候及環(huán)境急劇變化，已經(jīng)成為各國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)等領(lǐng)域廣泛關(guān)注的重大問題。從歸因的角度而言，氣候變化受包括自然和人為外強(qiáng)迫以及地球氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率的共同影響[1]。太陽作為地球氣候系統(tǒng)的最主要能量來源，決定了地球的能量收支，是引起地球氣候變化的最重要天文因子之一。古氣候?qū)W證據(jù)表明，全新世北大西洋冷事件與太陽活動(dòng)處于低谷具有很好的一致性[2]；北半球中緯度地區(qū)太陽輻射在距今6000年左右變率最大，該特征與青藏高原東部地區(qū)中全新世季風(fēng)氣候轉(zhuǎn)型相匹配[3]。近百年

氣候研究表明，1850—1980年全球平均海表溫度異常與太陽活動(dòng)的強(qiáng)度（11年滑動(dòng)平均的黑子數(shù)）之間有顯著的正相關(guān)，且太陽活動(dòng)的強(qiáng)度變化是超前于海表溫度變化的[4]；對(duì)1959—2004年全球平均氣溫進(jìn)行去趨勢(shì)處理后，其年際變化與太陽周期呈正相關(guān)關(guān)系，且超過了98%信度水平[5]。就太陽活動(dòng)對(duì)中國(guó)區(qū)域氣候的影響，張先恭等[6]早就指出，太陽活動(dòng)減弱則我國(guó)受旱地區(qū)增加，并導(dǎo)致低溫氣候；Soon等[7]用多種實(shí)測(cè)和再分析資料證實(shí)，1880—2002年我國(guó)陸表氣溫變化與太陽輻射變化存在緊密聯(lián)系；基于對(duì)近百年中國(guó)夏季降水與太陽活動(dòng)關(guān)系的分析，Zhao等[8]指出太陽黑子周期位相在一定程度上決定了東亞夏季風(fēng)爆發(fā)期季風(fēng)區(qū)雨帶緯度位置的年代際變化。

氣候系統(tǒng)模式是開展氣候變化機(jī)理研究的重要工具，其發(fā)展始于1956年P(guān)hillips發(fā)展的準(zhǔn)地轉(zhuǎn)大氣環(huán)流模式。氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展歷程，是從單獨(dú)的大氣模式、簡(jiǎn)單的海—?dú)怦詈夏Ｊ?，到?！憽獨(dú)狻嗳玉詈夏Ｊ街鸩酵晟破饋淼腫9]。近幾年來，隨著人們對(duì)氣候系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的深入，氣候系統(tǒng)模式逐漸走向地球系統(tǒng)模式，除了更加細(xì)致地考慮地球表層各圈層之間的相互作用，也進(jìn)一步考慮固體地球和與太陽活動(dòng)有關(guān)的空間天氣過程[10]。地球氣候系統(tǒng)對(duì)太陽活動(dòng)的響應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括輻射過程、動(dòng)力學(xué)過程以及微觀物理過程等。現(xiàn)階段，利用氣候系統(tǒng)模式模擬太陽活動(dòng)對(duì)氣候的影響仍存在不少困難，其中之一便是對(duì)太陽總輻照度（即太陽常數(shù)）變化的精確測(cè)定。對(duì)太陽總輻照度（Total Solar Irradiance，TSI）的測(cè)定主要有兩種方式：一為地面觀測(cè)，另一為衛(wèi)星測(cè)量。由于衛(wèi)星能剔除大氣對(duì)太陽光的吸收影響，所以衛(wèi)星測(cè)量相比地面觀測(cè)更加準(zhǔn)確。TSI的衛(wèi)星觀測(cè)始于1978年發(fā)射的NIMBUS-7衛(wèi)星[11]，其配備的HF空腔輻射計(jì)測(cè)得TSI值為1372～1375W·m-2。隨后，各國(guó)相繼發(fā)射多顆衛(wèi)星對(duì)TSI進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。其中，美國(guó)國(guó)家航空航天局于2003年發(fā)射的SORCE衛(wèi)星上裝載的太陽總輻照度監(jiān)測(cè)儀（TIM），被認(rèn)為是目前最精確的TSI探測(cè)儀器。根據(jù)TIM的監(jiān)測(cè)結(jié)果[12]，在2008年太陽活動(dòng)極小期里，TSI的最精確值應(yīng)為1360.8±0.5W·m-2，這明顯低于目前氣候系統(tǒng)模式普遍采用的經(jīng)典值1365.4±1.3W·m-2。雖然與自1978年以來的衛(wèi)星測(cè)量值相比，TIM給出的TSI值較低，但這并不意味著太陽活動(dòng)的減弱，而是因?yàn)樯⑸涔鈱?dǎo)致上一代太陽輻射計(jì)測(cè)量值偏高，TIM的特殊設(shè)計(jì)則限制了漫射光進(jìn)入儀器空腔，因此TSI測(cè)量值偏低[13]。

在氣候系統(tǒng)模式中，TSI是地球能量平衡計(jì)算的基準(zhǔn)，通常單獨(dú)留在能量平衡方程的一邊。如果考慮TSI測(cè)量的不準(zhǔn)確性（從1365.4±1.3W·m-2減少至1360.8±0.5W·m-2），模式中原有的全球輻射平衡必然將遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致模式模擬氣候態(tài)的變化。本文利用中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所發(fā)展的新一代大氣環(huán)流模式IAP AGCM4.0[14]，通過改變模式中太陽常數(shù)的取值，考察：（1）如果用現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)值（1361W·m-2）替代模式中的默認(rèn)取值（1367W·m-2），究竟對(duì)模式模擬結(jié)果有怎樣的影響？模式的響應(yīng)是否顯著？（2）如果模式的響應(yīng)是顯著的，那具體的影響過程又是如何的？本文的研究結(jié)果，亦將是我們后續(xù)利用IAP AGCM4.0的氣候系統(tǒng)模式，模擬驗(yàn)證天文因子對(duì)近百年氣候變化影響的一個(gè)基礎(chǔ)。

2 模式和試驗(yàn)方案

2.1 IAP AGCM4.0模式

本文采用的是中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所近年發(fā)展的第四代大氣環(huán)流模式IAP AGCM4.0。IAP AGCM4.0的物理過程基本采用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）大氣環(huán)流模式CAM3.1的物理過程參數(shù)化包，其中陸面模塊采用CLM3，積云對(duì)流參數(shù)化方案除了CAM3.1中的Zhang-McFarlane方案外，還增添了修改的Zhang-McFarlane方案和Emanuel方案2個(gè)可選方案。在動(dòng)力框架方面，IAP AGCM4.0沿用了前幾代模式的一些方法和技術(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)扣除、IAP變換、總有效能量守恒差分格式等），引入了許多新的特色（如時(shí)間分解算法、高緯靈活性跳點(diǎn)、可允許替代等），更新了水汽平流過程的算法，增加了對(duì)云水和云冰平流過程的計(jì)算[15]。IAP AGCM4.0的水平分辨率為1.4°×1.4°（經(jīng)圈上128個(gè)格點(diǎn)，緯圈上256個(gè)格點(diǎn)），垂直方向采用σ坐標(biāo)共26層，模式頂高度約為 2.2hPa。對(duì)IAP AGCM4.0進(jìn)行了17年的氣候態(tài)積分試驗(yàn)，表明該模式對(duì)全球基本氣候態(tài)有較好的模擬能力，其中對(duì)海平面氣壓場(chǎng)、緯向風(fēng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)的模擬，IAP AGCM4.0要明顯優(yōu)于CAM3.1[15]。另外，利用觀測(cè)資料對(duì)IAP AGCM4.0模擬的20世紀(jì)氣候進(jìn)行檢驗(yàn)，表明其對(duì)全球和東亞氣候有較強(qiáng)的模擬能力，能較好地再現(xiàn)地表氣溫的長(zhǎng)期變化[16]，同時(shí)對(duì)北半球冬季（12—2月）氣候也具有較好的模擬能力[17]。

2.2 試驗(yàn)方案

本文設(shè)計(jì)了兩組試驗(yàn)來研究太陽活動(dòng)變化對(duì)冬季（12—2月）輻射強(qiáng)迫及氣候模擬的可能影響。兩組試驗(yàn)的地球軌道參數(shù)均設(shè)為1950年時(shí)的值，下邊界

采用HadISST逐月海溫及海冰分布，外強(qiáng)迫包括溫室氣體、氣溶膠、臭氧、太陽常數(shù)等。兩組試驗(yàn)所使用的太陽常數(shù)和溫室氣體等參數(shù)如表1所示：S1367為參照試驗(yàn)，太陽常數(shù)取1367W·m-2；S1361為敏感性試驗(yàn)，太陽常數(shù)取1361W·m-2。兩組試驗(yàn)積分步長(zhǎng)均為10min，共積分31a（1978—2008年），這里重點(diǎn)分析后30a（1979—2008年）的結(jié)果。通過比較兩組試驗(yàn)結(jié)果的差異，來探討太陽常數(shù)變化對(duì)模式模擬結(jié)果的影響，后文給出的結(jié)果均為S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季要素30年平均的差值場(chǎng)，其中冬季為前一年12月和當(dāng)年1月與2月的平均。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 凈短波輻射

由于太陽直射點(diǎn)的回歸運(yùn)動(dòng)，冬季（12—2月）太陽直射南半球，南半球中低緯（10°—60°S）地區(qū)的入射太陽輻射最強(qiáng)，并沿緯圈向南北兩極逐漸減弱。當(dāng)把太陽常數(shù)從1367W·m-2減小至1361W·m-2時(shí)，全球范圍內(nèi)大氣頂入射太陽輻射沿緯圈均有不同程度的減弱，全球范圍內(nèi)平均減少1.54W·m-2，其中北半球中高緯地區(qū)略有減弱，南半球中低緯（10°—60°S）地區(qū)則顯著減弱了2.15W·m-2（圖1a）。入射到大氣頂?shù)奶栞椛?，一部分被反射回太空，另一部分則用于驅(qū)動(dòng)地球氣候系統(tǒng)。由于大氣本身對(duì)太陽輻射的直接吸收較少，大部分被陸面、海洋、冰面所吸收，因而造成地球表面溫度升高。不同于入射太陽輻射全球一致減少的特征，凈短波輻射在不同區(qū)域有增有減。對(duì)大氣頂凈短波輻射，海洋上以減少為主，且南半球洋面的減少更明顯；在陸地上，非洲大部和南美大部表現(xiàn)為減少，北美、西西伯利亞、中東以及澳洲東部則表現(xiàn)為增加，其中澳洲東部的大氣頂凈輻射增加尤為顯著（圖1b）。對(duì)地表凈短波輻射，除了北美、西西伯利亞、中東以及澳洲東部所呈現(xiàn)的增加趨勢(shì)變得更明顯以外，其余地區(qū)的變化趨勢(shì)與大氣頂?shù)那樾畏浅Ｒ恢拢▓D1c）。

3.2 云輻射強(qiáng)迫

云及其對(duì)輻射的影響是決定氣候敏感性的最大不確定性因素。云在地氣系統(tǒng)的輻射收支中也有著十分重要的作用：一方面，云吸收和散射太陽短波輻射，對(duì)地氣系統(tǒng)起降溫作用（負(fù)的云短波輻射強(qiáng)迫）；另一方面，云能有效吸收和反射地表及云下大氣放射的長(zhǎng)波輻射，起到加熱地氣系統(tǒng)的作用（正的云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫），因此云凈輻射強(qiáng)迫在氣候變化中起著關(guān)鍵作用。圖2給出了總云量、大氣頂云凈輻射強(qiáng)迫及地表云凈輻射強(qiáng)迫對(duì)太陽常數(shù)變化的響應(yīng)。由圖2a可見，總云量也并非緯向一致減少，其中洋面上的總云量變化要弱于陸面。陸面上的總云量以減少為主，減少較顯著的地區(qū)主要有西西伯利亞、中東以及澳洲東部等，其減幅基本都超過了5%。這些地區(qū)的總云量減少與大氣頂及地表凈短波輻射增加是相互對(duì)應(yīng)的，由于總云量減少使得云反照率降低，進(jìn)而行星反照率降低、大氣頂凈短波輻射增加；另一方面，地表吸收

太陽輻射的多寡也受云量變化的調(diào)控，總云量減少使得云吸收和發(fā)射的太陽輻射減少，從而有利于地表凈短波輻射出現(xiàn)增加。就云對(duì)輻射收支的影響，從圖2b中看到，大氣頂云凈輻射強(qiáng)迫在西西伯利亞和中國(guó)東部略有減少（減幅小于2W·m-2）；在南美北部、西亞以及澳洲東部，大氣頂云凈輻射強(qiáng)迫則有所增加，其中澳洲東部的增幅超過了5W·m-2。地表的情況比較類似，但與大氣頂不同的是，在冬半球的中緯度地區(qū)（如我國(guó)東北地區(qū)），由于太陽入射輻射減少，地表云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫較大，即正的云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫作用大于負(fù)的云短波輻射強(qiáng)迫作用，地表云凈輻射強(qiáng)迫呈現(xiàn)略微的增加（圖2c）。

表1 模擬試驗(yàn)所使用的太陽常數(shù)及溫室氣體濃度

圖1 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季入射太陽輻射（W·m-2）（a）、大氣頂凈短波輻射（W·m-2）（b）及地表凈短波輻射（W·m-2）（c）的差值分布。點(diǎn)陰影區(qū)為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

圖2 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季云量（%）（a）、大氣頂云凈輻射強(qiáng)迫（W·m-2）（b）及地表云凈輻射強(qiáng)迫（W·m-2）（c）的差值分布。點(diǎn)陰影區(qū)為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

3.3 地表溫度

全球或區(qū)域平均地表氣溫是描述氣候系統(tǒng)狀態(tài)的最常用變量之一。太陽常數(shù)減小后，由于云對(duì)地氣系統(tǒng)加熱或冷卻作用的變化，一個(gè)直接的后果是導(dǎo)致地表及大氣熱狀況的調(diào)整。圖3所示為S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)?zāi)M的地表溫度之差值分布，由于兩組試驗(yàn)均使用HadISST逐月海溫及海冰強(qiáng)迫，所以不存在海表溫度的差異，這里僅就陸地上的情況進(jìn)行分析。整體而言，太陽常數(shù)從1367W·m-2減小至1361W·m-2后，地表溫度變化全球范圍內(nèi)平均約降低了0.05℃。但分區(qū)域來看，地表溫度在不同區(qū)域有增有減，亞歐大陸地表溫度幾乎都為降低，以西西伯利亞至東歐一帶降溫尤為顯著，最大降溫幅度達(dá)到2℃以上。同樣地，北美南部、南美南部、非洲東部與南部以及澳洲西部的地表溫度也都出現(xiàn)了一定程度的下降。另一方面，當(dāng)太陽常數(shù)減小后，北美北部、南美北部、非洲西部以及澳洲東部的地表溫度則有所升高，其中澳洲東部升溫較為顯著，平均升溫幅度約為0.5℃。另外結(jié)合圖2可見，亞歐大陸北部地表溫度降低與大氣頂及地表云凈輻射強(qiáng)迫減少相一致，而澳洲東部地表溫度升高也與大氣頂及地表云凈輻射強(qiáng)迫增加是一致的。

地面溫度變化后，也引起地表感熱與地表潛熱通量發(fā)生相應(yīng)變化。從S1367試驗(yàn)的模擬結(jié)果（圖略）可知，冬季（12—2月）北半球高緯陸地感熱通量雖然量值不大，但符號(hào)為負(fù)，這說明地表為冷源，從大氣獲得能量；其他陸地感熱通量則多為正值，表明地面向大氣輸送熱量，其中以澳洲大陸的感熱通量最大。從圖4可看到，當(dāng)太陽常數(shù)減小后，對(duì)應(yīng)于地表溫度的顯著升高，澳洲東部地表感熱通量顯著增加，相應(yīng)的地表潛熱通量也明顯減少。在亞歐大陸北部，一方面冬季地表為冷源，地表溫度降低后，地—?dú)鉁夭钬?fù)值增強(qiáng)；另一方面，近地面風(fēng)速減弱（這可能與北極濤動(dòng)減弱有關(guān)），增加

了傳熱阻力。后者在較大程度上抵消了前者，減緩了控制試驗(yàn)（即S1367試驗(yàn)）中感熱通量負(fù)值的增加，使得地表感熱通量差異（S1361－S1367）在亞歐大陸北部呈現(xiàn)正值。相應(yīng)地，地表潛熱通量差異（S1361－S1367）則呈現(xiàn)負(fù)值。

圖3 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季地表溫度（℃）的差值分布。點(diǎn)陰影區(qū)為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

3.4 降水

降水變化涉及全球水循環(huán)過程，由于直接影響降水的因子通常是一些大尺度環(huán)流系統(tǒng)，例如季風(fēng)，因而研究降水變化對(duì)于揭示太陽影響氣候的物理機(jī)制是有利的。雖然S1361試驗(yàn)?zāi)M的冬季（12—2月）全球平均降水總體較S1367試驗(yàn)僅存在0.003mm·d-1的微弱減少趨勢(shì)，但從圖5中不難看見，兩組試驗(yàn)?zāi)M的降水差異分布有著顯著的空間不均勻性。在洋面上，太陽常數(shù)減小后，低緯地區(qū)的變幅相對(duì)高緯地區(qū)更大。不同于其他洋面降水出現(xiàn)減少或者變化不明顯的特征，北印度洋與赤道中西太平洋地區(qū)降水呈現(xiàn)顯著增多趨勢(shì)。相較于海洋，陸地上降水的局地變幅則弱不少，除了南非、蒙古、加拿大等地區(qū)降水略有增加以外，許多地區(qū)（如亞歐大陸北部、西亞、澳洲大陸、南美北部等）的降水均有所減少，其中以澳洲大陸降水減少較為顯著，平均減少了約0.6mm·d-1。

大量研究結(jié)果已經(jīng)表明，降水的多寡在相當(dāng)程度上與大氣環(huán)流形勢(shì)及其配置有關(guān)。鑒于澳洲大陸降水變化顯著，我們以亞澳季風(fēng)區(qū)為例展開進(jìn)一步分析。從大的空間尺度而言，當(dāng)亞洲地區(qū)盛行夏季風(fēng)時(shí)，澳洲北部盛行冬季風(fēng)，而亞洲地區(qū)盛行冬季風(fēng)時(shí)，澳洲北部盛行夏季風(fēng)。從S1367試驗(yàn)的模擬結(jié)果（圖略）可知，南半球夏季（12—2月），印度尼西亞和澳洲北部低層流場(chǎng)盛行西風(fēng)氣流，東亞冬季風(fēng)從南海和西太平洋地區(qū)攜帶大量水汽越赤道后轉(zhuǎn)向，在澳大利亞與印度尼西亞之間匯合成水汽輻合帶，直接導(dǎo)致北澳夏季風(fēng)降水。由圖6a可見，太陽常數(shù)減小后，澳洲大陸水汽源明顯減少，與前述分析的地表潛熱通量（蒸散發(fā)）減少、?！懰盅h(huán)減弱相對(duì)應(yīng)。 另一方面，太陽常數(shù)減小后，印尼大陸地表溫度降低，使得海陸熱力對(duì)比減弱，印尼—北澳地區(qū)海域出現(xiàn)東風(fēng)氣流異常，意味著北澳夏季風(fēng)的減弱（圖6b）。同時(shí)結(jié)合圖3看到，隨著太陽輻射的減弱，澳洲大陸西部地表溫度急劇降低，造成海陸熱力對(duì)比減弱，進(jìn)而從陸地吹向西側(cè)洋面的偏東風(fēng)減弱。加之南印度洋上空的馬斯克林高壓減弱，脊前東南氣流減弱，使得澳洲大陸西側(cè)出現(xiàn)西北氣流異常，最終導(dǎo)致在澳洲大陸西北部形成一個(gè)反氣旋式環(huán)流偏差，低層對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)減弱。正是在低層水汽源減少與低層異常反氣旋環(huán)流的共同作用下，澳洲大陸降水呈現(xiàn)出了較為顯著的減少趨勢(shì)。

圖4 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季地表感熱通量（W·m-2）（a）和地表潛熱通量（W·m-2）（b）的差值分布。點(diǎn)陰影區(qū)為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

4 結(jié)論

本文利用大氣環(huán)流模式IAP AGCM4.0，開展了太陽常數(shù)變化的敏感性試驗(yàn)，通過用TIM（目前被認(rèn)為是最精確的太陽常數(shù)探測(cè)儀器）的測(cè)量值（約1361W·m-2）替代模式中太陽常數(shù)的默認(rèn)取值（1367W·m-2），探討了太陽活動(dòng)變化所引起的冬季（12—2月）輻射強(qiáng)迫變化及其對(duì)氣候模擬的影響和可能機(jī)制。結(jié)果表明，當(dāng)太陽常數(shù)從1367W·m-2減小至1361W·m-2后：

圖5 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季降水（mm·d-1）的差值分布。點(diǎn)陰影區(qū)為通過95%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

圖6 S1361試驗(yàn)與S1367試驗(yàn)冬季亞澳季風(fēng)區(qū)（a）850hPa水汽場(chǎng)（g·kg-1）和（b）850hPa風(fēng)場(chǎng)（m·s-1）的差值分布

（1）大氣頂入射太陽輻射在全球范圍內(nèi)均為減少，全球平均減少1.54W·m-2，其中南半球中高緯地區(qū)顯著減少2.15W·m-2。由于云與輻射的相互作用，大氣頂與地表的凈短波輻射在不同區(qū)域有增有減，海洋上主要為減少，陸地上北美、西西伯利亞、中東以及澳洲東部則出現(xiàn)增加，與這些地區(qū)云量減少相一致。對(duì)應(yīng)于云量的變化，大氣頂與地表的云凈輻射強(qiáng)迫在西西伯利亞和中國(guó)東部略有減少，在南美北部、西亞以及澳洲東部則有所增加；

（2）地表溫度在全球范圍內(nèi)平均降低約0.05℃，其中北美南部、南美南部、非洲東部與南部、澳洲西部以及亞歐大陸地表溫度均為降低，其中亞歐大陸降溫較為顯著，最大降溫幅度可達(dá)2℃以上。在北美北部、南美北部、非洲西部以及澳洲東部，地表溫度則有所升高，以澳洲東部升溫較為顯著，平均升溫幅度約為0.5℃；

（3）降水在全球范圍內(nèi)平均減少約0.003mm·d-1，陸地上以澳洲大陸減少較為顯著，平均減少約0.6mm·d-1。一方面，澳洲大陸地表潛熱通量（蒸散發(fā)）減少，?！懰盅h(huán)減弱，從而水汽源減少；另一方面，北澳夏季風(fēng)減弱，澳洲大陸西北部低層流場(chǎng)形成一個(gè)反氣旋式環(huán)流偏差，導(dǎo)致對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)減弱。這些因素綜合起來，使得澳洲大陸降水出現(xiàn)減少。

太陽總輻照度是影響氣候變化的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力，不正確的太陽總輻照度輸入必然會(huì)影響到氣候模擬與預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，所以分析氣候系統(tǒng)對(duì)太陽總輻照度變化的敏感性是有必要的。但就本文而言，其模擬結(jié)果主要基于一個(gè)氣候系統(tǒng)模式得到的，因此下一步我們將用其他的氣候系統(tǒng)模式來進(jìn)行類似的試驗(yàn)予以考察，從而更好地揭示太陽總輻照度變化對(duì)全球氣候變化的影響程度。

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A Modeling Study of the Response of Radiative Forcing and Climate to Solar Constant Variation in Boreal Winter

Cao Meichun, Lin Zhaohui, Zhang He
(International Center for Climate and Environmental Sciences, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029)

In this paper, the impact of total solar irradiance (i.e., solar constant) variation upon global radiative forcing and climate change in winter (December - February) is investigated by using a global atmospheric general circulation model (IAP AGCM4.0). Two sets of numerical experiments are designed, with one using the default solar constant (1367W·m-2) and the other adopting the latest value (1361W·m-2). Comparisons of the model results from both experiments demonstrate that with the reduction of solar constant: (1) Incoming solar radiation decreases 1.54W·m-2globally and 2.15W·m-2over areas of the mid- and high-latitudes in the Southern Hemisphere. Corresponding to less total cloud cover, net solar radiation at the top of the atmosphere and the surface increases in regions such as North America, West Siberia, Middle East, and Eastern Australia; (2) Surface temperature decreases 0.05℃ globally and more than 2℃ over Eurasia, while it increases about 0.5℃ over Eastern Australia. In other regions such as Southern North-America, Southern South-America, Eastern and Southern Africa, and Western Australia, surface temperature becomes colder. Over regions including Northern North-America, Northern South-America, and Western Africa, surface temperature becomes warmer. (3) Precipitation exhibits negligible variations when averaged globally, which only drops by 0.003 mm·d-1. Owing to the combined effects of decreased surface evapotranspiration, reduced surface humidity, and weakened Australian summer monsoon, precipitation over Eastern Australia is on average reduced by about 0.6 mm·d-1.

solar variation, radiative forcing, surface temperature, precipitation, atmospheric general circulation model

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.006

2013年11月28日；

2014年3月31日

曹美春（1984—），E-mail: mcao@mail.iap.ac.cn

資助信息：國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957803）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目1 1（XDA05110200）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41305093）