太陽活動變化對東亞冬季氣候的非對稱影響及可能機制

王瑞麗 肖子牛, 朱克云 高樅亭

1 成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，成都610225

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室（LASG），北京100029

3 中國氣象局中高緯度環(huán)流系統(tǒng)與東亞季風(fēng)研究開放實驗室，長春130062

1 引言

東亞地處世界上最顯著的季風(fēng)區(qū)，冬季氣候變率十分復(fù)雜，冬季風(fēng)的增強常伴隨著寒潮/暴風(fēng)雪等災(zāi)害性天氣的發(fā)生（黃榮輝等，2007；李崇銀等，2008）。長期以來，圍繞著東亞冬季氣候的變化特征及其與中高緯環(huán)流和熱帶海溫異常的聯(lián)系國內(nèi)外開展了一系列分析研究（Zhang et al.，1997；Gong et al.，2001；Wen，2002；康麗華等，2006；王遵婭和丁一匯，2006），但東亞地區(qū)冬季氣候的變異機理及其預(yù)測依舊是個難題。自上個世紀末以來，人們逐漸關(guān)注到平流層—對流層動力耦合對北半球（尤其是對東亞地區(qū)）冬季氣候具有重要影響（Baldwin et al., 2003；陳文和魏科，2009），而另一些研究指出，平流層的環(huán)流異常及平流層與對流層的動力耦合深受太陽活動的調(diào)制（Chandra and McPeters，1994；Shindell et al.，1999；Baldwin and Dunkerton，2005；Haigh and Blackburn，2006），因此，研究太陽活動變化與東亞大氣環(huán)流異常之間的關(guān)聯(lián)，將有助于提高東亞冬季氣候的可預(yù)報性。

由于北極濤動/北大西洋濤動（AO/NAO）在平流層—對流層耦合中有重要的作用（陸春暉和丁一匯，2013；Gerber et al., 2010；Kodera and Kuroda，2000；Baldwin and Dunkerton，1999），人們分析了AO/NAO對東亞冬季氣候的影響（Chen and Zhou，2012），此外還進一步研究了AO/NAO對太陽活動的響應(yīng)（Ruzmaikin and Feynman, 2002）。這些研究結(jié)果表明，在太陽活動峰值及其隨后的幾年內(nèi)，AO/NAO傾向增強，使得大西洋和歐洲地區(qū)出現(xiàn)顯著的氣候異常（Huth et al., 2007; Scaife et al., 2013），而太陽活動較弱的時期，往往伴隨著低指數(shù)的AO/NAO（Weng, 2012），此時冬季大西洋東部阻塞高壓活動增強（Barriopedro et al., 2008）。一些分析認為，這是造成蒙德極小期（Luterbacher et al.,2001; Shindell et al., 2001; Mann et al., 2009）及最近幾年歐洲和北半球許多地區(qū)冬季嚴寒天氣的重要原因（Lockwood et al., 2010）。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，AO/NAO與太陽活動變化的關(guān)聯(lián)在太陽活動強、弱時期并不一致，存在非對稱性。Kodera（2002）和Gimeno et al.（2003）的研究均表明，當太陽活動活躍時，NAO與北半球海平面氣壓相關(guān)系數(shù)場的空間結(jié)構(gòu)更接近 AO，具有半球尺度特征，且信號從對流層垂直伸展至平流層；而當太陽活動偏弱時，這種信號被限制在對流層的北大西洋地區(qū)。Ogi et al.（2003）的研究也發(fā)現(xiàn)，冬季NAO與來年春季氣候的相關(guān)性在太陽活動高值年強于太陽活動低值年。Woollings et al.（2010）也注意到，在太陽活動高值年，歐亞冬季氣候的太陽活動信號更強一些。Kodera and Kuroda（2002, 2005）對產(chǎn)生這類現(xiàn)象的原因進行了系統(tǒng)地研究，認為太陽活動高值年的冬季早期，平流層頂?shù)母睙釒Ъ绷饕蜉椛渥饔眉訌?，這種異常信號隨季節(jié)的推進向極向下傳播，并通過與行星波的相互作用，引起中高緯地區(qū)顯著的緯向風(fēng)異常，使AO更加活躍，而在太陽活動低值年，平流層緯向風(fēng)異常的下傳較弱，對流層AO信號被限制在區(qū)域尺度上。因此，AO對于東亞氣候的影響也必將受到太陽活動的調(diào)制，Chen and Zhou（2012）通過觀測研究驗證了這一點，在太陽活動峰值年，高指數(shù)AO能引起東北亞顯著增暖，而在太陽活動低值年，增暖信號明顯減弱。而另一方面，ENSO（El Ni?o/Southern Oscillation）的變率及演變特征在太陽活動高低值年也不同（Kryjov and Park, 2007; Calvo and Marsh, 2011; 周群和陳文,2012），通過調(diào)節(jié)Walker環(huán)流異常和西北太平洋異常反氣旋的位置，太陽活動的強弱變化可能調(diào)制ENSO與東亞冬季氣候的聯(lián)系（Zhou et al., 2013）。

由以上的回顧不難發(fā)現(xiàn)，前人關(guān)于太陽活動對北半球冬季氣候具有非對稱影響的研究主要集中在太陽活動對區(qū)域氣候模態(tài)（AO/NAO、ENSO等）與歐亞冬季氣候關(guān)系的調(diào)制上，而有關(guān)太陽活動強、弱時期太陽活動與東亞冬季氣候直接關(guān)聯(lián)的非對稱性及其可能成因這一領(lǐng)域的闡述較少。為此，本文首先分析了太陽活動變化與東亞冬季氣候的聯(lián)系，然后根據(jù)太陽活動的強、弱時期分類，分別分析了10.7 cm太陽射電通量與對流層海平面氣壓場、高度場、風(fēng)場、近地面氣溫以及降水的聯(lián)系。最后通過分析緯向平均緯向風(fēng)、行星波以及海表溫度對太陽活動的非對稱響應(yīng)，初步解釋了太陽活動與東亞冬季氣候非對稱聯(lián)系的可能成因。

2 資料和方法

文中所使用的數(shù)據(jù)資料包括：（1）美國國家海洋局（NOAA）數(shù)據(jù)中心 (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/solar.data [2014-09-05]) 提供的10.7 cm（2800 MHz）太陽射電通量（簡寫為F10.7 cm），它作為反映太陽活動強弱的指標被廣泛應(yīng)用，其單位為 s.f.u.（1 s.f.u.=10-22W m-2Hz-1）；（2）美國國家環(huán)境預(yù)測中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）的再分析資料（Kalnay et al., 1996），包括月平均高度場、海平面氣壓場、風(fēng)場（u,v）、近地面氣溫和海表面溫度場；（3）全球降水氣候中心（GPCC）的月平均降水合成數(shù)據(jù) (http://www.cgd.ucar.edu/cas/catalog/surface/precip/gpcc.html [2014-09-05])；（4）氣候預(yù)測中心（CPC）提供的AO指數(shù)；（5）我國國家氣候中心（CMA）提供的74項環(huán)流指數(shù)中的月平均東亞大槽強度指數(shù)（ICQ），楊桂英和章淹（1994）指出ICQ是根據(jù)東亞大槽所在區(qū)域的月平均500 hPa位勢高度場得到的，其計算公式為

其中，右端第一項為沿槽線35°～55°N范圍內(nèi)的每隔5個緯度所讀的高度值（網(wǎng)格點上最小值，略去百位數(shù)）之和，第二項為最大高度值與最小高度值之差。按定義可知，ICQ值越大（小）代表東亞大槽強度越弱（強）。

在1958年以前，由于平流層缺乏足夠的觀測，平流層再分析資料并不可靠（Kistler et al., 2001）。據(jù)此，本研究選用1959～2013年共55年的資料進行統(tǒng)計分析，并按慣例將12月和次年1、2月作為冬季，1959年代表1958/1959年冬季，依次類推。此外，分析中各要素均進行了冬季平均。對冬季平均資料進行了緯向諧波分析，用緯向波數(shù) 1～3波之和代表準定常行星波，行星波活動的傳播用 E-P通量（Eliassen-Palm flux）來描述（Andrews et al.,1987）。文中還采用了相關(guān)分析方法，并利用t檢驗來驗證其顯著性。

3 太陽活動變化與東亞冬季氣候的聯(lián)系

首先我們通過相關(guān)分析考察太陽活動與東亞冬季氣候的普遍聯(lián)系，圖1給出了北半球冬季F10.7 cm與主要氣象要素場相關(guān)系數(shù)的空間分布，在500 hPa高度場上（圖1a），太陽活動與東亞中緯度地區(qū)的位勢高度呈正相關(guān)，而在亞洲北部為負相關(guān)，其中日本上空通過顯著性檢驗，這意味著增強的太陽活動使東亞大槽減弱，造成歐亞大陸上空南北氣壓梯度增強，緯向環(huán)流更為活躍，低層冷性高壓的發(fā)展將會受到抑制。與對流層中層環(huán)流異常相匹配，在850 hPa風(fēng)場上（圖1b），日本以東洋面上存在顯著的反氣旋性環(huán)流，東亞大部地區(qū)存在異常偏南風(fēng)，東亞冬季風(fēng)隨著太陽活動的增強而減弱。同時，在海平面氣壓場上（圖1c），隨著太陽活動的增強，歐亞大陸西部氣壓減弱，而東亞沿海區(qū)域氣壓呈升高態(tài)勢，對流層低層海陸氣壓差的減弱會導(dǎo)致不活躍的東亞冬季風(fēng)。東亞大槽偏弱，冬季風(fēng)偏弱的環(huán)流背景不利于冷空氣自高緯向南入侵，因此在近地面氣溫場上（圖1d），包括我國東北和西北地區(qū)在內(nèi)的東亞中緯度地區(qū)以及日本以東洋面（40°N附近）的氣溫均與太陽活動呈顯著正相關(guān)。此外，由于中、高緯西風(fēng)的增強有利于大西洋水汽向歐亞大陸輸送，在歐亞大陸 60°N附近存在帶狀的降水正相關(guān)區(qū)域（圖1e）。從上述分析可見，太陽活動變化與東亞地區(qū)冬季氣候要素具有廣泛的聯(lián)系。

圖1 1959～2013年冬季平均的（a）500 hPa高度場、（b）850 hPa風(fēng)場、（c）海平面氣壓場、（d）近地面氣溫場、（e）降水量場與F10.7 cm的相關(guān)系數(shù)分布。等值線間隔：0.1（c、d、e已略去絕對值小于0.2的等值線）；實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)；淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 1 Correlation between (a) 500-hPa geopotential height, (b) 850-hPa winds, (c) sea level pressure, (d) near-surface air temperature, (e) precipitation with the solar 10.7 cm radio flux (F10.7 cm) averaged for December-January-February (DJF) from 1959 to 2013. Contour interval is 0.1 (only contours with the absolute values more than 0.1 have been plotted in Figs. c, d, and e), and dashed lines indicate negative values. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

雖然太陽活動變化與東亞冬季大氣環(huán)流有較好的相關(guān)性，但是我們也注意到，太陽活動變化與東亞冬季環(huán)流的聯(lián)系僅在有限區(qū)域顯著。事實上，過去的一些研究也指出（段長春和孫績?nèi)A，2006），盡管太陽活動變化與我國大部地區(qū)冬季氣溫呈正相關(guān)，但僅有北方的少部分地區(qū)能通過顯著性檢驗。值得注意的是，Kodera（2002）和Kodera and Kuroda（2005）發(fā)現(xiàn)在太陽活動較強的年份，AO/NAO的信號更為活躍，空間尺度更大，其信號可延伸至歐亞東部及其下游區(qū)域，而 Chen and Zhou（2012）也注意到 AO與我國冬季氣候的聯(lián)系在強太陽活動時期更密切。這些研究表明，太陽活動變化與東亞冬季天氣氣候的聯(lián)系可能在太陽活動活躍時期更為緊密。

東亞大槽是東亞地區(qū)冬季的主要環(huán)流系統(tǒng)之一，其強弱變化與東亞冬季風(fēng)的異?；顒痈叨认嚓P(guān)（高輝，2007），極大地影響著廣大區(qū)域的氣溫和降水。因此，我們選取ICQ表征東亞大槽強度，分別分析在太陽活動強、弱時期ICQ與F10.7 cm的變化特征以及二者之間的關(guān)系。圖2a為1959～2013年北半球冬季平均F10.7 cm和ICQ的時間序列，可以看到太陽活動具有顯著的11年周期，同時也存在年際變化，這55年冬季平均F10.7 cm與ICQ的相關(guān)系數(shù)為0.297，通過了95%的信度檢驗。為了比較太陽活動強、弱時期二者相關(guān)關(guān)系的差別，我們以F10.7 cm值1350 s.f.u.為界，取大于該值的年份作為太陽活動高值（High Solar, HS）年，小于該值的年份則視為太陽活動低值（Low Solar，LS）年，分別得到21個HS年（強太陽活動時期）和34個LS年（弱太陽活動時期）。圖2b給出了F10.7 cm和ICQ的散點分布圖，我們注意到HS年冬季平均F10.7 cm與ICQ的方差都遠大于其在 LS年的方差，即相比于LS年，HS年的太陽活動與東亞大槽都具有更大的變率。而且很顯然，太陽活動變化對東亞大槽的影響在強、弱太陽活動時期是不同的（表1），在太陽活動較弱的時期F10.7 cm的變化與ICQ的相關(guān)系數(shù)僅為 0.042，不能通過顯著性檢驗，而在太陽活動相對較強的時期，F(xiàn)10.7 cm的變化與ICQ的相關(guān)系數(shù)高達 0.609，通過了 99%的信度檢驗，即隨著太陽活動增強，東亞大槽顯著減弱。因此，太陽活動的變化與東亞大槽的聯(lián)系在太陽活動強、弱時期是非對稱的，在強太陽活動時期，太陽活動變化對東亞大槽的強度具有顯著影響，而在弱太陽活動時期，二者之間的聯(lián)系微弱。

表1 1959～2013年期間HS年和LS年F10.7cm、ICQ、AO的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between F10.7 cm, ICQ, and Arctic Oscillation (AO) in HS and LS years for the period of 1959–2013

圖2 1959～2013年冬季平均的F10.7 cm與ICQ的（a）時間序列圖，（b）散點圖及其分段線性趨勢線。在圖（a）中折線表示F10.7 cm，柱狀表示ICQ，實心圓和空心圓分別表示HS、LS年Fig. 2 The DJF-mean F10.7 cm and the intensity of East Asia Trough (EAT) (ICQ) for the period of 1959–2013: (a) Time series; (b) scatter diagram and its piecewise linear regression . In (a), the polyline represents F10.7 cm, histogram represents ICQ, and the filled/unfilled circles represent High/Low Solar (HS/LS) years, respectively

4 太陽活動變化對東亞冬季氣候的非對稱影響

上節(jié)對太陽活動變化與東亞大槽強度關(guān)系的分析初步表明，在太陽活動較強和較弱的時期其變化與東亞冬季氣候聯(lián)系的緊密程度可能是不同的。下面我們將從環(huán)流、氣溫、降水等方面進一步分析太陽活動變化與東亞冬季氣候關(guān)系的非對稱特征。圖3給出了太陽活動強、弱時期500 hPa高度場、850 hPa風(fēng)場以及海平面氣壓場與冬季平均F10.7 cm的相關(guān)系數(shù)的空間分布圖，顯而易見，強太陽活動時期東亞冬季環(huán)流與太陽活動的聯(lián)系遠強于弱太陽活動時期。此外，相比于 1959～2013年的普遍聯(lián)系（圖1），強太陽活動時期太陽活動年際變化與東亞區(qū)域各氣象要素場的關(guān)系也更為密切。在強太陽活動時期太陽活動變化與500 hPa高度場相關(guān)系數(shù)的空間分布圖上（圖3a），太陽活動變化與整個東北亞地區(qū)的高度場呈顯著的正相關(guān)，而與高緯度極地則呈相反地變化趨勢，這意味著當太陽活動變化異常偏強時，東北亞為正的位勢高度異常控制，東亞大槽減弱，而高緯度極地為負異常，極地低壓增強，緯向環(huán)流傾向于增強，而太陽活動較弱時期二者之間沒有顯著的直接聯(lián)系（圖3b）。與之相對應(yīng)，在850 hPa風(fēng)場上（圖3c），強太陽活動時期 F10.7 cm增強年份亞洲中高緯地區(qū)由顯著的偏南風(fēng)距平控制，這表明增強的太陽活動可能導(dǎo)致冬季風(fēng)的減弱，同時，當太陽活動異常偏強時，熱帶西北太平洋地區(qū)為顯著的西風(fēng)異常，東北信風(fēng)減弱。這種中、高緯強于低緯的環(huán)流異常型類似于Wang et al.（2010）提出的東亞冬季風(fēng)的北方模態(tài)，該模態(tài)受中高緯環(huán)流異常影響較大，與AO/NAO存在較高的相關(guān)。有所不同的是，北方模態(tài)被認為主要是由前期秋季的雪蓋異常以及北大西洋和印度洋的海溫異常引起的，而我們的研究則揭示其變化也可能受到增強的太陽活動的調(diào)制。此外，與圖1b比較可以注意到，在太陽活動活躍期，太陽活動變化與風(fēng)場的聯(lián)系無論是在空間范圍上還是在強度上都遠遠強于二者在近55年來平均狀況下的聯(lián)系，而太陽活動較弱時期，相關(guān)性僅僅局限于北極附近（圖3d）。圖3e給出了強太陽活動時期 F10.7 cm與海平面氣壓場的相關(guān)，可以看到，亞洲海平面氣壓隨著太陽活動的增強呈現(xiàn)南北偶極子型變化趨勢，中高緯度氣壓與太陽活動呈顯著的負相關(guān)，負相關(guān)中心位于亞洲西北部，同時，熱帶洋面上氣壓與太陽活動為顯著的正相關(guān)，最大相關(guān)系數(shù)高于0.5。這意味著當太陽活動變化為正異常時，西伯利亞高壓會明顯偏弱，與此同時熱帶洋面上氣壓偏高，這種氣壓配置會抑制冬季風(fēng)和冷涌活動。而在太陽活動不活躍的時期（圖3f），海平面氣壓與太陽活動變化幾乎不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖3 HS年（左列）和 LS年（右列）冬季平均氣象要素場與F10.7 cm的相關(guān)系數(shù)空間分布：（a、b）500 hPa高度場；（c、d）850 hPa風(fēng)場；（e、f）海平面氣壓場。等值線間隔：0.1，實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)；淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 3 Correlation between (a, b) 500-hPa geopotential height, (c, d) 850-hPa winds, (e, f) sea level pressure averaged for DJF from 1959 to 2013 and F10.7 cm. HS years (left), and LS years (right). Contour interval is 0.1, solid/dashed linesindicate positive/negative correlation. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

從上面的討論我們發(fā)現(xiàn)，太陽活動變化與東亞冬季大氣環(huán)流的關(guān)聯(lián)在強太陽活動時期非常密切，而在弱太陽活動時期這種關(guān)系相當微弱，太陽活動變化與大氣環(huán)流聯(lián)系的這種非對稱性也體現(xiàn)在其與近地面氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系中。在太陽活動較強的時期（圖4a），隨著太陽活動增強而減弱的冬季風(fēng)會使得東亞地區(qū)氣溫偏高，因此F10.7 cm與東亞大部分地區(qū)的氣溫呈顯著的正相關(guān)，在中緯地區(qū)的相關(guān)系數(shù)普遍達到0.4以上，最高相關(guān)系數(shù)甚至達到0.7以上，同時與低緯度減弱的東北信風(fēng)相匹配（圖3c），東南亞的部分地區(qū)有降溫出現(xiàn)，F(xiàn)10.7 cm與該區(qū)域氣溫呈負相關(guān)。而在太陽活動相對較弱時期（圖4b），盡管F10.7 cm與東亞高緯度氣溫呈正相關(guān)而與低緯度氣溫呈負相關(guān)，但基本未能通過顯著性檢驗。Miyazaki and Yasunari（2008）曾系統(tǒng)地分析了東亞冬季氣候變率的各個模態(tài)及其與環(huán)流異常和外強迫的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其中的第二模態(tài)，也就是所謂的“亞洲內(nèi)部模態(tài)”，呈現(xiàn)出明顯的年代際振蕩，并與太陽活動 11年周期密切相關(guān)。我們注意到，“亞洲內(nèi)部模態(tài)”在中高緯與圖4a給出的太陽活動變化與地面氣溫的相關(guān)分布較為相似，但這種聯(lián)系僅在強太陽活動時期成立，弱太陽活動時期東亞的氣溫和環(huán)流與太陽活動變化并無密切聯(lián)系（圖4b）。

圖5a、b分別給出了歐亞地區(qū)太陽活動強、弱時期其變化與降水相關(guān)關(guān)系的空間分布，從圖5a中可以發(fā)現(xiàn)，在強太陽活動時期，歐亞大陸 60°N附近的降水與太陽活動變化呈顯著正相關(guān)，青藏高原的西側(cè)至南側(cè)以及我國淮河至華南區(qū)域的冬季降水也呈現(xiàn)與太陽活動一致的變化趨勢，與此同時，海洋性大陸大部分地區(qū)的降水與太陽活動變化呈顯著負相關(guān)。然而在太陽活動較弱的時期（圖5b），整個東亞僅零星區(qū)域的降水與F10.7 cm有顯著相關(guān)，這可能與這期間太陽信號較弱，降水更多地受到太陽活動以外其他因素的影響有關(guān)（何溪澄等，2006；房巧敏等，2007；況雪源等，2008）。由此可見，與大氣環(huán)流的情形相對應(yīng)，太陽活動變化與歐亞冬季溫度和降水的聯(lián)系在太陽活動強、弱時期也顯示了非對稱的特征。

圖4 冬季平均近地面氣溫場與F10.7 cm的相關(guān)系數(shù)空間分布：（a）HS年，已略去絕對值小于0.3的等值線；（b）LS年。等值線間隔為0.1。實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)；淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 4 Correlation between the near-surface air temperature averaged for DJF and F10.7 cm: (a) HS years, only contours with the absolute values more than 0.2 have been plotted; (b) LS years. Contour interval is 0.1, and solid/dashed lines indicate positive/negative correlation. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

圖5 冬季平均降水量場與F10.7 cm的相關(guān)系數(shù)空間分布：(a) HS年；(b) LS年。打點區(qū)域通過了90%的信度檢驗Fig. 5 Correlation between the precipitation averaged for DJF and F10.7 cm: (a) HS years; (b) LS years. The dotted areas denote correlations above the 90%confidence level

5 可能機制討論

太陽對氣候影響的重要途徑之一是通過臭氧的光化學(xué)作用導(dǎo)致平流層溫度和環(huán)流異常，進而通過平流層—對流層耦合將異常信號傳播到對流層（Gray et al., 2010）。當太陽活動較強時，熱帶平流層上層溫度顯著升高（Crooks and Gray，2005；Frame and Gray，2010），從而加強了平流層的經(jīng)向溫度梯度，使得平流層副熱帶地區(qū)西風(fēng)加強，西風(fēng)急流增強通過調(diào)制行星波活動造成中高緯地區(qū)平流層—對流層的動力耦合更加強烈，AO亦隨著太陽活動的增強更為活躍（Kodera and Kuroda, 2002; Baldwin and Dunkerton, 2005; Kodera and Kuroda, 2005;Chen and Zhou, 2012）。因此，以下我們將通過分析緯向風(fēng)場來初步探討太陽活動強、弱時期其變化與東亞冬季氣候非對稱聯(lián)系的可能成因。

圖6給出了太陽活動強、弱時期冬季平均F10.7 cm與北半球緯向平均緯向風(fēng)的相關(guān)關(guān)系在緯度和高度剖面上的分布，從圖6a可見，在強太陽活動時期 60°N附近的緯向風(fēng)與太陽活動變化呈顯著正相關(guān)，即當太陽活動變化為正異常時，極鋒急流增強，表現(xiàn)出AO正位相特征，且這種信號從對流層一直延伸到平流層低層，陳文等（2013）指出平流層繞極西風(fēng)急流隨太陽活動的變化可能是導(dǎo)致冬季歐亞區(qū)域溫度異常南北反相變化的原因。同時副熱帶緯向風(fēng)隨著太陽活動的增強而減弱，對流層副熱帶急流的變化體現(xiàn)了歐亞大陸與西太平洋熱力差異的異常（況雪源等，2008）。而太陽活動相對較弱時期（圖6b），無論平流層還是對流層緯向風(fēng)與太陽活動變化的相關(guān)關(guān)系均不顯著。

圖7是北半球冬季平均F10.7 cm與E-P通量（箭頭）及其散度（等值線）的相關(guān)系數(shù)分布圖，進一步展示了太陽活動強、弱時期其年際變化與行星波傳播的聯(lián)系特征。在太陽活動活躍時期（圖7a），平流層E-P通量的水平分量與F10.7 cm呈顯著的負相關(guān)，即隨著太陽活動的增強平流層的行星波活動活躍，在水平方向上存在從極地向赤道的顯著異常傳播。同時，E-P通量散度在中緯度與太陽活動變化呈顯著負相關(guān)，而在高緯度平流層呈正相關(guān)，意味著當太陽活動變化呈正異常時，伴隨著行星波水平向赤道傳播的增強，高緯度地區(qū)出現(xiàn) E-P通量的異常輻散，從而波動強迫促使緯向西風(fēng)增強，而中緯度地區(qū)出現(xiàn)E-P通量的異常輻合，造成該區(qū)域緯向風(fēng)減弱，這與圖6a中副熱帶急流的減弱以及高緯度西風(fēng)的增強對應(yīng)。而在弱太陽活動時期（圖7b），E-P通量與10.7 cm太陽射電通量之間的聯(lián)系微弱，無大范圍顯著相關(guān)區(qū)，這可能是由于太陽活動弱的時期行星波更多的受其他因素的調(diào)制（傅曉衛(wèi)和許有豐，1994；劉毅等，2009；陸春暉，2011）。

圖6 冬季平均F10.7 cm與緯向平均緯向風(fēng)的相關(guān)系數(shù)分布：（a）HS年；（b）LS年。等值線間隔0.1，實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)。淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 6 Correlation between F10.7 cm averaged for DJF and the zonal-mean zonal winds: (a) HS years; (b) LS years. Contour interval is 0.1, and solid/dashed lines indicate positive/negative correlation. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

圖7 冬季平均F10.7 cm與E-P通量（箭頭）及其散度（等值線）的相關(guān)系數(shù)分布：（a）HS年；（b）LS年。等值線間隔0.2，實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)。淺色和深色陰影區(qū)域表示E-P通量通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 7 Correlation between F10.7 cm averaged for DJF and the Eliassen-Palm (E-P) flux (vector)、its divergence (contour): (a) HS years; (b) LS years.Contour interval is 0.2, and solid/dashed lines indicate positive/negative correlation. Light and heavy shading indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

以上討論表明，由于平流層行星波的傳播在太陽活動強、弱時期與太陽活動變化之間聯(lián)系的非對稱性，平—對流層AO對太陽活動的響應(yīng)也存在明顯差異。AO與太陽活動變化在太陽活動活躍時期呈顯著正相關(guān)，并通過平—對流層動力耦合使得大氣緯向環(huán)流對太陽活動變化產(chǎn)生響應(yīng)，從而引起對流層冬季季風(fēng)和氣候的異常變化；而在弱太陽活動時期這種聯(lián)系不明顯，表1中F10.7 cmAO指數(shù)的關(guān)系也支持這一結(jié)論，此外 AO與東亞大槽的聯(lián)系也與之一致。因此，在強、弱太陽活動時期 AO信號與太陽活動變化聯(lián)系的差異性是太陽活動與東亞冬季氣候存在非對稱性聯(lián)系的重要原因。

圖8 冬季平均F10.7 cm與海表面溫度的相關(guān)系數(shù)空間分布：（a）HS年；（b）LS年。等值線間隔0.1，絕對值小于0.2的等值線已略去。實線表示正相關(guān)，虛線表示負相關(guān)。淺色和深色陰影區(qū)域分別通過了90%、95%的信度檢驗Fig. 8 Correlation between F10.7 cm averaged for DJF and the sea surface temperature: (a) HS years; (b) LS years. Contour interval is 0.1, only contours with the absolute values more than 0.1 have been plotted, and solid/dashed lines indicate positive/negative correlation. Light and heavy shadings indicate the correlations exceeding the 90% and 95% confidence levels, respectively

過去的研究表明，除了中、高緯大氣環(huán)流異常外，海洋熱力差異的改變（尤其是熱帶地區(qū)海溫的異常）對東亞冬季氣候也存在顯著影響，布和朝魯和紀立人（1999）的研究表明強（弱）東亞冬季風(fēng)年的熱帶中西太平洋海表溫度為正（負）距平，海溫的異常作為熱力強迫，作用于熱帶外地區(qū)，會影響到東亞冬季風(fēng)的活動。我們注意到太陽活動與冬季西北太平洋海溫也有聯(lián)系（圖略），并且在太陽活動強、弱時期該區(qū)域海表溫度與太陽活動變化的相關(guān)關(guān)系也具有差異性。圖8a、b分別給出了太陽活動強、弱時期其變化與海表溫度相關(guān)系數(shù)的空間分布，在強太陽活動時期（圖8a），熱帶西北太平洋到中國南海為顯著負相關(guān)區(qū)，而在太陽活動不活躍的時期（圖8b），熱帶西北太平洋海溫與太陽活動變化沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，這與近地面氣溫對太陽活動的響應(yīng)一致（圖4）。如果用本文前面所用的ICQ高低值的典型年份做合成海溫場（圖略），同樣可以看到在中國南海和西北太平洋熱帶地區(qū)為顯著的海溫負異常，即東亞冬季風(fēng)弱年（相對于東亞冬季風(fēng)強年）熱帶西北太平洋海溫異常偏低，而北太平洋海溫偏高（李崇銀，1988）。然而，熱帶西北太平洋暖池海溫的變化究竟是冬季風(fēng)異常造成的后果還是太陽活動對低緯度地區(qū)海溫的直接影響，目前尚不清楚，還需要進一步的研究分析。

6 小結(jié)

本文在討論了太陽活動變化與東亞冬季大氣環(huán)流相關(guān)關(guān)系及其氣候效應(yīng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)10.7 cm太陽射電通量的高、低分析了強、弱太陽活動時期太陽活動變化與東亞冬季氣候聯(lián)系的非對稱性，并對其可能機制進行了探討。主要得出如下結(jié)論：

（1）太陽活動變化與東亞冬季大氣環(huán)流存在較好的相關(guān)關(guān)系，而且事實上太陽活動強、弱時期其變化與東亞冬季大氣環(huán)流的聯(lián)系具有顯著的非對稱性特征，太陽活動變化與東亞冬季氣候的相關(guān)性在太陽活動較強時期明顯強于太陽活動較弱時期,這種相關(guān)關(guān)系僅在太陽活動較強的時期顯著。

（2）在強太陽活動時期，隨著太陽活動的增強，冬季東亞中高緯對流層中層的大氣環(huán)流傾向緯向型，東亞大槽減弱，冷空氣活動較弱，東亞大部地區(qū)氣溫顯著偏高，中高緯降水增多；而在弱太陽活動時期，太陽活動的年際差異并不對應(yīng)東亞冬季大氣環(huán)流的顯著不同，二者之間幾乎不存在顯著聯(lián)系。

（3）強、弱太陽活動時期平流層行星波活動、熱帶西北太平洋海表溫度的差異可能是造成這種非對稱影響的重要原因。在強太陽活動時期，平流層行星波的水平傳播與太陽活動變化具有顯著的相關(guān)關(guān)系，隨著太陽活動的異常增強，高緯地區(qū)E-P通量輻散增強，平流層—對流層耦合導(dǎo)致中高緯度西風(fēng)及AO出現(xiàn)一致的正異常響應(yīng)，使得東亞大槽、西伯利亞高壓等冬季風(fēng)系統(tǒng)成員顯著偏弱，同時熱帶西北太平洋海溫異常偏冷，海陸熱力差異縮小，大氣環(huán)流經(jīng)向度的減弱，東亞冬季風(fēng)偏弱。

本文雖然揭示了太陽活動強、弱時期太陽活動變化與東亞冬季氣候的聯(lián)系具有顯著非對稱性的客觀事實，但對其機制僅僅進行了初步討論，一些問題還有待深入探討，如太陽活動對熱帶海溫的影響過程究竟如何，還需要做進一步的研究和探索。

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