全球大氣能量演變及其與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系

鄭丹宣，王 芬，何 寧

(1.重慶武隆仙女山機(jī)場(chǎng)，重慶 武隆 408500；2.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400；3.重慶市萬(wàn)州五橋機(jī)場(chǎng)，重慶 萬(wàn)州 404100)

1 引言

隨著氣候變暖的爭(zhēng)議進(jìn)入高潮[1]，國(guó)際上出現(xiàn)了氣候可能變冷的論調(diào)[2-3]，而且認(rèn)為這主要?dú)w結(jié)于太陽(yáng)活動(dòng)的減弱[4-6]。太陽(yáng)作為離地球最近的恒星，向地球提供著光和熱，是地球氣候系統(tǒng)最根本的能量源，同時(shí)，它也是空間天氣擾動(dòng)的主要源頭[7]。前人對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)以及太陽(yáng)黑子數(shù)的變化的研究也有許多[8]，同時(shí)就太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)ENSO事件這一熱點(diǎn)問(wèn)題的研究也有不少，而關(guān)于ENSO位相與太陽(yáng)黑子周期位相的關(guān)系，最近的一些研究結(jié)論是有差異的。White和Liu[9]注意到ENSO暖事件常與太陽(yáng)黑子峰年匹配，并且提出非線性位相鎖定能夠解釋赤道東太平洋SST變率的重要部分。但是，Meehl提出了相反的意見(jiàn)，Meehl等[10]研究發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)黑子峰年，對(duì)應(yīng)La Nia位相(ENSO冷事件)。Roy和Haigh[11]認(rèn)為，這種分歧的原因可能是由于太陽(yáng)黑子峰年一般超前于年代際的太陽(yáng)輻射峰年1 a左右。2006年，Ramaswamy等[12]發(fā)現(xiàn)，盡管地球表面對(duì)太陽(yáng)和溫室氣體強(qiáng)迫的響應(yīng)是相似的，但平流層和對(duì)流層對(duì)溫室氣體的響應(yīng)是相反的，這對(duì)從噪音中分離太陽(yáng)信號(hào)是有益的。太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球大氣能量的演變有影響嗎？二者之間有什么關(guān)系呢？于是，本文通過(guò)連續(xù)小波變換、連續(xù)功率譜分析、交叉小波分析和經(jīng)典交叉譜分析的方法，對(duì)全球大氣能量的演變周期以及太陽(yáng)常數(shù)與大氣能量?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列的共振周期和位相關(guān)系做了相關(guān)的研究，得到了結(jié)論。

本文利用1979—2010年間的JRA-25再分析資料、太陽(yáng)常數(shù)觀測(cè)資料，重現(xiàn)了1979—2010年間的各能量的時(shí)間序列，并對(duì)整層大氣、對(duì)流層大氣和平流層大氣這3個(gè)層次的能量的演變規(guī)律及其與太陽(yáng)活動(dòng)的位相關(guān)系進(jìn)行了分析?？紤]到平流層和對(duì)流層大氣的成分等要素各不相同，在探究全球大氣能量的演變與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系時(shí)，將大氣能量分為了平流層大氣能量、對(duì)流層大氣能量和整層大氣能量(平流層大氣能量和對(duì)流層大氣能量的總和)，對(duì)它們分別進(jìn)行了討論，初步得到了全球大氣能量演變周期以及全球大氣能量和太陽(yáng)常數(shù)的共振周期以及位相關(guān)系。

2 資料和方法

2.1 資料的選取及處理

2.1.1 JRA-25再分析資料 資料為JRA-25再分析資料，要素包括月平均地表氣壓，位勢(shì)高度，緯向風(fēng)，經(jīng)向風(fēng)，大氣溫度和比濕等。垂直方向23層，水平分辨率為1.25°×1.25°，空間范圍為全球。時(shí)間跨度為1979年1月—2010年12月，共計(jì)32 a。

2.1.2 太陽(yáng)常數(shù)逐日觀測(cè)資料 資料從網(wǎng)站(http://lasp.colorado.edu/home/sorce/data/太陽(yáng)常數(shù)-data/)下載，覆蓋時(shí)段為1979年1月—2010年12月的逐日資料，然后對(duì)其進(jìn)行了年平均處理，得到和能量等時(shí)間長(zhǎng)度的時(shí)間序列。

2.2 方法

2.2.2 譜分析 譜分析[15]在氣象中的應(yīng)用是十分廣泛的。連續(xù)功率譜分析多用于氣象要素時(shí)間序列的周期分析上，而交叉譜分析則多用于不同氣象要素場(chǎng)的相互關(guān)系研究上。本文用連續(xù)功率譜分析，探尋全球大氣能量的演變周期。同時(shí)對(duì)全球大氣能量和太陽(yáng)常數(shù)做了交叉譜分析，探尋了兩者間的共振周期。連續(xù)功率譜密度估計(jì)的公式:

2.2.3 小波分析 現(xiàn)在小波分析越來(lái)越多地被用于分析信號(hào)的周期特征, 因?yàn)樗梢缘玫綍r(shí)間序列周期和頻率特征的局部精細(xì)結(jié)構(gòu)。交叉小波分析[8]是小波分析方法的拓展, 可以用來(lái)分析兩個(gè)時(shí)間序列的共振周期及其位相關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 全球大氣能量的演變趨勢(shì)

本文將大氣能量分層成了整層大氣、對(duì)流層大氣和平流層大氣這3個(gè)層次，分別進(jìn)行討論和分析。圖1首先給出了1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后整層大氣能量的時(shí)間序列。從圖1可以看出，整層大氣的動(dòng)能、位能、內(nèi)能、總能量隨著時(shí)間的變化，均有一個(gè)上升的趨勢(shì)，其中動(dòng)能在20世紀(jì)90年代中期—2010年基本為增加的趨勢(shì)，在2010年達(dá)到最高值。位能呈現(xiàn)波動(dòng)較為規(guī)律，基本為“正負(fù)”交錯(cuò)。位能在1998年及2010年達(dá)到一個(gè)高值，低值出現(xiàn)在1993—1996年?？偰芰吭?998年之后上升較為明顯，在2010年、1998年達(dá)到峰值。這與王紹武[13]提出的“近30 a來(lái)，全球氣候顯著變暖”的觀點(diǎn)基本吻合。同時(shí)1997—1998年的厄爾尼諾事件在時(shí)間序列中也有體現(xiàn)。

圖1 1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后整層大氣能量的時(shí)間序列(a 動(dòng)能，b 位能，c 內(nèi)能，d 總動(dòng)能)Fig.1 The time series of the energy of the total atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)total energy

圖2給出了1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)流層大氣能量的時(shí)間序列。對(duì)流層處于整層大氣系統(tǒng)的下層，是最靠近人類(lèi)活動(dòng)區(qū)域的一層，也是大氣運(yùn)動(dòng)最復(fù)雜的氣層，無(wú)論是溫度還是水汽，對(duì)流層比平流層的擁有量更大，因此，對(duì)流層的能量的方差貢獻(xiàn)，也明顯高于平流層的能量的方差貢獻(xiàn)，對(duì)比圖1和圖2可以看到，對(duì)流層大氣的能量的時(shí)間序列走勢(shì)基本與整層大氣的能量的時(shí)間序列走勢(shì)一致。從圖2中可以看到，動(dòng)能、位能、內(nèi)能的時(shí)間序列均有一定的上升趨勢(shì)。其中在1998年，動(dòng)能、位能、內(nèi)能均達(dá)到峰值。

圖2 1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)流層大氣能量的時(shí)間序列(a 動(dòng)能，b 位能，c 內(nèi)能，d 總動(dòng)能)Fig.2 The time series of the energy of the troposphere atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)latent heat energy

圖3給出了1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后平流層大氣能量的時(shí)間序列。平流層處于整層大氣的上層，比起人類(lèi)活動(dòng)的影響，這一層受太陽(yáng)活動(dòng)的影響更大，人類(lèi)活動(dòng)的影響微乎其微。從圖中可以看到平流層的大氣動(dòng)能有一個(gè)弱的上升趨勢(shì)，相反，位能、內(nèi)能、總能量都有一個(gè)下降的趨勢(shì)，且動(dòng)能的波動(dòng)比較規(guī)律，同時(shí)位能、內(nèi)能、總能量在1993—1996年達(dá)到了低值。根據(jù)計(jì)算，平流層位能的方差貢獻(xiàn)占58.5%，內(nèi)能的方差貢獻(xiàn)占40.8%，而動(dòng)能、潛熱能的方差貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)。從圖3中還可以看出，平流層動(dòng)能有微弱的上升趨勢(shì)，但絲毫不影響總能量的下降趨勢(shì)，因?yàn)樵谄搅鲗诱挤讲钬暙I(xiàn)99.3%的動(dòng)能、內(nèi)能均有一個(gè)下降的趨勢(shì)，從而使得平流層的總能量也呈下降趨勢(shì)。

進(jìn)入工業(yè)革命以來(lái)，全球的溫室氣體排放增加。溫室氣體增加的輻射效應(yīng)，一方面造成地面和對(duì)流層變暖，另一方面卻導(dǎo)致平流層變冷。這在圖2和圖3的內(nèi)能時(shí)間序列可以得到佐證，與溫度相關(guān)的內(nèi)能，在平流層有一個(gè)下降趨勢(shì)，相反在對(duì)流層，內(nèi)能的時(shí)間序列有一個(gè)上升趨勢(shì)。王紹武[14]給出了一系列太陽(yáng)活動(dòng)減弱的證據(jù)，并根據(jù)1965 年以來(lái)各種與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān)指數(shù)的觀測(cè)，指出太陽(yáng)活動(dòng)已經(jīng)或即將回到20 世紀(jì)初期的低點(diǎn)，1920年以來(lái)的強(qiáng)太陽(yáng)活動(dòng)期(現(xiàn)代極大期)即將結(jié)束。宋斌[6]也指出太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)迫是造成全球變暖停滯的幾種外強(qiáng)迫中最重要的強(qiáng)迫。雖然本文的重點(diǎn)不在研究全球變暖。但是，太陽(yáng)活動(dòng)是否會(huì)影響大氣能量的演變，它們之間究竟有著怎樣一種聯(lián)系，是太陽(yáng)活動(dòng)超前于大氣能量的變化，還是大氣能量的變化超前于太陽(yáng)活動(dòng)呢，它們之間是否有共振周期，這些問(wèn)題，本文通過(guò)連續(xù)小波變換、連續(xù)功率譜分析、交叉小波分析和經(jīng)典交叉譜分析的方法做了相關(guān)的研究，為全球大氣能量演變及其與太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系的研究提供了一些科學(xué)論斷。

圖3 1979—2010年標(biāo)準(zhǔn)化后平流層大氣能量的時(shí)間序列(a 動(dòng)能，b 位能，c 內(nèi)能，d 總動(dòng)能)Fig.3 The time series of the energy of the stratosphere atmosphere by standardization,(a)kinetic energy,(b)potential energy,(c)internal energy,(d)total energy

3.2 全球大氣能量的演變周期

圖4 全球大氣能量的連續(xù)功率譜分析(藍(lán)色線條表示大氣能量的連續(xù)功率譜估計(jì)，紅色線條為置信度為95%的白色噪音過(guò)程檢驗(yàn)值，橫坐標(biāo)為周期(單位：a))Fig.4 The continuous power spectrum analysis of the total atmosphere energy,continuous power spectrum estimation (blue line) and the value of 95% confidence coefficient of white noise process inspection(red line),the unit of X-coordinate is year

3.3 全球大氣能量與太陽(yáng)常數(shù)的共振周期

根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]中的方法和程序，對(duì)全球大氣能量與太陽(yáng)常數(shù)的相互關(guān)系進(jìn)行小波分析和交叉譜分析。圖5首先給出全球大氣能量和太陽(yáng)常數(shù)的連續(xù)小波變換結(jié)果，從中可以看到，整層大氣和對(duì)流層大氣的總能量的連續(xù)小波變換的結(jié)果與之前的連續(xù)功率譜估計(jì)的結(jié)論一致，都存在一個(gè)顯著的4 a周期。而平流層并沒(méi)有得到11～22 a的顯著周期的結(jié)論。至于平流層的連續(xù)小波變換結(jié)果和之前的連續(xù)功率譜估計(jì)的結(jié)論不一樣，是因?yàn)樵趯?duì)平流層大氣總能量的進(jìn)行連續(xù)小波變換處理前，沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行濾波處理，4 a的強(qiáng)ENSO信號(hào)，掩蓋了11 a周期變化的特征。而太陽(yáng)常數(shù)的連續(xù)小波分析結(jié)果和太陽(yáng)常數(shù)的連續(xù)功率譜估計(jì)一致，并且均通過(guò)了顯著性為0.05的檢驗(yàn)。

圖5 全球大氣能量和太陽(yáng)常數(shù)的連續(xù)小波變換(a，整層大氣總能量；b，對(duì)流層大氣總能量；c，平流層大氣總能量；d，太陽(yáng)常數(shù)；粗實(shí)線表示通過(guò)0.05 顯著性檢驗(yàn)的臨界值，細(xì)實(shí)線表示連續(xù)小波變換的數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域)Fig.5 The continuous wavelet transform of atmosphere and the solar constant,(a)the continuous wavelet transform of the energy of total atmosphere ;(b)the continuous wavelet transform of the energy of troposphere atmosphere;(c)the continuous wavelet transform of the energy of stratosphere atmosphere;(d)the continuous wavelet transform of the solar constant;(the center area circling by the thick solid line is the critical value of passing the 0.05 significance testing,the border area signing by the thin solid line is the area of the data edge effect)

圖6為全球整層大氣總能量和太陽(yáng)常數(shù)的交叉小波分析結(jié)果。從圖中可以看到，整層大氣總能量和太陽(yáng)常數(shù)兩個(gè)時(shí)間序列通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的共振周期為8～11 a；對(duì)流層大氣總能量和太陽(yáng)常數(shù)兩個(gè)時(shí)間序列通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的共振周期同樣為8～11 a。兩個(gè)層次的大氣總能量和太陽(yáng)常數(shù)在此頻段上都表現(xiàn)出同位相的顯著共振關(guān)系，并且在8～11 a的尺度上無(wú)論是整層大氣總能量還是對(duì)流層大氣的總能量，大氣總能量的變化都超前于太陽(yáng)常數(shù)的變化。雖然還沒(méi)有足夠的證據(jù)解釋整層大氣的總能量的變化超前于太陽(yáng)常數(shù)的變化的原因，但是在兩個(gè)時(shí)間序列(總能量和太陽(yáng)常數(shù))的超前、落后關(guān)系上，平流層的交叉小波分析結(jié)果表明，平流層大氣對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)，與對(duì)流層大氣對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)是不同的。

圖6 全球整層大氣總能量和太陽(yáng)常數(shù)的交叉小波分析(a，整層大氣；b，對(duì)流層大氣；c，平流層大氣；粗實(shí)線表示通過(guò)0.05 顯著性檢驗(yàn)的臨界值,細(xì)實(shí)線表示交叉小波分析的數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域。箭頭由左指向右表示太陽(yáng)常數(shù)與全球大氣能量同位相，箭頭豎直指向下表示全球大氣能量的變化超前太陽(yáng)常數(shù)90°)Fig.6 The Cross wavelet analysis of the energy of the total atmosphere and the solar constant(a),the Cross wavelet analysis of the energy of the troposphere atmosphere and the solar constant(b),the Cross wavelet analysis of the energy of the stratosphere atmosphere and the solar constant(c),the center area circling by the thick solid line is the critical value of passing the 0.05 significance testing,the border area signing by the thin solid line is the area of the data edge effect ;the same phase of the solar constant and atmosphere energy signs by arrow from left to right,the phase of atmosphere is 90°ahead signing by arrow pointing to bottom vertically)

圖7為全球大氣總能量與太陽(yáng)常數(shù)的經(jīng)典交叉功率譜分析。從圖7a看到，全球大氣總能量與太陽(yáng)常數(shù)的經(jīng)典交叉功率譜通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的共振周期為4～11 a；對(duì)流層大氣通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的共振周期為5.5～7.3 a(圖7b)；平流層大氣通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的共振周期為3.7～11 a(圖7c)。對(duì)比圖6、圖7可以看到，交叉小波分析和經(jīng)典交叉譜分析的結(jié)果存在細(xì)微的差異，可以從以下兩個(gè)方面解釋?zhuān)阂环矫?，本文所選取的樣本基數(shù)為32 a(1979—2010年)，樣本基數(shù)自身較小，在進(jìn)行小波分析的時(shí)候，為了舍去誤差較大的數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響區(qū)，所得到的共振周期具有個(gè)例特征；另一方面，經(jīng)典交叉譜分析的結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的平均量意義，與小波分析有所不同。

圖7 全球大氣總能量與太陽(yáng)常數(shù)的經(jīng)典交叉功率譜分析(藍(lán)色線條)(紅色線條表示置信度為95%的白色噪音過(guò)程檢驗(yàn)值，橫坐標(biāo)為周期(單位：a))Fig.7 The result of the classic cross power spectrum analysis of the energy of the global atmosphere and the solar constant(blue line),the value of 95% confidence coefficient of white noise process inspection(red line),the unit of X-coordinate is year

4 結(jié)論和討論

①整層大氣的動(dòng)能、位能、內(nèi)能、總能量隨著時(shí)間的變化，均有一個(gè)上升的趨勢(shì)，其中動(dòng)能在20世紀(jì)90年代中期—2010年基本為增加的趨勢(shì)，在2010年達(dá)到最高值。對(duì)流層的大氣動(dòng)能、內(nèi)能、位能和總能量均有一個(gè)上升的趨勢(shì)。平流層里占方差貢獻(xiàn)較大的位能、內(nèi)能均有一個(gè)下降的趨勢(shì)，從而平流層的總能量有一個(gè)下降的趨勢(shì)。

②整層大氣的總能量和對(duì)流層大氣的總能量，兩者的功率譜估計(jì)的變化大體一致，都存在一個(gè)顯著的3.7 a的周期；而平流層大氣的總能量具有一個(gè)顯著的11～22 a的振蕩周期，這與太陽(yáng)活動(dòng)和太陽(yáng)磁場(chǎng)有著密切關(guān)系。同時(shí)，平流層大氣對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)，與對(duì)流層大氣對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)有所不同。平流層大氣的總能量略落后于太陽(yáng)常數(shù)，但是整層大氣和對(duì)流層大氣的總能量均是超前于太陽(yáng)常數(shù)。

③整層大氣、對(duì)流層大氣和平流層大氣這3個(gè)層次的總能量和太陽(yáng)常數(shù)分別具有顯著的4～11 a的共振周期、5.5～7.3 a的共振周期和3.7～11 a的共振周期。

盡管近幾十年來(lái)，對(duì)流層大氣的總能量有一個(gè)上升趨勢(shì)，但是相反的，受太陽(yáng)活動(dòng)影響更大的平流層，其總能量呈一個(gè)下降的趨勢(shì)。太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)全球大氣能量的影響依然是一個(gè)重要的科研問(wèn)題，全球氣候變暖的問(wèn)題依然受到爭(zhēng)議。