全球海溫對(duì)太陽(yáng)射電通量異常的響應(yīng)及其對(duì)降水的影響

周雅清, 宋燕 , 肖子牛, 張紅英

1 山西省晉中市氣象局, 山西 晉中 030600 2 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院, 北京 100081 3 中國(guó)科學(xué)研究院大氣物理研究所, 北京 100029 4 山西省長(zhǎng)治市氣象局， 山西 長(zhǎng)治 046000

0 引言

自從Dodson等(1974)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)射電通量(10.7 cm，2800 MHz)的日平均值與太陽(yáng)黑子數(shù)11a周期變化一致之后，由于太陽(yáng)射電通量的觀測(cè)精度優(yōu)于太陽(yáng)黑子數(shù)，人們常常用10.7 cm太陽(yáng)射電通量數(shù)值代替太陽(yáng)黑子數(shù).太陽(yáng)射電通量的觀測(cè)系統(tǒng)所得資料比太陽(yáng)黑子數(shù)的觀測(cè)要精確和客觀，與太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)的極大和極小值非常重合，位相幾乎完全相同，相關(guān)系數(shù)超過(guò)了0.9，信度水平在0.01以上(吳統(tǒng)文等,1989a,b).

太陽(yáng)輻射對(duì)地球氣候系統(tǒng)有顯著的影響(Haigh,1996; Svensmark,2007; 蔣樣明等,2011)，在幾十到百年時(shí)間尺度上，太陽(yáng)活動(dòng)異常曾經(jīng)對(duì)地球氣候產(chǎn)生較大影響(Nesme-Ribes,1995; Gray et al.,2009; Solomon et al.,2007)，與全球氣候變化之間存在著較為密切的聯(lián)系(Lean et al.,1995; Friis-Christensen and Lassen,1991; 竺可楨,1973; 趙娟等,1999; 湯懋蒼等,2001; 楊保等,2002; 陳星等,2005; 徐群,2010; 張亮等,2011; 顧震年,1991)，在對(duì)流層大氣和地表面氣象場(chǎng)中都留下了痕跡(Van Loon and Shea,2000; Lean and Rind,2001; Gleisner and Thejll,2003; Weng,2003; Coughlin and Tung,2004; Foukal et al.,2006).

海洋是地球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，其對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)有著較為明顯的響應(yīng)(Reid,1987,1991; White et al.,1997,1998; 曲維政,2004).科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，熱帶太平洋SST對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)11a周期的響應(yīng)具有La Nina型信號(hào)特征(Van Loon et al., 2007; Van and Meehl,2008; Meehl et al., 2008, 2009; Meehl and Arblaster,2009)，有的則發(fā)現(xiàn)弱的El Nino的信號(hào)(White et al.,1997,1998; Tung and Zhou,2010; Roy and Haigh,2010)，這些研究成果的差異，除去對(duì)數(shù)據(jù)的處理方法不同之外(Van Loon and Meehl, 2008; Tung and Zhou,2010)，很有可能是強(qiáng)的ENSO年際信號(hào)強(qiáng)于太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)所致(Roy et al.,2012).所以，研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候影響最好去除ENSO強(qiáng)信號(hào)的污染和干擾.本文在處理SRF對(duì)海溫影響的時(shí)候采用了5a滑動(dòng)平均的方法，以達(dá)到去除ENSO信號(hào)干擾的目的.

降水作為一個(gè)較為敏感的氣候要素，與溫度相比要復(fù)雜得多，受到各種因子的影響，其中太陽(yáng)活動(dòng)和海溫就是比較重要的兩個(gè)物理因子.很多研究表明，太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)全球各地的降水有著不可忽視的影響(Zhao and Wang, 2014; Zhao et al.,2017; 宋燕,2016a,b; 劉廣深等,1996; 賈鵬群等,2001; 丁一匯,2019; Ma et al., 2007; 潘靜等,2010; 段長(zhǎng)春和孫績(jī)?nèi)A,2006; 董安祥等,1999).海溫對(duì)降水的影響研究結(jié)果更為豐富，其中ENSO對(duì)全球和中國(guó)降水研究文獻(xiàn)較多(李海燕等,2016; 金祖輝和陶詩(shī)言,1999; 伍紅雨和吳遙,2018; 董婕和劉麗敏,2000; 強(qiáng)學(xué)民和楊修群,2013; 趙永晶和錢(qián)永甫,2009; 吳洪寶和段安民,1998; 趙強(qiáng)和嚴(yán)華生,2014; 王澄海等,2002).

但是太陽(yáng)活動(dòng)如何通過(guò)對(duì)全球海溫的影響，進(jìn)而影響全球降水，這個(gè)研究領(lǐng)域鮮有人涉及.本文通過(guò)研究太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)不同全球垂向海溫的影響，得到對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)顯著的海溫區(qū)域，檢測(cè)其太陽(yáng)活動(dòng)11a周期信號(hào)，然后定義一個(gè)海溫異常指數(shù)，研究海溫異常指數(shù)對(duì)全球和中國(guó)冬、夏季降水的影響.

1 資料和方法

1.1 資料

本文采用表征太陽(yáng)活動(dòng)的參數(shù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋局(NOAA)數(shù)據(jù)中心的10.7 cm(2800 MHz)太陽(yáng)射電通量數(shù)據(jù)(SRF),網(wǎng)址是http:∥www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/solar.data,其單位為sfu(1sfu=10-22W·m-2·Hz-1)(1947—2016年).海溫距平資料源自美國(guó)國(guó)家海洋地理數(shù)據(jù)中心(NODC)的WOA09數(shù)據(jù)集(World Ocean Atlas, http:∥www.nodc.noaa.gov)(1955—2016年)，格點(diǎn)分辨率為1°×1°，垂向包括0～700 m和0～2000 m兩套水深，本文用的是垂向0～700 m海溫資料，經(jīng)過(guò)5a滑動(dòng)平均處理.全球降水資料為NOAA的CMAP月降水率資料(CPC merged analysis of precipitation)(1979/1—2017/9)，格點(diǎn)分辨率為2.5點(diǎn)×2.5點(diǎn).NCEP海洋位溫資料來(lái)自GODAS(Global ocean data assimilation system)的月位溫資料(1981/1—2017/12)，T62高斯格點(diǎn)，垂直方向分為40層.

1.2 方法

(1)功率譜方法介紹

功率譜分析是以傅里葉變換為基礎(chǔ)的頻域分析方法，其意義為將時(shí)間序列的總能量分解到不同頻率上的分量，根據(jù)不同頻率波的方差貢獻(xiàn)診斷出序列的主要周期，從而確定周期的主要頻率，即序列隱含的顯著周期.

對(duì)于一個(gè)時(shí)間序列xt，最大滯后時(shí)間長(zhǎng)度為m的自相關(guān)系數(shù)r(j)(j=0,1,2,…,m)為

(1)

(2)

式中r(j)表示第j個(gè)時(shí)間間隔上的相關(guān)函數(shù).本文最大滯后時(shí)間長(zhǎng)度m取為21，時(shí)間序列為距平場(chǎng).

對(duì)上述方法得到的譜估計(jì)采用Hanning平滑系數(shù)進(jìn)行平滑處理，得到平滑譜估計(jì)值.

(3)

用紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)譜估計(jì)作顯著性檢驗(yàn).假設(shè)總體譜是某一隨機(jī)過(guò)程的譜，記為E(s)，則

(4)

公式(4)遵從自由度為υ的2分布.自由度υ與樣本量n及最大滯后長(zhǎng)度m有關(guān)，即

(5)

給定顯著性水平α，查2分布表得到值.計(jì)算

(6)

若譜估計(jì)值sk>s′0k，則表明k波數(shù)對(duì)應(yīng)的周期波動(dòng)是顯著的.本文?取0.05.

以上方法引自《現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)》(魏鳳英，2007).

(2)CMD方法介紹

CMD方法通常用來(lái)推斷對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的氣候要素場(chǎng)的空間分布型(Camp and Tung, 2007)，在本文中通過(guò)運(yùn)用CMD方法計(jì)算獲得太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年氣候要素差值場(chǎng)的空間分布型，即將SRF標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值大(小)于零的年份劃歸為太陽(yáng)活動(dòng)高(低)年，從而得到兩組對(duì)應(yīng)太陽(yáng)活動(dòng)高低年的氣候要素?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算兩組數(shù)據(jù)的差值，從而得到氣候要素對(duì)SRF響應(yīng)的空間分布.

2 結(jié)果分析

2.1 全球海溫原始資料對(duì)太陽(yáng)射電通量的響應(yīng)

事實(shí)表明，1947—2016年太陽(yáng)射電通量(SRF)與太陽(yáng)總輻射(Total Solar Irradiance,縮寫(xiě)為T(mén)SI)相關(guān)系數(shù)是0.92，為顯著的正相關(guān)關(guān)系，通過(guò)0.001的顯著性檢驗(yàn).因此，用SRF代表太陽(yáng)活動(dòng)是合適的.首先，將SRF序列標(biāo)準(zhǔn)化(圖1)，根據(jù)SRF的標(biāo)準(zhǔn)化量值將1955—2016年共62 a時(shí)間序列分為太陽(yáng)活動(dòng)高值年和低值年兩類(lèi).前者包括SRF標(biāo)準(zhǔn)化后量值>0的25 a，后者包括SRF標(biāo)準(zhǔn)化后量值<0的37 a.然后采用合成平均差(將全球各格點(diǎn)海溫距平按照太陽(yáng)活動(dòng)高值年和低值年分為兩組，計(jì)算兩組的平均值之差)，得到全球0～700 m各層海溫對(duì)太陽(yáng)輻射變化的響應(yīng)空間分布模態(tài)(圖略)，發(fā)現(xiàn)其中0～200 m的響應(yīng)比較顯著，深于200 m的各層海溫反應(yīng)不很明顯，因此，給出全球0～200 m各層海溫距平對(duì)SRF的響應(yīng)累加值空間分布模態(tài)，如圖2所示.

圖1 太陽(yáng)射電通量SRF的標(biāo)準(zhǔn)化序列(1955—2016年)Fig.1 The normalized Solar Radio Flux during 1955—2016

圖2 全球0～200 m海溫距平對(duì)太陽(yáng)射電通量(SRF)響應(yīng)的合成平均差值(CMD).A區(qū)域和B區(qū)域分別是海溫對(duì)太陽(yáng)輻射響應(yīng)顯著的區(qū)域，暖色為正響應(yīng)，冷色為負(fù)響應(yīng)Fig.2 The composite mean difference (CMD) of global 0～200 m sea temperature anomaly response to SRF. Region A and Region B stand for the two areas where sea temperature respond to solar radiation significantly. Region A is the negative-responding area while Region B is the positive-responding area

從圖2可以看出，海溫對(duì)太陽(yáng)射電通量的響應(yīng)具有空間分布的不均勻性，熱帶太平洋上有兩個(gè)對(duì)SRF響應(yīng)顯著的海溫區(qū)域，即A區(qū)域(125—160°E，0—20°N)和B區(qū)域(160°E—130°W，10°S—10°N)，與Wang等(2015)利用海洋熱容量資料所檢測(cè)到的對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)顯著的區(qū)域非常一致.這種響應(yīng)強(qiáng)弱的空間分布不均勻可能是太陽(yáng)與地球氣候系統(tǒng)的非線性相互作用導(dǎo)致的，使得局部海溫對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)有顯著的影響(Christoforou and Hameed,1997).為了檢測(cè)A區(qū)和B區(qū)是否具有與太陽(yáng)活動(dòng)同樣的11a周期，我們做了功率譜分析和紅噪聲顯著周期檢驗(yàn)，結(jié)果表明，海溫顯著異常A區(qū)域沒(méi)有11a顯著周期，而B(niǎo)區(qū)域具有近似10a的顯著性周期，并且通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，如圖3所示.

圖3 海溫異常A區(qū)域(a)和B區(qū)域(b)的功率譜分析和紅噪聲顯著周期檢驗(yàn)Fig.3 Red noise significant test for the sea temperature anomalies and power spectrum analysis of Region A and Region B

從圖3可以看出，A區(qū)域和B區(qū)域都存在3～4 a的顯著周期信號(hào)，毋庸置疑，這是ENSO強(qiáng)信號(hào)的主周期.在分析太陽(yáng)活動(dòng)的影響時(shí)，應(yīng)該去除海溫中ENSO的強(qiáng)年際信號(hào)，更加突出太陽(yáng)活動(dòng)的影響.為此，我們對(duì)全球海溫距平數(shù)據(jù)進(jìn)行了5 a滑動(dòng)平均，以去除ENSO信號(hào).

2.2 去除ENSO信號(hào)影響后全球海溫對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)

將全球海溫距平場(chǎng)進(jìn)行5 a滑動(dòng)平均后，我們得到1957—2014年共58a的全球海溫距平時(shí)間序列資料.同樣地，將SRF標(biāo)準(zhǔn)化后量值>0的24 a和SRF標(biāo)準(zhǔn)化后量值<0的34 a作為太陽(yáng)活動(dòng)高值年和低值年.然后采用合成平均差(將全球各格點(diǎn)海溫距平按照太陽(yáng)活動(dòng)高值年和低值年分為兩組，計(jì)算兩組的平均值之差)，得到全球海平面以下0～700 m共8層海溫異常對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的合成差場(chǎng)圖，如圖4所示.

圖4 經(jīng)過(guò)5 a滑動(dòng)平均后的全球海溫距平對(duì)太陽(yáng)射電通量響應(yīng)的合成差場(chǎng)(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f) 、(g)、(h)分別對(duì)應(yīng)海溫垂向0 m、100 m、200 m、300 m、400 m、500 m、600 m、700 m.Fig.4 The composite mean difference (CMD) derived spatial pattern of global sea temperature anomalies responded to SRF after 5-year running mean(a) (b), (c), (d), (e), (f), (g) and (h) correspond to the sea temperature anomaly of 0 m, 100 m, 200 m, 300 m, 400 m, 500 m, 600 m and 700 m below the sea surface respectively.

由圖4可以看出，各層海溫對(duì)太陽(yáng)輻射的響應(yīng)空間模態(tài)表明0～200 m海溫對(duì)太陽(yáng)射電通量的響應(yīng)比較強(qiáng)，尤其是100 m海溫異常最為顯著，而200 m以下海溫對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)就變得比較弱了.100 m熱帶太平洋上海溫異常存在A區(qū)域(120—150°E，0—20°N)和B區(qū)域(120—170°W，5°S—10°N)兩個(gè)響應(yīng)的顯著區(qū)域，前者為海溫異常的負(fù)值響應(yīng)區(qū)，后者為海溫異常的正值響應(yīng)區(qū).經(jīng)過(guò)功率譜檢測(cè)A區(qū)和B區(qū)的年序列顯著性周期發(fā)現(xiàn)，A區(qū)域的顯著性周期分別為17a、11.3a、3.4a；B區(qū)域的顯著性周期為17a、11.3a和8.5a.可見(jiàn)，兩個(gè)區(qū)域都存在太陽(yáng)活動(dòng)的11.3a周期.因此，熱帶太平洋地區(qū)海溫存在對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的顯著響應(yīng).

由于0～200 m對(duì)SRF的響應(yīng)比較顯著，我們將0～200 m層海溫異常累加起來(lái)分析其對(duì)SRF高值年和低值年響應(yīng)的合成差場(chǎng)，結(jié)果如圖5所示.圖中顯示太平洋有6個(gè)對(duì)SRF顯著響應(yīng)的海溫異常區(qū)域，分別是A、B、C、D、E、F區(qū)域，其中B、D、F區(qū)域是對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的正響應(yīng)，A、C、E區(qū)域?yàn)樨?fù)響應(yīng)；南印度洋有2個(gè)顯著區(qū)域，分別是G區(qū)域和H區(qū)域，前者是正響應(yīng)，后者是負(fù)響應(yīng)；南大西洋有2個(gè)顯著區(qū)域，分別是I區(qū)域和J區(qū)域，其中J區(qū)域是正響應(yīng)，I區(qū)域是負(fù)響應(yīng).全球海溫共有10個(gè)顯著響應(yīng)的區(qū)域.

圖5 經(jīng)過(guò)5 a滑動(dòng)平均后的全球海洋0～200 m海溫距平累加對(duì)太陽(yáng)射電通量響應(yīng)的合成差場(chǎng).A—J區(qū)域分別是海溫對(duì)太陽(yáng)輻射響應(yīng)顯著的區(qū)域，暖色為正響應(yīng)，冷色為負(fù)響應(yīng)Fig.5 The composite mean difference (CMD) of the global ocean 0～200 m accumulated sea temperature anomalies responded to SRF after 5-year running mean. The Boxes A—J are the regions with significant responses to SRF,with the warm colors as the positive responses and the cold colors as the negative responses

圖5中10個(gè)顯著響應(yīng)區(qū)域的范圍和顯著周期如表1所示，其中B、D、F、G、J為正響應(yīng)顯著區(qū)，而A、C、E、H、I為負(fù)響應(yīng)顯著區(qū).

表1 全球海洋0～200 m海溫距平累加對(duì)太陽(yáng)射電通量響應(yīng)的顯著區(qū)域范圍和顯著周期Table 1 Ranges and periods of high-responding regions to SRF of 0～200 m accumulated global sea temperature anomalies

從表1可以看出，全球十個(gè)顯著的響應(yīng)區(qū)域中有6個(gè)區(qū)域可以檢測(cè)出與太陽(yáng)活動(dòng)相近的11.3a顯著周期，并都通過(guò)了紅噪聲95%的信度檢驗(yàn).這6個(gè)區(qū)域分別是A、C、D、E、I、J區(qū)域，前4個(gè)在太平洋，后2個(gè)在南大西洋，南印度洋的兩個(gè)顯著區(qū)域不具有顯著的11a周期，太平洋的B區(qū)和F區(qū)域也不具有太陽(yáng)活動(dòng)11a顯著周期.利用NCEP再分析海溫資料進(jìn)行同樣的分析，得到類(lèi)似的結(jié)果(圖略)，說(shuō)明所得結(jié)論是可靠的.

選取發(fā)生在熱帶太平洋的海溫負(fù)、正響應(yīng)顯著區(qū)域，即A、D區(qū)域進(jìn)一步分析太陽(yáng)活動(dòng)的11a周期信號(hào).首先將這兩個(gè)區(qū)域的海溫距平沿經(jīng)向展開(kāi)(如圖6所示)，兩個(gè)區(qū)域的海溫距平都表現(xiàn)出準(zhǔn)11a的周期振蕩信號(hào).對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行功率譜分析(圖7)，可見(jiàn)兩個(gè)區(qū)域的平均海溫距平都具有11a左右的顯著周期，均通過(guò)了紅噪聲95%信度水平的檢驗(yàn).說(shuō)明這2個(gè)區(qū)域的海溫對(duì)SRF的異?；顒?dòng)比較敏感，反應(yīng)比較明顯.

圖6 圖5中熱帶太平洋A(a)、D(b)區(qū)域0～200 m海溫距平時(shí)間-經(jīng)向剖面圖Fig.6 Time-longitudinal diagram of 0～200 m accumulated sea temperature anomalies of Region A (a) and Region D (b) in the tropical central Pacific Ocean in Fig.5

圖7 圖5中熱帶太平洋A(a)、D(b)區(qū)域0～200 m海溫的功率譜分析(實(shí)線為譜估計(jì)值，虛線為α=0.05的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜)Fig.7 Power spectrum of 0～200 m accumulated sea temperature anomalies in Region A (a) and Region D (b) of tropical Pacific Ocean in Fig.5(the solid line is the actual estimated spectrum, and the dotted line is the red noise standard spectrum with α=0.05)

現(xiàn)在我們?cè)侔涯媳碧窖笾胁康貐^(qū)的2個(gè)顯著區(qū)域C和E海溫距平沿經(jīng)向展開(kāi)(如圖8所示)，兩個(gè)區(qū)域的海溫距平也能發(fā)現(xiàn)較為明顯的準(zhǔn)11a周期振蕩信號(hào)，E區(qū)有明顯的年代際變化，在1991年之前11a周期信號(hào)比較顯著，而1991年之后11a周期信號(hào)比較弱，可能與太陽(yáng)活動(dòng)第24個(gè)周期峰值較弱有關(guān)系.

圖8 圖5中南北太平洋中部地區(qū)C區(qū)域(a)、E區(qū)域(b)0～200 m海溫距平時(shí)間-經(jīng)向剖面圖Fig.8 Time-longitudinal diagram of 0～200 m accumulated sea temperature anomalies of Region C (a) in the northern central Pacific Ocean and Region E (b) in the southern central Pacific Ocean in Fig.5

2004年曲維政北太平洋中部地區(qū)400 m深海溫度異常的功率譜分析表明其具有太陽(yáng)活動(dòng)的11a周期信號(hào).在這里我們對(duì)C區(qū)和E區(qū)的海溫異常進(jìn)行功率譜分析，也發(fā)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的平均海溫距平都具有11a左右的顯著周期(如圖9所示).證明這2個(gè)區(qū)域的海溫對(duì)SRF的響應(yīng)也比較敏感.

圖9 南北太平洋中部地區(qū)C、E區(qū)域0～200 m海溫的功率譜(a、b分別對(duì)應(yīng)C、E區(qū)域，實(shí)線為譜估計(jì)值，虛線為α=0.05的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜)Fig.9 Power spectrum of 0～200m accumulated sea temperature anomalies in Region C (a) in the northern central Pacific Ocean and Region E (b) in the southern central Pacific Ocean in Fig.5(the solid line is the actual estimated spectrum, and the dotted line is the red noise standard spectrum with α=0.05)

同樣地，我們分析了大西洋I區(qū)域和J區(qū)域的0～200 m海溫距平時(shí)間-經(jīng)向剖面圖(圖略)，得出了類(lèi)似的結(jié)論，在此不再贅述.

2.3 顯著響應(yīng)太陽(yáng)活動(dòng)的海溫異常對(duì)全球降水的影響

根據(jù)上節(jié)研究得到的對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)活動(dòng)顯著響應(yīng)的全球海溫異常區(qū)域，定義一個(gè)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)顯著響應(yīng)的海溫異常指數(shù)Z=STD+STJ-STA-STC-STE-STI,其中STD、STJ、STA、STC、STE、STI分別為D、J、A、C、E、I區(qū)域0～200 m海溫距平的5a滑動(dòng)區(qū)域平均值,得到其時(shí)間序列和趨勢(shì)線如圖10所示，可以看出，其年代際變化比較顯著，表現(xiàn)在1995年之前，指數(shù)振蕩比較平穩(wěn)，趨勢(shì)不明顯，但是在1995年之后，其具有明顯的下降趨勢(shì).總體來(lái)看，指數(shù)具有顯著的下降趨勢(shì)，說(shuō)明海溫響應(yīng)的強(qiáng)度在近20a來(lái)明顯變?nèi)?，以?fù)位相為主.海溫異常指數(shù)與SRF曲線非常吻合，去趨勢(shì)前和去趨勢(shì)之后與SRF同期相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn).可以看出，SRF比海溫異常指數(shù)有明顯的超前，滯后1年的相關(guān)系數(shù)同樣通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn).

圖10 海溫異常指數(shù)Z的標(biāo)準(zhǔn)化曲線(黑色實(shí)線)和去趨勢(shì)后的曲線(黑色粗點(diǎn)線)、趨勢(shì)線(黑色虛線)、零線(黑色細(xì)點(diǎn)線)和SRF標(biāo)準(zhǔn)化序列(紅色實(shí)線)Fig.10 The annual-mean normalized sea temperature anomalies index Z (black solid line) and detrended index Z (black dotted line)，index Z trend line (black dashed line), zero line (light dotted line) and normalized SRF (red solid line)

將海溫異常指數(shù)Z與全球夏季降水率(全部經(jīng)過(guò)5a滑動(dòng)平均)求取同期和滯后1年的相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的空間分布如圖11所示，陰影區(qū)是通過(guò)90%信度水平的區(qū)域.

圖11 海溫異常指數(shù)Z與全球夏季降水率同期(a)和滯后1年(b)的相關(guān)系數(shù)(小圖為青藏高原地區(qū))，其中陰影區(qū)是達(dá)到90%信度水平的顯著異常區(qū)，實(shí)線是0.5等值線，虛線是-0.5等值線Fig.11 Synchronization (a) and lag (b) correlation of sea temperature anomaly index Z and summer precipitation (the mini pictures show that in the Tibetan plateau area), (the shaded areas are those with over 90% confidence level, the solid line is 0.5 isoline, and the dotted line is -0.5 isoline)

從圖11可以看出，太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常，對(duì)同期和滯后1年的夏季降水的影響有相似的空間分布型，在熱帶中部太平洋和東南太平洋地區(qū)造成較為豐富的降水，南北半球太平洋中高緯度地區(qū)降水也偏多，南極地區(qū)降水顯著偏少.這種降水分布與海溫異常對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)(圖5)相對(duì)應(yīng)，在熱帶中太平洋正的海溫異常的區(qū)域?qū)?yīng)豐富的夏季降水，在冷異常海溫的南極地區(qū)對(duì)應(yīng)少的降水，在南北兩個(gè)半球中高緯度地區(qū)較暖的海溫異常對(duì)應(yīng)多的夏季降水.Von Loon和Meehl(2011) 研究結(jié)果表明，太陽(yáng)活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí)，Hadley環(huán)流偏強(qiáng)，熱帶降水偏多；副極地低壓帶氣壓偏低、降水偏多；南極濤動(dòng)偏弱，南極地區(qū)夏季降水偏少.但是也有不一致的的地方，反映在熱帶太平洋海溫異常分布有偏差，西太平洋地區(qū)海溫異常為負(fù)值，中太平洋地區(qū)是正值，東太平洋地區(qū)又是負(fù)值(圖2和圖5)，類(lèi)似于中部型厄爾尼諾事件造成的對(duì)流偶極子分布.以上偏差的原因可能是所用的資料和方法不同，本文太陽(yáng)活動(dòng)數(shù)據(jù)用的是SRF(Van Loon用的是太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù))，海溫為不同層次海溫的累加，圖11所用是夏季降水資料，而Van Loon等人用的是冬季降水資料.

另外，從圖11可以看出，太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常對(duì)中國(guó)地區(qū)夏季降水的顯著影響集中在某些地區(qū)，比如江南東部地區(qū)福建、浙江和臺(tái)灣地區(qū)一帶、山東半島、青藏高原中部和東北部地區(qū)，都是降水減少比較顯著的區(qū)域，說(shuō)明由太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常在這些地區(qū)可以放大太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)，從而對(duì)夏季降水產(chǎn)生影響.在做短期夏季降水預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)該注意太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)這些地區(qū)降水的影響.

同樣，太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常，對(duì)同期和滯后1年的冬季降水的影響有相似的空間分布型(圖12)，在熱帶中部太平洋和東南太平洋地區(qū)造成較為豐富的降水，赤道西太平洋降水明顯偏少.北極地區(qū)降水顯著偏多，類(lèi)似于北極濤動(dòng)的正位相降水.這種降水分布與海溫異常對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)的熱帶分布(圖5)相對(duì)應(yīng)，熱帶西太平洋和孟加拉灣負(fù)的海溫異常對(duì)應(yīng)較少的降水，在南北兩個(gè)半球中高緯度地區(qū)較暖的海溫異常對(duì)應(yīng)多的降水.

圖12 海溫異常指數(shù)Z與全球冬季降水率同期(a)和滯后1年(b)的相關(guān)系數(shù)，其中陰影區(qū)是達(dá)到90%信度水平的顯著異常區(qū)，實(shí)線是0.5等值線，虛線是-0.5等值線Fig.12 The same as Fig.11 but for winter

圖12分別是海溫異常指數(shù)Z與全球冬季降水率(5a滑動(dòng)平均)同期(圖12a)和滯后1年(圖12b)的相關(guān)系數(shù)的空間分布.從圖12可以看出，太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常對(duì)中國(guó)地區(qū)冬季降水的影響也集中在某些地區(qū)，比如華南地區(qū)廣西和廣東西部、海南一帶降水增多，東北地區(qū)降水減少，青藏高原地區(qū)降水顯著增加，說(shuō)明由太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常在這些地區(qū)可以放大太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)，從而對(duì)冬季降水產(chǎn)生影響.青藏高原地區(qū)海拔高度較高，冬季降水以降雪為主，因此，太陽(yáng)活動(dòng)造成的結(jié)果是太陽(yáng)活動(dòng)高值年通過(guò)對(duì)海溫的影響造成冬季高原積雪增加，這與宋燕等(2016a,b)和Li等(2016)所指出的冬季太陽(yáng)射電通量與高原冬春季積雪正相關(guān)的研究結(jié)果是一致的.

3 結(jié)論

根據(jù)以上研究結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)全球海溫異常對(duì)太陽(yáng)射電通量的響應(yīng)在某些區(qū)域比較顯著，在去掉了ENSO較強(qiáng)的年際信號(hào)之后，結(jié)論仍然成立.這些顯著響應(yīng)的海溫，可以進(jìn)一步影響同期和滯后1年的夏季降水，從而放大太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)，對(duì)全球降水異常產(chǎn)生影響.具體結(jié)論如下：

(1)全球海洋不同層次的海溫距平對(duì)太陽(yáng)輻射響應(yīng)有所不同，其中0～200 m深度的海溫對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)更為顯著，200 m以下的海溫對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的響應(yīng)明顯減弱.功率譜分析表明，在太平洋、大西洋和印度洋地區(qū)都存在響應(yīng)太陽(yáng)活動(dòng)的顯著區(qū)域，其中熱帶太平洋和南北半球的太平洋中部地區(qū)海溫異常、南大西洋地區(qū)共6個(gè)海溫異常區(qū)域具有顯著的太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)11a周期信號(hào)，這些區(qū)域海溫距平的時(shí)間-經(jīng)向剖面圖顯示，海溫異常具有較為明顯的11a振蕩現(xiàn)象，說(shuō)明這些區(qū)域的海溫異常確實(shí)受到了太陽(yáng)活動(dòng)的影響.

(2)利用對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)活動(dòng)顯著響應(yīng)的全球海溫異常區(qū)域，定義一個(gè)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)顯著響應(yīng)的海溫異常指數(shù)Z=STD+STJ-STA-STC-STE-STI，其具有明顯的年代際變化和1995年以來(lái)顯著的下降趨勢(shì)，由正位相轉(zhuǎn)為負(fù)位相.

(3)計(jì)算海溫異常指數(shù)Z與全球夏季降水同期和滯后1年的相關(guān)系數(shù)空間分布發(fā)現(xiàn)，對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)有顯著響應(yīng)的海溫異?？梢砸馃釒窖笾胁康貐^(qū)的降水增多，南北半球中高緯地區(qū)降水增加，呈帶狀分布.說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)通過(guò)對(duì)海溫的影響會(huì)造成ITCZ降水和副極地低壓帶降水的增加，但是南極地區(qū)降水顯著減少.另外，我國(guó)江南東部地區(qū)、山東半島、青藏高原中部和東北部地區(qū)也是顯著響應(yīng)的地區(qū)，在太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)的時(shí)期降水有明顯的減少.

(4)海溫指數(shù)與全球冬季降水同期和滯后1年的相關(guān)系數(shù)空間分布發(fā)現(xiàn)，指數(shù)高時(shí)，熱帶中部太平洋和東南太平洋地區(qū)降水增多，赤道西太平洋降水明顯偏少.北極地區(qū)降水顯著偏多，類(lèi)似于北極濤動(dòng)的正位相降水.另外，熱帶西太平洋和孟加拉灣降水減少，南北兩個(gè)半球中高緯度地區(qū)降水增多.中國(guó)地區(qū)冬季降水異常表現(xiàn)在，華南地區(qū)廣西和廣東西部、海南一帶降水增多，東北地區(qū)降水減少，青藏高原地區(qū)降水顯著增加.

以上的分析說(shuō)明，由太陽(yáng)活動(dòng)造成的海溫異常在這些地區(qū)可以放大太陽(yáng)活動(dòng)的信號(hào)，進(jìn)而對(duì)全球降水產(chǎn)生影響.由此可見(jiàn)，全球海溫某些區(qū)域?qū)μ?yáng)活動(dòng)有較為顯著的響應(yīng)，并且通過(guò)這些異常的響應(yīng)對(duì)全球降水有明顯的影響，從而放大太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)氣候系統(tǒng)的影響.但是，太陽(yáng)活動(dòng)的顯著影響為何集中在海洋的某些區(qū)域，以及通過(guò)哪些物理過(guò)程影響這些海域，這都是需要利用包含太陽(yáng)-氣候系統(tǒng)的模型進(jìn)一步研究的問(wèn)題.

致謝感謝國(guó)家氣象衛(wèi)星中心張效信研究員，在討論中給予有益的建議.