太阳光在太阳活动周期期间的光谱变化对地球气候的可能影响
太阳光在太阳活动周期期间的光谱变化对地球气候的可能影响
赵孔儒
2010年12月
直觉和研究结果之间的差异
凭直觉，大多数人会认为，在太阳活动活跃期（如太阳活动极大期），太阳辐射会释放著更多的光和热，使地球升温暖化；在太阳活动减少时，太阳输出的总能量会减少，则会使地球降温冷却下来。然而，伦敦帝国学院的大气物理学家乔安娜 · 黑格（Joanna Haigh）和她的同事最近最却发现，太阳辐射影响地球表面气候的方式恰巧相反，至少在2008年的太阳活动极小期（图1）之前几年（2004-2007年，在太阳黑子第23 个周期）的太阳活动衰退时期是这样的。研究结果刊登在2010年10月出版的《自然》（Nature）期刊上。
图1 2010年11月预测在太阳活动第24个周期的太阳黑子数目（图像来源：NASA）
太阳的光谱变化
他们发现，在这几年紫外线辐射量远小于预期，而到达地球的可见光则增加。虽然太阳活动是在下降阶段，使地球表面温暖的可见光却增加了。
光谱的变化似乎已经改变了大气层内的臭氧分布。他们指出在2004-2007年期间，在海拔约45公里高空以下的平流层（也叫同温层）臭氧浓度减少了，而在此高度之上的大气臭氧浓度则增加。
黑格还描述了一种关于臭氧作用的理解︰臭氧对太阳紫外辐射变化的反应，会调节太阳光的「辐射强迫」。臭氧增加可以减少达到对流层顶的太阳紫外线辐射通量，及增加在平流层的红外线辐射通量。实际影响是净向下的太阳辐射通量有小量增加。
图2 臭氧通常在平流层中部﹙或较低部分﹚附近最为浓密。
什么是「辐射强迫」？
「辐射强迫」是指由于影响气候变化的外部驱动强度改变﹝例如︰二氧化碳浓度及太阳辐射输出等变化﹞，令在对流层顶的垂直光辐照度或太阳辐射通量的净变化（向下减向上的能量传递）。若「辐射强迫」是正数时，进入的能量比逸出的更多，表示地球表面和低层大气变暖；而「辐射强迫」是负数时，逸出的能量比进入的更多，表示地球表面和低层大气变冷。
在「政府间气候变化专门委员会」（IPCC）的报告里，「辐射强迫」被进一步定义为相对于自从1750年（工业化之前的年代）的变化。它通常是以全球的年平均值计算。
除了「辐射强迫」外，「臭氧反应」对气候的可能效应是什么？
臭氧不单吸收紫外线而化成热能，它的温室气体特性亦使它吸收从地球表面射往太空的红外线。臭氧愈多，平流层愈暖；臭氧愈少，平流层（图2）便变冷。平流层的变化，或有可能间接向下影响到对流层大气环流的改变，导致产生气候转变。
可能产生的天气异常效果
黑格的发现已引起其他科学家的注意，并引发讨论。如果太阳活动和与臭氧有关的「辐射强迫」对地球升温和降温的影响可以不同步，对流层和平流层调节地球气候的过程将会是怎样进行的？另一位科学家（奎恩 · 施梅尔 Quirin Schiermeier）在回应黑格的发现时，重复申述一些气象学家的一个信念，那就是在太阳活动处于低潮的阶段，「阻塞事件」可能会更频繁地发生。
图3 在2008年1月22日的500百帕斯卡高空天气图上，由一个阻塞高压和一个切断低压组成的一个阻塞天气系统，出现在北亚的西边。与此同时，一道深而且大的西风槽（内藏有一个低压中心）出现在北亚的东部地区。
什么是「阻塞事件」？
图3是一个典型「阻塞事件」的情况，显示了一个由一个阻塞高压（在极区侧）和一个切断低压组成的「阻塞系统」。该阻塞高压附近的高度场形态类似希腊字母Ω（欧米茄）的形状。切断低压是一个完全脱离了高空西风气流的封闭形冷心低压。
一个阻塞系统是一个缓慢移动或几乎停留不动的大型天气系统。在它前面（东面）的高空西风气流，因为被阻塞系统扭曲了，形成一个形状显著起伏的波动气流或深槽。受这种几乎停留不动的大型天气系统和相关深槽支配下的不同地区，地区性的干燥、下雨、降雪或寒冷天气可以持续多天。此外，一个阻塞系统的崩溃也会让大量极寒冷空气获得释放南下。若「阻塞事件」和「阻塞系统」崩溃频密地出现，发生例如雪灾和非常寒冷等地区性极端天气的可能性将会增加。
因此，「阻塞事件」是对流层上部不寻常的高空（例如︰在500百帕斯卡高空）西风急流形态，可以导致寒潮和反常的天气。由于太阳活动是大约每11年周期循环的，所以对气候应该不会有长远的影响。对了解和量化自然气候的波动，黑格的研究结果也许可以提供一些线索。
尽管全球平均气温上升，异常冻冷的天气事件仍有出现
紫外线通量在太阳活动衰退期下降得比预期多，加上在海拔约45公里高空以下的平流层，臭氧减少可能令对流层顶以上的部分平流层（图2）气温下降，会否因此意味著平流层和对流层之间随后会出现相互作用，引发高空急流异常，导致「阻塞形势」使极地冷空气持续南下（图3），造成地面出现地区性极端天气呢？
最近几年正是太阳黑子的极小时期，太阳活动处于低潮，一些地区在全球平均气温上升的趋势下，冬季仍有异常冻冷天气出现，例如于2008年初，发生在中国华南地区的雪灾及香港四十年来历时最长的寒潮（图4）。由于2008年是太阳活动极小期的一年，与这一年年初的异常冻冷的天气事件，是否有一些关联或是否巧合呢？发生在2007年底至2008年中的拉尼娜事件，是否也可能是这一段寒冷天气事件的另外一个原因呢？... 要更好地了解和解答这些问题，科学家需有更多资料以便进行进一步的研究。
图4 在2008年初持续很久的寒潮期间，一个强大而持久的高压系统影响东亚大部分地区。其中心曾于2008年1月22日出现在蒙古附近。
参考资料：
[1] "An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate", by Haigh, J. D., Winning, A. R., Toumi, R. & Harder, J. W., Nature, Vol.467, No.7316, pp.696-699, 7 October 2010.
[2] "Declining solar activity linked to recent warming", by Quirin Schiermeier, published online on 6 October 2010, Nature.
[3] 2008 年华南雪灾与香港的寒冷天气回顾。
[4] 四十年来历时最长的寒潮，新闻公报 ( 2008年02月13日)，香港天文台。
[5] 2008年初华南沿岸地区持续寒冷的天气分析和预报技巧 - 唐宇辉、李月婵 & 陈世倜，香港天文台，2009年第23届粤港澳气象科技研讨会。
[6] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[7] "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[8] "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
[9] "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
[10] "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[11] "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
[12] "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
[13] "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.
[1] "An influence of solar spectral variations on radiative forcing of climate", by Haigh, J. D., Winning, A. R., Toumi, R. & Harder, J. W., Nature, Vol.467, No.7316, pp.696-699, 7 October 2010.
[2] "Declining solar activity linked to recent warming", by Quirin Schiermeier, published online on 6 October 2010, Nature.
[3] 2008 年华南雪灾与香港的寒冷天气回顾。
[4] 四十年来历时最长的寒潮，新闻公报 ( 2008年02月13日)，香港天文台。
[5] 2008年初华南沿岸地区持续寒冷的天气分析和预报技巧 - 唐宇辉、李月婵 & 陈世倜，香港天文台，2009年第23届粤港澳气象科技研讨会。
[6] "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[7] "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
[8] "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
[9] "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
[10] "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
[11] "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
[12] "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
[13] "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.