太阳活动和地球运动因子对气候的影响

第1章绪论 1.1太阳活动和地球运动对气候 影响的意义及背景 在广博浩瀚的宇宙苍穹中，地球为生命的生存和演化提供了适宜的气候环境，孕育出多姿多彩的万千世界。是上天的眷顾使地球成为这样一颗璀璨的蓝色星球，还是时空的偶然造就了这一奇迹？在错综复杂的因果缘由中，地球适宜的气候无疑是其中*为重要的因子之一。地球的气候生态环境是决定生命和人类的诞生、演化、发展的关键因素。一方面，地球是个处于稳定状态的行星，地球的体积、质量、成分、结构、运动方式、运动状态，以及它在太阳系中的特殊位置（与太阳保持适当的距离，并以恰当的姿态自转和公转）使得地球能接收适当的太阳能量，形成适宜生命的地球平均温度。这些诸多的条件使地球经过漫长时间的演化形成了适宜的生态环境，使人类社会得以由初级向高级发展，进入现代的文明社会。另一方面，地球又是一个开放并运动变化着的星球。地球各个圈层的物质都在运动和变化，与外界不停地进行着物质和能量的交换。虽然从一颗行星的演化过程来说，这些变化在大多数情况下是微不足道的，并不会破坏地球气候生态系统的相对平衡，以至于很容易被人们所忽略。但随着科学技术的发展和人类科学认知水平的不断提高，尤其是20世纪80年代以后，全球气候变暖给气候系统环境带来了显著的改变，人类逐渐认识到地球气候变化的重要性以及其可能给人类文明带来的巨大风险。 气象观测资料表明，20世纪中期以来全球平均温度在显著升高。气候变化已经成为国际社会空前关注的科学问题和政治经济问题，世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）和联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）于20世纪80年代后期建立了IPCC，旨在为决策者定期提供针对气候变化的科学基础，其影响未来风险的评估，以及适应和缓和的可选方案。IPCC分别在1900年、1996年、2001年、2007年和2013年发布了五次评估报告。评估报告由来自许多国家的数百名首席科学家撰写，而实际参与的学者（包括参与评审与编写的人员）则数以万计。IPCC的评估报告以众多学者的阶段性研究成果为基础，比较系统、广泛地论述全球气候变化的有关问题，其核心观点认为，人类活动是造成当今全球气候变暖的主要因子。同时，IPCC的评估报告也阐述了目前所得结论的不确定性，并坦承其结论中对太阳活动等自然因子的科学认知还很有限，第四次评估报告（IPCC，2007）认为对此的认知水平很低，第五次评估报告（IPCC，2013）指出认知是中等水平，太阳活动等天文要素作用于气候的机制并未得到合理的考虑。例如，IPCC于2013年发布的第五次评估报告指出，与1750年相比，2011年人类活动造成的辐射强迫达到2.29Ｗ/m2，该值比第四次评估报告对2005年的评估提高了43％。因此，更准确、科学地认知太阳活动和地球运动因子对气候的影响，仍然是未来气候变化研究和评估的重要任务。由于气候系统各圈层非线性的相互作用过程，太阳活动和地球运动因子对全球气候系统影响的过程和机制十分复杂，全面和客观地认识自然因子对全球气候变化的影响和机制仍具有相当大的难度。因此，科学界也有很多学者认为（任振球和张素琴，1985；丁仲礼，2006；Kopp et al.，2016），太阳—地球系统的振荡是引起气候变化不可忽视的因素。特别是进入21世纪后，气候变暖出现了阶段的停滞现象，这也促使人们开始重新探索和分析太阳辐射等自然因子对气候的可能作用和影响。 地球气候系统接收到的太阳辐射的变化，也可以由地球本身的运动造成，如地球自转造成日变化（在一天内，中午前后所接收的太阳辐射大于早、晚）、地球绕太阳公转产生季节变化等。广为人知的米兰科维奇（Milankovitch）循环（包括26000年的岁差周期，41000年的黄赤交角周期和96000年的地球轨道偏心率变化周期），可以通过地球运动的变化使地表接收的太阳辐射在时间或空间上变化，进而对地球气候变化产生影响。因此，在某种意义上，地球运动和太阳辐射变化对地球气候的影响是联系在一起的。 事实上，早在17世纪太阳活动对气候的影响就引起了人们的重视，19世纪60年代至今，众多研究工作对历史时期的气候记录和太阳黑子记录进行了统计分析，发现太阳活动与气候变化有着很好的相关性。在大量研究太阳活动和气候相关性的工作中，较著名的是Eddy（1976）的工作，他指出太阳黑子的斯波勒（Sporer）极小期和蒙德（Maunder）极小期造成了这两个时期全球出现了“小冰期”事件。地球轨道和位置的变化，必然会引起地球系统太阳辐射收支的变化，从而对地球气候产生重要影响。在地质气候的时间尺度上，过去的研究已经较为清晰地揭示了太阳活动和地球轨道变化对地球气候的影响，并已在科学界取得了广泛的共识。20世纪30年代，塞尔维亚数学家米兰科维奇创立了一个著名的理论解释地球运动对气候变化的影响—天文冰期理论。该理论认为，冰期的形成与地球运动轨道三要素（地球轨道偏心率、黄赤交角、岁差）的周期性变化相关联。换句话说，即地球围绕太阳旋转时，公转轨道形状、地轴与公转轨道的黄道面间交角、公转时地球自转的角速度都会有变化，这几个方面的自然波动使得地球接收的太阳辐射产生变化，影响了气候和冰期的形成。人们普遍认为，米兰科维奇的地球轨道参数对地球气候在1万～100万年时间尺度上的变化影响很大，但在气候年际到百年际的变化中，其影响可忽略不计。因此，在目前的气候模式中，地球运动的较短尺度的变化都被视为不变。但这些假设是否成立，并无定论（丁仲礼，2006）。人们从冰心的分析中得知，在11万年前到1万年前的气候史中一共发生25次丹斯果-奥什格尔（Dansgaard-Oeschger，D-O）事件，即大气温度在几十年到几百年出现突变（Dansgaard et al.，1982；Broecker and Peng，1994），以及与之相伴随的海因里希（Heinrich）现象（Heinrich，1988）。D-O事件的平均周期约1500年。那么，目前所观测到的全球变暖是否是D-O事件的重现呢（Denton and Karlen，1973）？尽管对D-O事件触发机制的解释众说纷纭，但至今仍存在争议（Pisias et al.，1973；Keigwin，1996；Bond et al.，1997，2001；Alley et al.，1999；Ganopolski and Rahmstorf，2001；Schulz，2002；Ditlevsen et al.，2007）。人们尚不清楚，这样的事件是外力强迫的，还是地球系统相互作用的结果，或者是非线性地球系统对外力强迫的敏感反应？但可以肯定的是，这些突变不是人类活动的结果。如果不能合理解释气候史上的这些突变事件，那么目前气候预测的理论和方法是不能完全令人满意的。 太阳和地球运动因子在较短时间尺度上对地球气候的影响究竟如何？还存在较大的争议。目前，气候变化归因研究多数基于观测资料和气候模式的模拟结果，利用气候模式的模拟结果与观测序列进行对比，从而分析哪些强迫可能是造成气候变化的主要影响因素。其中涉及两个方面的不确定性：一是气候模式的不确定性；二是观测资料的不确定性（任国玉等，2014）。气候模式的不确定性主要来自模式本身物理、化学、生物过程的不完善，如气溶胶—云—辐射过程的耦合、平流层动力—化学—辐射过程的耦合、生态系统对气候变化的响应与反馈等模式表达不准确。例如，辐射强迫就是一个复杂和不确定性较大的过程。虽然对于充分混合的温室气体来说，辐射强迫的不确定性较小，但是对于一些其他类型的辐射强迫，如气溶胶、森林变农田的土地利用变化的辐射强迫不确定性则较大。此外，太阳活动、地球轨道变化等自然因素对气候影响的机制还不太清楚，如何量化评估其对全球气候变化的贡献，仍是一个需要解决的关键问题。 随着人们对太阳活动与地球气候、地球物理现象关系研究的重视，太阳物理学和地球物理学之间产生了一个边缘学科—日地关系（solar-terrestrial relationship），其主要研究对象是太阳辐射、太阳活动和气候变化之间的相关关系。早期的日地关系研究虽然多局限于统计相关分析，其结论因而会受到一些学者的质疑，但随后更多的数据和研究证实了不少结论是可信和重要的（Labitzke and Harry，1988）。太阳活动与平流层臭氧、大气准两年振荡（quasi-biennial oscillation，QBO）具有密切的相关关系。还有不少研究揭示了太阳活动与大气温度、风场、降水和河流流量等气候系统参数和气候现象的联系。与此同时，人们也从地球和大气角动量、山脉和摩擦力矩以及地转科里奥利力出发，探究了地球运动因子对气候的影响（彭公炳，1973；彭公炳和陆巍，1982）。但长期以来，太阳活动和地球运动等自然因子对近百年的全球气候变暖是否有作用一直存在争议，有关太阳活动和地球运动因子对气候影响的研究还十分薄弱。 近年来，寒冷事件频繁出现，而太阳活动也进入了一个相对异常平静的时期。未来是否会因为这些自然因子驱动而使小冰期再现？太阳活动等天文要素对气候变化究竟产生多大的作用？这些疑惑成为科学关注的热点。由于已往的研究多集中于太阳活动和气候的统计相关分析以及相似周期的比较研究，全面系统和定量的综合研究，尤其是对影响作用机制的探讨，成为该领域急需开展的研究工作。本书主要从太阳活动变化对大气的作用机制、气候系统的响应过程、地球短周期变化因子与气候变化的关联、太阳活动和地球运动变化对未来气候的可能影响几个方面，介绍*近几年中国学者的研究进展。这些新的研究进展，可以加深和丰富我们对自然因子影响气候的认识，同时为未来该领域进一步的研究工作提供启示和线索。 1.2太阳活动和地球运动因子的研究动态及趋势 无论是太阳活动还是地球运动，其变化都是多方面的，并表现出多时间尺度的特征。为方便读者阅读，本节将分别给出可能与地球气候变化有关的主要因子及其特征，并解释这些因子的观测和表征指标，同时给出本书使用到的一些名词的意义。 1.2.1太阳总辐照度和太阳光谱辐照度的测量 太阳总辐照度（total solar irradiance，TSI）也经常称为总太阳辐射量，是指地球大气层顶接收到的全部太阳辐射能。在没有卫星观测之前，TSI的测量在地面进行，科学家普遍认为它是一个常量（约1365W/m2），因而也称其为太阳常数（Johnson，1954；Drummond et al.，1968；Thekaekara and Drummond，1971；Laue and Drummond，1968）。只有少数科学家根据一些间接资料推测，TSI可能随太阳黑子等太阳活动而发生变化（Eddy，1976）。但1978年开始的卫星观测，使得TSI观测的精确度大大提升，TSI与太阳活动的密切关系也被逐渐证实。例如，TSI随太阳黑子数在一个11年左右的周期振荡中（Kuhn，1988；Willson and Hudson，1991），太阳活动极大年（峰年）与太阳活动极小年（谷年）之间TSI相差约为1W/m2。通常所说的太阳周就是指太阳活动（太阳辐射、高能粒子等）和表象（黑子数、耀斑等）的平均11年（通常为9～13.6年）的周期变化，也称太阳磁活动周或Schwabe 辐射周期。 关于TSI的测量，近几年有了新的进展。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）于2003年发射了太阳辐射和气候实验（Solar Radiation and Climate Experiment，SORCE）卫星，该实验卫星的主要任务和目标之一是精确测量太阳辐射在十年或百年尺度上的变化，包括TSI和太阳光谱辐照度（solar spectrum irradiancy，SSI），