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  1. 直觉和研究结果之间的差异
  2. 太阳的光谱变化
  3. 什么是「辐射强迫」?
  4. 除了「辐射强迫」外,「臭氧反应」对气候的可能效应是什么?
  5. 可能产生的天气异常效果
  6. 什么是「阻塞事件」?
  7. 尽管全球平均气温上升,异常冻冷的天气事件仍有出现

    撰文:赵孔儒     2010年12月



  1. 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),太阳辐射会释放着更多的光和热,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。

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    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)


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  2. 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。 

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    图2  臭氧通常在平流层中部(或较低部分)附近最为浓密。


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  3. 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。


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  4. 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。

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  5. 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。

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    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。


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  6. 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,地区性的乾燥、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。


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  7. 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,会否因此意味着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。

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    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。 


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   参考:

  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. 又爱又恨的臭氧和气候变化,撰文:梁荣武,香港天文台教育资源电子通讯,第二十二期 (2009年6月)。
  4. 2008 年华南雪灾与香港的寒冷天气回顾,撰文:叶彩雄 赵孔儒,香港天文台教育资源电子通讯,第二十四期 (2009年12月)。
  5. 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。
  6. 2008年初华南沿岸地区持续寒冷的天气分析和预报技巧 - 唐宇煇、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。
  7. "Glossary", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
  8. "Climate Change 2007: Working Group I: The Physical Science Basis", Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).
  9. "El Nino and La Nina", Hong Kong Observatory.
  10. "List of El Nino & La Nina years", NOAA La Nina Page, National Oceanic and Atmospheric Administration.
  11. "Solar Cycle Prediction (Updated 2010/11/03)", Space Weather Prediction Center, NASA.
  12. "Layers of the Atmosphere - Standardized Temperature Profile", National Weather Service, NOAA.
  13. "Earth's ozone layer appears to be on the road to recovery", NASA Science, NASA.
  14. "The NOAA Annual Greenhouse Gas Index (AGGI)", NOAA Earth System Research Laboratory.

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最近修订日期: <2014年4月1日>