海洋热含量对太阳总辐射11年周期变化的响应

The 11-year variation of the total solar irradiance (TSI) may impose influence on the Earth climate system. There has been found close correlation between the sea surface temperature or ocean heat content (OHC) in local ocean basins and the 11-year TSI cycle. However, the response of the upper ocean to the 11-year TSI cycle is spatially inhomogeneous and the response mechanism is still on debate. No region has ever been reported to have clear 11-year oscillation in OHC. Our recent research found the signal in OHC in the western Pacific warm pool and the tropical mid-Pacific, but their responses to the signal are inhomogeneous and out of phase. Besides, clear responses to the 11-year TSI cycle are also found in the extension regions of western boundary current such as Kuroshio and Gulf Stream. This project aims to find out an explanation for the inhomogeneous and phase-out pattern of OHC's solar response in the Pacific (sea-air interaction or propagation in the ocean), and describe the response process of OHC in the extension regions of western boundary currents to the 11-year TSI cycle. We will also quantitatively estimate the influence of the 11-year solar activity to the global OHC in different seasons and for different water depths.

太阳总辐射（TSI）11年的周期变化可能对地球气候系统产生影响。有研究表明，局部海域海表面温度、海洋热含量（OHC）的平均时间序列与TSI 11年周期变化有显著的相关性，但上层海洋对TSI 11年周期变化的响应并非空间均匀的，响应机制也不明确。尚未有报道明确指出某海区OHC存在显著的准11年周期变化。我们近期的研究在西太平洋暖池区和热带中太平洋的OHC中发现了该信号，但这两个海区对TSI 11年周期的响应强度空间不均匀，且相位相反；另外黑潮、湾流等西边界流延伸区的OHC对TSI的11年周期也有显著响应。本项目拟分析太平洋OHC对TSI 11年周期响应强度空间分布不均匀、相位不一致的原因（海气相互作用、海上传播通道），探讨西边界流（主要是黑潮）延伸区OHC对TSI 11年周期变化的响应过程，并定量评估TSI 11年周期变化在不同季节对不同水深OHC的贡献率。

太阳总辐射随太阳的活动存在一个11年左右的周期变化，但该周期变化的振幅只有太阳总辐射的千分之一，该变化对地球气候系统的影响是否能够分离出来，尚存在争议。以往研究太阳总辐射对地球气候系统的影响，通常是指定一个海盆或划定一个海区，逐时做这个区域海表面温度或上层热含量的空间平均，得到一个时间序列，然后对时间序列做傅里叶变换，从时间序列的频率谱中寻找11年周期信号。这样得到的功率谱中的11年周期信号往往并不显著。我们的研究采用经验模态分解与合成平均差等结合的方法，确定了全球海洋上700m层热含量对太阳11年周期信号响应的空间分布。结果表明，海洋上层热含量对太阳11年周期的响应在空间分布上是不均匀的，时间上也不同步。这表明，海洋上层热力过程对太阳总辐射11年周期的响应存在局部特征，受到海气通量、海洋大尺度动力过程的影响。在正响应或负响应较敏感的区域，我们可以通过经度-时间的Hovmoller图，清晰地刻画出热含量的11年周期演化。我们也给出了太阳总辐射11年周期变化影响地球气候系统的一个概念机制模型：太阳的11年周期变化最初通过短波辐射的形式作用于大气与海洋。对于大气，太阳总辐射引起的变化是快变过程且振幅较大；对于海洋，相应的过程则是慢变过程，振幅小且滞后时间长。大气中的振荡信号体现为风场的变化，可以通过海-气相互作用进一步作用到海洋上层。绕岛环流是连接大尺度风场变化和海洋上层动力过程的一个途径。此外，由于海洋表层的短周期过程比较活跃，容易掩盖强度较弱的低频信息，我们尝试寻找能够替代海洋表层的参考面，来探讨海洋中的长周期信号。在多个海洋重构数据产品中，我们发现海洋跃层附近存在一个温度-盐度水平分布的空间相关系数最高的水层—温-盐镜像层。温-盐镜像层在深度上的变化，或者镜像层上温度和盐度的空间相关系数的时间序列，均存在长周期信号，可以用来评估海洋温度的空间-时间场。我们在温-盐镜像层上，温度和盐度的空间相关系数中发现了11年的周期信号，该信号通过了红噪声检验。