天文与地球运动因子对气候变化的影响
2012年5月31日，由中国科学院大气物理研究所研究员肖子牛担任首席科学家的国家973计划项目“天文与地球运动因子对气候变化的影响研究”在北京启动。该项目旨在研究天文与地球运动关键因子的未来变化规律，以及天文与地球运动因子历史上出现的极端事件和未来出现的可能性。
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通过气候系统模式方法和统计模型的综合研究，更好地理解天文与地球运动因子对气候和气候变化的影响，阐释其对近百年全球增暖的作用和贡献，并探讨天文与地球运动因子对未来气候变化的可能影响。
项目的预期目标是，给出天文与地球运动关键因子的未来变化特征，初步完成包含天文与地球运动关键因子的气候系统模式或理论模型，给出天文与地球运动因子对近百年气候变化的定量影响证据。
通过前面几年的研究，项目组依照研究任务和预期目标，围绕项目计划的重点科学问题开展了一系列研究工作。项目各课题全面梳理总结了该领域的相关工作和成果，建立了天文与地球运动因子关键因子的数据集。
在此基础上，系统研究分析了主要天文与地球运动因子对气候和气候变化的影响，提出了影响气候变化的关键因子，研究了这些关键因子影响气候的机制，揭示了太阳风活动、高能空间粒子，以及地球极移变化影响气候系统新机制。初步讨论了天文与地球运动因子未来的变化趋势及其对气候的可能影响。
（1）关键天文因子影响气候变化的机制
深入分析探究了太阳辐射通量、太阳风、空间高能粒子等关键天文因子对气候变化过程的影响和驱动机制。开展了太阳活动驱动大气变化的机制研究，揭示了对于非带电云滴，所有的带电凝结核都能有效提高云-凝结核碰并几率，即云层粒子（云滴、凝结核）静电碰并系数随粒子半径、粒子带电量变化而变化的函数表达。
基本计算结果是在同种电荷作用下，细颗粒（粒径小于0.1微米）部分粒子碰并效率下降，而中粒（粒径0.1~1.0微米）部分粒子碰并效率显著增加。在理论和实验研究的基础上完成了静电微物理过程的随带电量变化的碰并参数化方案；研究了太阳紫外线辐射光谱对地球气候系统的影响，发现增大和减少紫外线时，气候系统中臭氧、温度和纬向风皆会随之发生显著变化。
利用能量平衡模式，探索分析了紫外线激发水分子吸收太阳光谱的可能性；研究揭示了太阳风与大气环流在不同时间尺度上的密切联系，其作用可能通过对低层大气云过程的作用和对中高层大气化学特性的影响来实现。冬季太阳风速度对北大西洋海温和大气系统有重要影响，是影响全球气候的重要通道。
通过对太阳活动的关键影响因子、敏感区和影响过程的研究，初步揭示了太阳活动影响气候的关键因子分为两类，一是辐射效应因子，可以用TSI、F10.7、紫外线和SSN表征；二是高能粒子类，可以用太阳风表征。宇宙射线可能是一个锁相的关系，可以不作为独立因子。
太阳影响气候的作用具有空间差异性：极地亚极光区、季风活动通道、太平洋热带地区是信号敏感区和传播的通道。热带低纬度地区的主要信号来自于气候系统的相互作用，是放大作用的重要环节，具有时间上的滞后性。
（2）关键地球运动因子影响气候变化的驱动机制
研究分析了地极移动（以下简称极移）、地球自转与气候系统的广泛联系，揭示了极移和地球自转为影响气候的关键地球运动因子，探索了极移、地球自转影响气候变化的驱动机制，初步给出了关键地球运动因子对气候变化影响的若干表征指标。发现极移的x和y分量的激发函数与整个大气层温度的相关性都较高，高层大气和底层大气与该函数的相关系数的符号是相反的。
而日长变化与全球气温主要为负相关关系，随着高度增加，相关性降低，近几十年的地球与气候系统相互作用导致大气角动量降低，对温度上升有一定贡献。其他的进展还包括：
从理论和数值模拟上，证实格林函数和球谐函数计算固体地球响应地表质量负荷的等效性；
采用frequency-wavenumber谱方法，考察了地表流体空间尺度对GPS台站地壳垂直位移的影响；
采用大地测量方法成功捕获了海洋上的地转流，为短期气候变化起因的研究奠定了重要基础；
确定了地磁指数和北极涛动之间的统计关系，并对两者之间的物理成因给出了合理的解释；
通过递归图方法给出了更新世晚期南北两极冰芯在相空间的递归过程，为建立古气候模式提供了一定的理论基础。
（3）气候系统对天文和地球运动因子变化的响应
项目系统研究了气候系统对天文和地球运动因子变化的响应。探讨了太阳风能流与区域性热带气旋发生频次、持续时间以及总能量之间的相关性，同时提出了太阳风能流影响热带气旋活动的可能机制；
研究揭示了海气系统对太阳辐射变化的响应具有空间非对称性特征；
研究分析了热带西太平洋地区对流活动与太阳活动的联系，发现西太平洋的对流活动存在一个与太阳活动密切相关的偶极模态，这个对流偶极模态与太阳活动之后两年高度相关，可能是太阳活动变化影响海气系统的重要模态；
系统研究了太阳活动周中不同的相位时期、热带海洋对太阳辐射变化的滞后响应。发现热带太平洋海洋热容量与太阳活动周的相位密切关联，当太阳辐射处于增加相位时期，热带太平洋海温呈现La Nina-Like模态，相反呈现El Nino-Like模态。研究了海平面气压对极移的响应过程，指出极移可通过极潮的作用改变海平面气压的变化；
探究极移运动的长期趋势及其转折点和水文极端事件的匹配规律；
依照极移的激发函数研究了积雪、径流量的关系，初步探讨了冰雪、水圈的一些变化特征对地极响应的可能机制。
（4）天文与地球运动关键影响因子的未来趋势及对未来气候的可能影响
研究关键天文和地球运动因子的未来变化规律是了解其对未来气候变化可能影响的基础，也是项目关注的重点之一。为把握太阳活动周期的形成规律，主要开展了以下研究：
基于TSI与MgII指数的关系，发现TSI太阳周的变化与弱磁活动有关；揭示了太阳半径自转周尺度的变化规律；
依照太阳活动周特征参量间的相互关系，对未来第25个太阳活动周进行了预报；
通过利用太阳活动周初期月太阳黑子数的变化率预报未来周的方法，改进了对太阳活动周极大值及其出现时间的预测，改进后的预测方法可使预报较原来的方法提前半年至一年的时间，同时预报误差也大大减小。
借助EMD分解方法，项目分析了地球极移振幅和相位的长期变化规律，并对未来2014—2025年极移变化趋势进行了预测。预测结果表明，未来12年极移振幅将增大，且存在向约西经70度方向的长期漂移。
在2016年里，项目组将对天文与地球运动因子影响气候变化的驱动机制和响应机理进行全面总结。形成包含天文与地球运动关键因子的气候系统模式和动力统计模型；应用气候系统模式和动力统计方法预测评估未来30～50年天文与地球运动因子对未来气候变化的影响。分析天文与地球运动因子的极端事件对气候变化可能产生的影响。形成天文与地球运动因子影响气候和气候变化的理论。
致谢：感谢国家973计划项目“天文与地球运动因子对气候变化的影响研究”（项目编号：2012CB957800）的支持。
肖子牛：博士，研究员，现任中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）主任，博士生导师。国家重大科学研究计划项目《天文与地球运动因子对气候变化的影响研究》（2012CB957800）首席科学家。
赵亮： 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG）高级工程师。
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