太阳活动和火山活动对气候变冷的影响

                             杨学祥，杨冬红

1 引言

1816年，全球性的低温袭击了从欧洲、美洲甚至中国，北半球平均气温下降了0.4-0.7℃，与道尔顿极小期有关，此前的蒙德极小期造成北半球持续70年的连续低温。但是，造成1816年寒冷现象的更直接原因是1815年坦博拉火山喷发，1809年也发生了火山喷发^[1-3]。在此期间还有两次火山爆发，分别发生在1812年的加勒比海地区和1814年的菲律宾。

最新研究认为，地球小冰期始于13世纪后期，可能从1275年至1300年间就开始了，在大约50年时间里，热带地区相继发生了4次大规模火山爆发。由于喷出的火山灰中含有大量悬浮颗粒，阻碍了太阳辐射抵达地球表面，北半球在相对很短的时期内不断遭遇“降温”，这种累积效应使北半球突然进入冰期。1430年到1450年，也发生了一轮大规模火山喷发，其中包括瓦努阿图的火山，导致几个世纪的寒冷时期“小冰期”的到来^{[4, 5]}。

2010年冰岛火山喷发后，火山活动对气候的影响重新引起人们的关注，伴随火山资料的增多，研究火山活动对气候的影响不仅成为可能，而且有重大的现实意义。

2 火山喷发在小冰期中的致冷作用

从15至17世纪的200余年小冰期时期，世界上强震很多，其它自然灾害（如瘟疫流行）也很集中，这正是太阳黑子的蒙德极小值期^[6]。人们往往把太阳黑子延长极小期当作小冰期气候产生的原因。进一步的研究表明，火山活动对小冰期有重要影响。小冰期对应强火山活动，小气候最适期对应弱火山活动。因为火山灰和二氧化硫等火山喷发物到达平流层后，较小的气溶胶可在数月内传播到全球，并可在平流层内持续漂浮1-3年，使太阳直接辐射减弱，造成大气降温^[7-10]。太阳活动和火山活动是小冰期气候变化的主要因素，下一个太阳黑子延长极小期已经到来^[7-14]。

研究表明，全球强火山活动存在显著的88年左右和100年左右世纪尺度周期循环，还存在33年左右年代际尺度周期循环以及与太阳活动相联系的准11年周期^[15]。火山活动是地球气候异常变化十分重要的影响因子，特别是WEI5级以上的强火山活动，其影响是全球性的^[15-18]。

太阳黑子周期活动规律性影响地球气候。在太阳黑子非活跃时期，北美和欧洲部分地区常遭遇极端天气。在2008年至2010年，太阳黑子处于活动谷年，美国与欧洲部分地区遭遇严冬。复杂计算机模型模拟到长期气候状况，证实在太阳黑子活动谷年，异常冷空气在赤道大气上空形成，造成大气热量重新分配和大气环流变化，令欧洲北部和美国遭遇异常低温和暴风雪，加拿大和地中海地区气候则变得更为温和。进入活动峰年，情况相反^[19]。

太阳黑子周期长度的变化与地球冷暖变化也具有相关性。用太阳黑子周期长度同地球温度做比较，地球的增温和降温与太阳黑子周期长度变化是相当吻合的，当黑子周期变短，地球增温，当黑子周期变长，地球降温，太阳黑子周期长度的变化与地球冷暖变化有很好的相关性。太阳黑子延长极小期会带来寒冷，常规的太阳黑子周期的长度变化也能带来地球气温变化^[20]。两种尺度划分的地球冷暖周期是一致的^[21]。最近的一次太阳黑子周期长度为12.4年，表明21世纪太阳黑子超长极小期的到来。

最近的研究表明，不仅太阳活动具有11年周期，潮汐具有11年和1800年的周期波动，气候变冷周期与潮汐变化周期相一致^[22,23]。火山喷发11、33、88年周期是太阳活动和潮汐变化11年周期叠加的结果，潮汐激发地震火山活动得到越来越多研究的证明，而且深海及其边缘的特大地震可以导致气候变冷^[24-31]。

表1 太阳活动、火山喷发、强潮汐和低温期的对应关系

Table 1 The relation of solar activity, volcanic eruption,tides and lower temprature

注：数据来自文献[1-5，8-23]。

从2003年开始，天文学家就一再预测到太阳活动变弱的趋势，一个类似道尔顿极小期的太阳活动低值正在到来，长度可能更长^[9-12]。太阳活动周期变长是太阳活动减弱的一个明显的标志。2011年美国科研人员预测，太阳将进入不寻常且时间较长的“超级安静模式”，大约从2020年开始，太阳黑子活动或许会消失几年甚至几十年。这些科研人员在美国天文学会太阳物理学分会年会上发表3份研究报告说，人们熟悉的太阳黑子活动或许将进入“冬眠”，这种情况自17世纪以来从未出现^[32]。

新的证据表明，全球变暖自上个世纪90年代末以来基本上已停止。Yu Kosaka 和Shang-Ping Xie发现，当将最近在东赤道太平洋观察到的变冷现象直接吸收到气候模型中时，全球变暖的上述停顿就可以得到解决。结果表明，来自热带太平洋的低温海水或是近年来抑制全球气候变暖的一个主要因素。美国斯克里普斯海洋研究所开展的最新研究认为，全球变暖的“暂停”与“太平洋十年涛动”有关^[33]。

这篇文章证实了我们在1996年以来提出“海底藏冷效应”、“海洋锅炉效应”、2000年美国科学家季林提出的“潮汐调温效应”和2002年中国学者郭增建提出的“深海巨震调温效应”。尽管1800年潮汐周期处于最弱时期使海底冷水上翻数量减少，全球气候处于变暖高峰，但是，目前也处于200年周期的太阳黑子超长极小期、55年周期的“太平洋涛动”冷位相时期，后两者有充分的历史数据表明是变冷时期。今后20年气候不再变暖，即变暖已经停止，变冷成为短周期的必然趋势，现有的气候模型忽视了这些自然因素^[34]。

根据潮汐变化1800年周期，小冰期时期对应潮汐强度高峰，而目前潮汐强度低谷对应全球变暖，变暖高峰在24世纪，直到3107年潮汐达到新的高峰，引发新一轮小冰期。潮汐还有200年和60年周期，对应太阳黑子超长极小期和太平洋十年涛动，目前200年周期和60年周期都处于变冷初期阶段，所以，此次变冷规模要小于道尔顿极小期^[23]。

3.1860-1889年拉马德雷暖位相冷暖记录

网友zecrio2014-1-24 16:13提出，在1890年之前的PDO暖位相的时候对应的是世界和我国的低温期。而我也参考了那段时间一些冬季气温，比如1877-1878年我国冬季遭遇极寒，上海市1月平均气温是零下0.8度，是1843年建站以来平均气温最低值，1884年12月-1885年2月、1886-1888年我国同样是少见冷冬。比后两个暖位相冷的多。那次PDO暖位相对应的却是低温期。。。会不会2031-2061年如果太阳很子持续最低值，会不会也会重演1890年之前的PDO暖位相时期的情况，不但不会出现增暖还会出现低温期。

就中国灾害史目前的研究深度来看，对“清末灾害群发期”的起迄时间，人们的看法尚有很大的分歧，不过有一点是肯定的，这就是它的巅峰阶段正处在十九世纪中后期，特别是三十余年的洋务运动时期（1861-1895年）。对此，可以从各种自然灾害成灾的频次、面积、强度及后果等方面找到大量证据：

低温冷害异常突出。竺可桢先生根据十四至二十世纪长江流域江湖冻结年代和十六世纪以来热带地区降雪落霜年份所作的统计，发现1840-1890年是过去500年间三个最寒冷的阶段这（之）一（注：竺可桢：《中国近五千年来气候变迁的初步研究》，《中国科学》，1973年第2期。相关研究成果可参见：张丕远《中国历史气候变化》，山东科学技术出版社1996年版，第301～304、386～390页。）。其寒冷程度总的来说仅次于十七世纪（即1620-1720年），在许多地区和年份，甚至超过了十七世纪。如1892年至1893年冬季，据考证即是过去1700年来我国东南沿海地区最寒冷的年份，整个淮河以南特别是东部沿海地区的农业生产和社会生活因此受到严重的影响（注：龚高法、张丕远、陈思久：《长江中下游1892～1893年的严冬》。载《地理集刊》1986年第18号。）。至于黄河中下游地区，从近500年霜冻演变的趋势来看，也在1840-1910年出现了一个较为严重的多霜冻时期（注：张丕远、龚高法：《十六世纪以来中国气候变化的若干特征》，《地理学报》1979年第3期。）。另据有关资料披露，1879年新疆喀什人民在逃往弗尔干途中遭遇奇寒，结果有10万余人被冻死（注：买汗买提依敏：《东土耳其斯坦历史（七）》，1940年。转引自高建国前引文。）。

巧合的是，这种140-180年的灾害群发周期又与太阳黑子活动170-180年的行星周期大致吻合。据张先恭的研究，从太阳黑子和大气中放射性碳(c[14])含量的变化来看，近五百年的寒冷期正好是太阳活动处于低水平的时期，第一次冷期对应着1460-1550年的史波尔极小期；第二次冷期是五百年中最冷的时期，因而也对应着太阳活动最弱的时期即1645-1715年的蒙德尔极小期；十九世纪中后期所在的第三次冷期，同样对应着一个较弱的太阳活动期。（注：张先恭、张家诚：《近五百年来我国气候的几种振动及其相互关系》。《气象学报》1969年第2期。）除此之外，太阳活动次一级周期如黑子活动22年?周期、11年周期以及其他天体运动，也制约着地球表层系统的变异。大量的研究表明我国长江和黄河流域的大小和大旱大都发生在太阳活动的谷年或峰年及其前后，而且其活动强度的变率越大，引发的灾害越严重，范围也越大，只是由于地理位置不同，南北地区表现出旱涝各异的现象。1870年太阳黑子相对数值为139（随后的两年也高达111.2和101.6），是1778年(154.4)至1947年(151.6)之间出现的唯一最大值，正是这一年及其以后，出现了长江大洪水和华北的大旱灾，其间很难排除太阳活动的耦合作用。（注：参见徐振韬、蒋窈窕编著：《太阳黑子与人类》，天津科学技术出版社1986年版第146-147页；马宗晋主编：《灾害与社会》，第228页。）而且在此后太阳黑子数迅速衰减时期，对我国气候有重大影响的厄尔尼诺现象也频繁出现，在整个十九世纪13个厄尔尼诺年中，就有6个发生在1871至1891年的20年时间中。（注：解思梅等：《太阳活动与异常地球物理现象》。《灾害学》，1986年12月创刊号。）

出处：清史研究199801  

http://www.guoxue.com/economics/ReadNews.asp?NewsID=905&BigClassID=16&SmallClassID=93&SpecialID=49

这种140-180年的灾害群发周期与太阳黑子活动170-180年的行星周期大致吻合，就是我们给出的200年周期。

从表1中可以看出，1850-1860年和1870-1880年火山活动导致1860-1889年拉马德雷暖位相相对变冷，1870年太阳黑子相对数值为139（随后的两年也高达111.2和101.6），是1778年(154.4)至1947年(151.6)之间出现的唯一最大值，它导致1860-1889年拉马德雷暖位相相对变暖。中国的过去500年间三个最寒冷的阶段与太阳黑子超长极小期一一对应，其中之一1840-1910年处于拉马德雷冷位相和暖位相交界，导致1860-1889年拉马德雷暖位相相对变冷。图1-3显示，从全球气温变化来看，1860-1889年拉马德雷暖位相的全球气温是相对温暖的。