文摘

长温度系列在斯瓦尔巴特群岛(朗伊尔城)显示大变化和积极的趋势自1912年开始以来。在这期间太阳活动增加了,太阳周期短的。斯瓦尔巴特群岛的温度是太阳活动周期的长度呈负相关。最强的负相关与滞后10 - 12年发现。太阳活动周期的长度之间的关系和平均气温在接下来的周期是用来模拟斯瓦尔巴特群岛年平均温度和季节温度变化。从年度和冬季模型残差没有自我在5%的水平,这表明不需要任何额外的参数解释95%的温度变化的意义。这些模型表明,60%的年度和冬季温度变化是由太阳活动来解释。为春、夏、秋季气温自我相关残差的存在,和额外的变量可能导致的变化。可以应用这些模型作为预测模型。我们预测年度平均温度降低的斯瓦尔巴特群岛从太阳周期23°C到太阳周期24(2009 - 20)和冬季的温度下降°C。

1。介绍

的问题可能太阳活动与地球的气候在过去的200年已经受到了相当大的关注1,2]。因此它可能感兴趣的调查,如果气温上升的一部分和大型北极气温差异可以归因于太阳的影响。

最长的北极温度系列来自斯瓦尔巴特群岛。它于1912年开始,讨论和分析了Humlum et al。3(以下称为HSS12)。温度记录的分析确定了0.023°C年的线性趋势⁻¹除了循环变化。最强的循环变化周期为62 - 68,26岁,15 - 17年。HSS12还发现低振幅变化与时间11 - 12年,这可能与太阳活动周期有关。

太阳活动可以被描述为以下代理所描述的灰色et al。2图1和图2):太阳黑子数;太阳射电流量10.7厘米,;色球Mg 2行;打开太阳能通量接近地球;银河宇宙射线中子计数;出太阳辐照总量(TSI);地磁场的变化(aa指数);低纬度极光的计数;放射性¹⁰同位素。大部分注意力都集中在太阳黑子的数量,随第四年。太阳黑子周期的长度也随太阳活动的变化而变化,在某种意义上,高活动与短周期和低活动长周期。以系统的方式显示的长度是变化的周期长度80 - 90年,Gleissberg命名(4]。

太阳活动周期的长度可以确定从第一位置的外观在太阳纬度高,循环周期的最后消失的地方太阳赤道附近。然而,在一个周期的最后一个点消失,第一个点在下一周期出现在高纬度,通常有一个为期两年的重叠(5]。最小的时间被定义为中央之间的重叠时间两个周期(5),和一个周期的长度可以连续测量之间的最小值或最大值。

这是很长一段时间认为太阳活动周期的出现是一个随机事件,即,每个周期′年代长度和振幅是前面的独立的。然而,迪克(6)显示,1978年,一个内部天文钟已经存在太阳内部,,短的循环次数后,复位周期长度的平均长度是11.2年。

比较太阳黑子数目和北半球陆地温度异常,立斯·克雷斯顿森和拉森7]找到了更好的太阳周期长度之间的相关性(sci)和温度异常与太阳黑子的数量,在某种意义上,更短的太阳黑子周期表示更高的温度。他们使用的平滑值sci / 5太阳周期。这导致良好的相关性时,sci平均下降,表明太阳活动是主要贡献者NH-land气温上升时期的调查(1860 - 1990)。

然而,在世纪之交,这种关系被发现不一致(8- - - - - -10因为突然延长的太阳活动周期(见图1),而NH-land温度异常仍然是积极的。

Solanki和Krivova11]显示太阳周期长度的时间序列之间的互关联和太阳黑子数量最大值(长度在振幅),在某种意义上,短周期之前强大的周期。测试的时间表明,滞后一期11年或一个太阳活动周期给SC10后相关性最高。之前SC10滞后3周期为主。他们解释这是太阳能发电机的记忆前一周期的长度,提出一个基于延迟的实证模型预测和三个周期后的振幅周期。

巴特勒(12]提出一系列多人注意到温度在阿玛天文台的可能是一个更好的指标比HadCRUT3平均温度异常,数量可变的电台和包括大城市城市供暖。他发现好的温度之间的相关性以阿玛天文台在1844 - 1992年期间,太阳黑子的数量与1-2-2-2-1滤波器平滑。他得出结论,太阳活动,或者是密切相关的,主要影响了低层大气温度在这个时期的阿玛。巴特勒和约翰斯顿(13]研究了相同的数据,注意到一个太阳活动周期的延迟(10 - 12岁)之间最短的太阳周期和温度峰值在阿玛。阿奇博尔德(14)提出,这种延迟可以用来预测冷却在当前太阳周期24日,它遵循一个世纪以来最长的太阳周期23日对某些位置在欧洲和美国的东海岸,他发现sci和温度之间的相关性在接下来的周期。

系统研究Solheim et al。15](以下称为SSH12) sci和温度之间的相关性的落后11年的间隔,16数据集,发现最强的相关性发生midtime后10 - 12年的太阳活动周期,包括大部分位置。在这项研究的温度系列包括斯瓦尔巴特群岛(朗伊尔城),和前面的太阳黑子周期长度之间的关系(PSCL)和温度在接下来的周期决定。这种关系被用来预测,每年的平均温度,在太阳黑子周期−4.2°C (SC) 23日,据估计,减少在SC24−7.8°C, 95%置信区间6.0−−9.6°C (15]。SSH12 [15]发现站在北大西洋(Torshavn,阿库雷里,斯瓦尔巴特群岛)之间的相关性最高一个太阳活动周期的长度和温度在下一周期,显示相关系数从0.79到0.86

在图2,我们显示的相关性之间的太阳周期长度和11年滑动平均温度,与13年零延迟的斯瓦尔巴特群岛温度系列。总是负的相关性,最大绝对值与10 - 13年的滞后。这表明一个太阳活动周期的延迟可能会给最高的相关性。

在下面,我们将更详细地讨论斯瓦尔巴特群岛的温度系列和调查这种相关性是如何与季节有关。我们还将研究其他变量可能导致温度变化在斯瓦尔巴特群岛。

2。斯瓦尔巴特群岛温度系列和太阳活动周期的关系

2.1。斯瓦尔巴特群岛温度记录

现代官员斯瓦尔巴特群岛气象台在斯瓦尔巴特群岛附近主要的结算,朗伊尔城(78°13′N, 15°33′E,大约2000居民),在斯匹次卑尔根群岛中部。车站位于美国手语(24米),斯瓦尔巴特群岛机场附近的朗伊尔城西北约3公里的海岸大峡湾Isfjorden。每月得到的温度数据eKlima门户由挪威气象研究所。真理正义之神和季节性温度(DJF,老妈、环流和儿子)值1912 - 2011计算。

斯瓦尔巴特群岛气象记录是一个组合,代表均相观察最初在4种不同的车站,位于峡湾Isfjord沿着海岸,从西海岸的内部主要斯匹次卑尔根岛。挪威北极气象的调查统计数据是描述Førland et al。16),和个人斯匹次卑尔根气象监测站被Hanssen-Bauer et al。17]。标准正态均匀性测试(18,19)是应用于系列,结果站历史的研究,证实了Nordli et al。20.]。没有违规记录本身(图可见3)以及小波图3),相应的已知站的时间变化,证明了均质化的质量。

比较北极斯瓦尔巴特群岛真理正义之神记录平均温度自1912年以来发展(21,22既有相似点和不同点。北极气温上升约1920持续在斯瓦尔巴特群岛约1940认可记录,尽管这显然增加大约始于1920年之前的5年。一般的北极温度降低从1940年持续到1970也在斯瓦尔巴特群岛记录中清晰可见。最后,一般北极温度升高自1980年以来,直到现在,也表达了斯瓦尔巴特群岛记录,尽管有明显的延迟5 - 10年。

2.2。斯瓦尔巴特群岛的气温太阳周期

斯瓦尔巴特群岛的温度系列在1912年开始。起始日期(十进制)和太阳周期的长度在1900年之后给出了表1这是来自美国国家地球物理数据中心(NGDC):ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/SUNSPOT_NUMBERS/INTERNATIONAL/maxmin/MAXMIN。

太阳活动周期14 (SC14)始于1901年,斯瓦尔巴特群岛温度观察开始时几乎完成了。因此我们的分析始于SC15始于1914年。表1给每一个太阳活动周期的平均温度,根据每年的气温5年给列的范围。

我们也计算平均气温四季的表中。图3显示了每年的气温和太阳活动周期平均温度与标准错误。加权线性最小平方适合太阳活动周期平均气温值的形式给了趋势如图3和表2。为观察体重我们使用 在哪里是周期的数量。

给出了计算线性趋势 在哪里的标准差均值温度循环。

回归分析观察的数量是9。通常的自由度是观测的数量-在模型中参数的数量。然而,太阳黑子长度影响的分析不同滞后延迟温度已经事先上执行,导致之前的太阳黑子周期的模型解释了下一个太阳黑子周期的温度。因此,回归模型与一个额外的自由度减少的结果的自由度。

自1900年以来,太阳周期的长度与倒置的规模在图所示1并且可以与斯瓦尔巴特群岛温度图3。

我们认识到一些定性相似:1910 - 20的sci缩短,平均温度,特别是冬天的温度,增加到大约1935。sci在1970年左右成为长时温度最低几年后出现。的短SC22在1996年年初结束之后,温度最大2005左右。

关联的11年平均斯瓦尔巴特群岛真理正义之神与太阳周期的长度显示相关性()绝对值的增加从0.15到0.74,增加滞后(图从0到12年2)。相关性增加到斯瓦尔巴特群岛的年平均气温在前面的太阳活动周期的长度(PSCL)与温度在下一个周期,也就是说,观察到太阳周期使用,而不是每隔11年(3]。

这促使我们选择比较一个太阳活动周期的温度和前一周期的长度。

2.3。一个太阳活动周期的长度之间的相关性和温度在接下来的周期

线性最小二乘符合一个太阳活动周期的长度和下一个周期(加权的平均温度)完成年度和季节性的斯瓦尔巴特群岛平均温度系列(表1)。由此产生的趋势()如表所示2,线性符合获得如图4。

表2显示结果的模型适合冬天,春天,夏天,秋天,和全年的温度以下模型:(我)温度解释作为时间的函数(长期趋势)(模式1),(2)温度解释前面的太阳活动周期(PSCL模型)。

分析相关性系数()计算模型1和模型PSCL,也表所示2。没有解析表达式相关系数估计的误差。

我们因此决定相关系数所谓的“引导方法。“这是由1000回归计算完成观察,通过设置的观察(双, 从样例),每次画返回后观察样本。回归系数是计算为每个新组,然后这些回归系数的分布进行了分析。均值估计的非参数回归常数和95%置信区间的定义是间隔从第2.5到第97.5个百分位的重新取样r值()。

比较和,我们发现它们平均6%,最高18%不同。系数测定是一个衡量的贡献PSCL温度变化模型。的斯瓦尔巴特群岛,冬季的平均气温在95%置信区间内,这意味着太阳可能造成一半以上的温度变化在斯瓦尔巴特群岛。

2.4。检验残差的相关性

拟合的模型是不完整的,没有检查剩余工资。我们已经进行了Durbin-Watson (DW)统计检验23- - - - - -25)的序列相关性residuals-investigating如果一个观察正误差增加的可能性正误差为另一个观察。结果在表3。

两个系列的,每年平均和冬天的温度,我们发现残差中没有自我,这意味着使用传统的统计模型可以接受测试和置信区间估计没有减少自由度。然后参数给出了完整描述。这也是支持的强相关性这些系列。

为其他三个系列:春天,夏天,秋天,DW给积极或消极的自我测试,表明线性关系发现并不是一个完整的描述。这些系列应该进一步发展更好的分析模型。Durbin-Watson表(26]显示上下极限(D (L)和D (U))基于数量的观察和数量的参数不包括回归模型中的截距。

PSCL-model的残差图所示5。冬季气温趋势的剩余工资年。春残差显示年,这是一个小的减少(表1)。全年平均残差年。

2.5。太阳黑子周期的预测意味着气温24

5系列的调查,每年和冬季平均气温完全PSCL-model所描述的。这个模型可以用来给预估基于SCL23 SC24。由此得出的预测表明,每年的平均温度会减少从−4.2°C SC23−7.8°C, 95%的置信区间(5.8−−9.6):在SC24°C。这是相同的结果与未加权的关系SSH11 [15]。冬天的温度预测显示减少从SC23−11.2−17.2°C和95%置信区间(−14:−20.5)。这些预测钻石,如图所示3。其他系列:春天,夏天,秋天,DW测试和更少的意义值使缺乏自信的预测。他们钻石,如图所示4。

3所示。讨论

我们的主要结果是很强的相关性之间的平均气温在斯瓦尔巴特群岛一个太阳活动周期和前面的太阳活动周期的长度。每年的关系是非常重要的,冬季平均温度。这是通过严格的统计检验记录显示没有明显的自我在残差,和小标准差值,给予95%的水平上显著关系。春季和秋季系列的值是重要的大约80%的水平,这取决于自我减少自由度。夏季温度没有明显PSCL关系。通过季节的差异可能部分是由于当地条件。

斯瓦尔巴特群岛上的年度和冬季太阳能影响温度估计≈60%。事实上,似乎有一个清晰的太阳能影响空气温度在斯瓦尔巴特群岛冬天可能会感到惊讶,当太阳在78°13′N是地平线以下从10月28日到2月14日。因此,很少有传入的太阳辐射期间该型号。最有可能的是,解释应该寻求复发平流的热空气质量从低纬度地区横跨北大西洋转向斯瓦尔巴特群岛。这通常发生几次每年冬天,常常导致在几个小时内温度上升。这样一个太阳能温度信号原始在低纬度地区可能被记录在斯瓦尔巴特群岛,甚至在冬天。

在春天(MAM)景观在斯瓦尔巴特群岛是几乎完全被冰雪覆盖,这意味着大多数的传入将反射来自太阳的短波辐射,导致小直接太阳在春天变暖。另一方面春天最干旱的时期,通常是由一个北极反气旋,禁止热空气平流低纬度地区。这里是冬季明显区别(DJF)和弹簧(MAM)。春天的关系是由冰或调制没有冰峡湾。在夏天,秋天,冬天,峡湾自1912年以来无冰,但通常出现在春天有时冰月(MAM)。春天气温增加可能与少冰的峡湾和北极冰的普遍减少。

夏季气温记录了在斯瓦尔巴机场深受当地风条件下,部分由陆海风效应控制,因为相对较小地区夏季空气压力的差异。这个夏季空气温度控制主要由当地条件附近的气象站(地形、地表特征和表面温度在毗邻的峡湾),从夏天夏天是相对稳定的。

观察观察和平均温度在图3,我们得到的印象一个周期性变化的一段约70年。这可能是低频振荡在北极温度由et al。(22]。然而,如果我们研究残差图5,这些振荡或多或少地消失了。我们可以推测,如果他们是相关的太阳能可变性PSCL所描述的模型。剩下的真理正义之神的趋势:年同意这一趋势年,由et al。22)62年北极向极N。

强劲的趋势在春天残差为3.2°C / 100岁可以解释为一个极性放大所述Bekryaev et al。27),发现强极性春天变暖趋势比其它季节。1901 - 2008年期间,他们发现北极地区年度趋势,冬季,气温下降,同意我们的结果()。春天和夏天他们发现趋势的1.6和0.88°C / 100年,这是在协议与我们的夏天残差的趋势,但大约一半的spring 3.2°C / 100年的趋势。他们找到一个增加的趋势(极地放大)当他们确定趋势最近时间1959 - 2008和1979 - 2008年,后者年度趋势为6.4°C / 100年(27]。我们不能确认这个结果在我们剩余系列,但同意强放大的一个可能的解释春天albedo-ice趋势的影响。

PSCL模型的结果,解释了超过60%的年度和冬季温度的温度差斯瓦尔巴特群岛,可以与太阳能相比迫使超过75%的方差的年代际平滑北极或spring平均气温由很快(28]。他的分析是基于年代际和数十年重建的北极以北62 N,小波分析和关联的温度重建温度与太阳能TSI变化。

一个太阳活动周期的温度响应的滞后可能有两种解释。第一个是太阳活动周期长度和振幅之间的关系()下一个周期的发现Solanki和Krivova11),假设之间的关系和温度。这种效果应该是全球性的。太阳能的另一个因素是运输时间信号与大西洋洋流从温暖的加勒比西海岸的斯瓦尔巴特群岛。分析海洋温度Faroe-Shetland通道和可乐部分,Yndestad et al。29日)找到一个2年的相位延迟一个月潮的信号。太阳能辐射信号从加勒比海因此可能需要几年的时间到达斯瓦尔巴特群岛地区。增加海洋温度还将加强对流下降和络筒机热空气流和解释季节性差异在斯瓦尔巴特群岛。附加参数对于这个解释PSCL相关性越高在北大西洋站(Torshavn,阿库雷里,斯瓦尔巴特群岛)比沿海和内陆地区的挪威SSH11 [15]。

基于PSCL关系我们预测的温度下降在斯瓦尔巴特群岛≈3.5°C [±2°C - 95%置信区间)在2009 - 20与前SC23相比。下降顺序相同的预测是基于最强的温度周期HSS12 [3]。冬季平均温度的温度下降≈估计6°C,如图3的钻石酒吧表明95%置信区间。在这个数字也观察到温度2009 - 2011显示为虚线,给人一个印象,即至少冬天温度已经大幅下降。

4所示。结论

(我)一系列线性关系存在于温度之间的斯瓦尔巴特群岛一个太阳活动周期的长度和下一个太阳活动周期的平均温度。(2)每年,冬季平均温度可以建模为一个函数的前面的太阳活动周期的长度,高度显著的负趋势。我们称之为PSCL回归模型。(3)PSCL模型的残差没有积极的自相关使用杜宾沃森测试。之间的相关系数估计观察温度和温度适合的回归模型为年度和冬季平均气温相当高。估计的不确定性水平相关性系数计算通过引导分析在一个可接受的水平。因此,冬季模型和每年平均模型被认为是可以接受的,这意味着不需要额外的变量。(iv)衡量太阳能贡献系数的决心PSCL年和冬季模型。这表明大约60%的温度变化可以归因于太阳活动每年平均和冬季平均气温。(v)冬季平均温度的残差显示负的线性趋势,这表明冷却可能发生了过去的100年里,如果太阳活动没有增加所观测到的太阳活动周期的缩短。(vi)太阳周期/温度关系(我们的模型PSCL),当一个太阳黑子周期完成后,可用来预测下一个太阳周期的温度。斯瓦尔巴特群岛这意味着估计冷却≈3°C的年平均气温从SC23 SC24,这将至少持续到2020年。冬天冷≈6°C。这些预测可以测试一个可能的天文气候连接。(七)这个回归预测模型的好处,而不是大多数其他回归模型的解释变量,使用说明),以前的太阳周期长,不确定性。通常的解释变量预测,导致产生大量额外的预测不确定性。(八)春天和秋天的负面趋势PSCL模型在80%的显著水平。残差的积极和消极的自我,一个可能也希望其他变量可能存在这些系列。弹簧模型残差显示显著的长期趋势为0.032°C /年,它表明一种放大,可能与减少北极和地方冰雪覆盖的春季反照率效应。秋季的残差系列显示没有明显的趋势。这可能是解释为附近的峡湾(Isfjord),从来没有被冻结在秋冬季节系列在1912年开始以来的温度。

确认

斯瓦尔巴特群岛温度数据系列中使用本研究获得的eKlima互联网门户运行的数据挪威气象研究所。Hakon Stordahl感谢帮助与引导编程和匿名裁判建议帮助初等数学大大提高纸。