在冬季，熱帶與極地平流層之間的溫度梯度促使極地形成強(qiáng)大的氣旋性環(huán)流，即平流層極渦（Stratospheric Polar Vortex, SPV）。該系統(tǒng)位于距地表約15至50公里處（對應(yīng)氣壓水平范圍約為1至100 hPa），是中間層、平流層與對流層之間能量與物質(zhì)傳輸?shù)闹匾~帶，其變率對地球大氣環(huán)流和天氣氣候有著深遠(yuǎn)影響。

影響SPV變率的因素主要分為地球內(nèi)部強(qiáng)迫因子和外部強(qiáng)迫因子兩類。內(nèi)部強(qiáng)迫因子包括平流層臭氧含量變化、準(zhǔn)兩年振蕩（QBO）、火山活動(dòng)、海溫異常、北極海冰變化、厄爾尼諾–南方濤動(dòng)（ENSO）等；而外部強(qiáng)迫因子主要指太陽活動(dòng)，其通過電磁輻射和粒子輻射等方式影響地球大氣系統(tǒng)。

太陽質(zhì)子事件（Solar Proton Events, SPE）是一種典型的太陽爆發(fā)現(xiàn)象，在太陽耀斑或日冕物質(zhì)拋射過程中釋放出大量高能質(zhì)子。因此，在太陽質(zhì)子事件期間，強(qiáng)烈的電磁輻射與大量高能粒子輻射往往相伴而生，是太陽輻射綜合作用于地球大氣的典型事件。盡管已有研究指出強(qiáng)SPE事件期間SPV會(huì)增強(qiáng)，但目前關(guān)于太陽能量質(zhì)子通量與SPV變率之間的定量關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)性研究，尤其是對耀斑輻射與粒子通量協(xié)同作用的機(jī)制尚不清晰。

近日，空間中心太陽活動(dòng)與空間天氣全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)的李暉研究員與碩士生李雅軒，基于GOES衛(wèi)星的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)和ERA5再分析數(shù)據(jù)，明確了太陽高能質(zhì)子通量、紫外輻射強(qiáng)度和極渦強(qiáng)度改變量之間的定量關(guān)系，找出了太陽耀斑伴隨的SPE期間影響平流層極渦變率的關(guān)鍵因素，并進(jìn)一步探究了SPE影響平流層極渦的潛在機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)：1）在北半球冬季，SPV對SPEs有表現(xiàn)出明顯響應(yīng)，且與高度相關(guān)（圖1）。2）太陽高能質(zhì)子通量與SPV增強(qiáng)之間存在正相關(guān)（圖2）。3）與太陽耀斑相關(guān)的紫外輻射增加是平流層頂區(qū)域SPV增強(qiáng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。而在平流層中下層，太陽高能質(zhì)子對SPV增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)作用更為顯著。4）提出了通過不同的臭氧響應(yīng)放大經(jīng)向溫度梯度來增強(qiáng)平流層極渦的潛在機(jī)制（圖3）。

本研究系統(tǒng)揭示了太陽質(zhì)子事件對平流層極渦影響的定量關(guān)系及其潛在作用機(jī)制，深化了我們對日地相互作用的認(rèn)識(shí)，為探討太陽活動(dòng)對地球天氣和氣候的影響開辟了新的科學(xué)路徑。相關(guān)成果已發(fā)表在本領(lǐng)域國際期刊JGR: Space Physics 上。

文章鏈接：Li, H., Li, Y., Wang, Y., Sun, J., & Wang, C. (2025). Impact of solar proton events on the stratospheric polar vortex in the Northern Hemisphere: A quantitative analysis. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 130,? e2024JA033068. https://doi.org/10.1029/2024JA033068

圖1 SPV 在“萬圣節(jié)”風(fēng)暴的SPE期間顯著增強(qiáng)。

圖2 不同高度上平流層極渦絕對變化與SPE期間太陽質(zhì)子總通量之間的關(guān)系。

圖3 強(qiáng)SPE影響SPV的潛在機(jī)制：(a) 通常情況下；（b）強(qiáng)SPE期間。

（供稿：天氣室）