空间中心科研人员揭示强太阳质子事件对平流层极涡的影响

在冬季，热带与极地平流层之间的温度梯度促使极地形成强大的气旋性环流，即平流层极涡（Stratospheric Polar Vortex, SPV）。该系统位于距地表约15至50公里处（对应气压水平范围约为1至100 hPa），是中间层、平流层与对流层之间能量与物质传输的重要纽带，其变率对地球大气环流和天气气候有着深远影响。

影响SPV变率的因素主要分为地球内部强迫因子和外部强迫因子两类。内部强迫因子包括平流层臭氧含量变化、准两年振荡（QBO）、火山活动、海温异常、北极海冰变化、厄尔尼诺–南方涛动（ENSO）等；而外部强迫因子主要指太阳活动，其通过电磁辐射和粒子辐射等方式影响地球大气系统。

太阳质子事件（Solar Proton Events, SPE）是一种典型的太阳爆发现象，在太阳耀斑或日冕物质抛射过程中释放出大量高能质子。因此，在太阳质子事件期间，强烈的电磁辐射与大量高能粒子辐射往往相伴而生，是太阳辐射综合作用于地球大气的典型事件。尽管已有研究指出强SPE事件期间SPV会增强，但目前关于太阳能量质子通量与SPV变率之间的定量关系仍缺乏系统性研究，尤其是对耀斑辐射与粒子通量协同作用的机制尚不清晰。

近日，空间中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王赤院士团队的李晖研究员与硕士生李雅轩，基于GOES卫星的质子通量数据和ERA5再分析数据，明确了太阳高能质子通量、紫外辐射强度和极涡强度改变量之间的定量关系，找出了太阳耀斑伴随的SPE期间影响平流层极涡变率的关键因素，并进一步探究了SPE影响平流层极涡的潜在机制。研究发现：1）在北半球冬季，SPV对SPEs有表现出明显响应，且与高度相关（图1）。2）太阳高能质子通量与SPV增强之间存在正相关（图2）。3）与太阳耀斑相关的紫外辐射增加是平流层顶区域SPV增强的主要驱动因素。而在平流层中下层，太阳高能质子对SPV增强的驱动作用更为显著。4）提出了通过不同的臭氧响应放大经向温度梯度来增强平流层极涡的潜在机制（图3）。

本研究系统揭示了太阳质子事件对平流层极涡影响的定量关系及其潜在作用机制，深化了我们对日地相互作用的认识，为探讨太阳活动对地球天气和气候的影响开辟了新的科学路径。相关成果已发表在本领域国际期刊JGR: Space Physics 上。

文章链接：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

图1 SPV 在“万圣节”风暴的SPE期间显著增强。

图2 不同高度上平流层极涡绝对变化与SPE期间太阳质子总通量之间的关系。

图3 强SPE影响SPV的潜在机制：(a) 通常情况下；（b）强SPE期间。

（供稿：天气室）