大氣角動(dòng)量的研究進(jìn)展

石文靜楊萍肖子牛

（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044）

大氣角動(dòng)量的研究進(jìn)展

石文靜1,2楊萍1肖子牛1,2

（1 中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044）

地球系統(tǒng)由固體地球、大氣和海洋等流體層組成。在自轉(zhuǎn)的地球上相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)的空氣，因受到摩擦和山脈的作用，與轉(zhuǎn)動(dòng)地球之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即為大氣角動(dòng)量（Atmospheric angular momentum，AAM）。早期有關(guān)AAM的研究主要用于解釋大氣環(huán)流中信風(fēng)和盛行西風(fēng)得以維持的原因，而近些年來研究者更注重研究AAM的變化問題，包括山脈和摩擦力矩、角動(dòng)量及其輸送的季節(jié)、年際和年代際等多時(shí)間尺度的變化問題，并將其與日長(zhǎng)（Long of day，LOD）變化、厄爾尼諾和南方濤動(dòng)等地球、海洋和大氣現(xiàn)象聯(lián)系起來。作為一個(gè)描述大氣環(huán)流的基本變量，AAM的平衡和異常反映了大氣活動(dòng)與固體地球、海洋在多時(shí)空尺度上的耦合過程。比如，大氣的季節(jié)性質(zhì)量重新分布（大氣壓）和運(yùn)動(dòng)（緯向風(fēng)）的驅(qū)動(dòng)（也就意味著AAM發(fā)生了變化）可導(dǎo)致LOD隨之發(fā)生相應(yīng)的季節(jié)性變化；從角動(dòng)量守恒的角度來講，當(dāng)大氣自西向東的角動(dòng)量增加時(shí)，固體地球的角動(dòng)量必然減小，地球自轉(zhuǎn)速度減慢，LOD增大，反之亦然。因此，AAM的研究一直以來都受到氣象學(xué)家、天文學(xué)家和地球科學(xué)家等的青睞。主要總結(jié)了20世紀(jì)80年代以來在地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換和平衡、AAM的變化及其與大氣、海洋活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)的聯(lián)系等方面的相關(guān)研究進(jìn)展，并指出了當(dāng)前研究中所存在的一些問題，為未來的科學(xué)研究提供參考。

大氣角動(dòng)量，收支平衡，ENSO，研究進(jìn)展

1 引言

早期的大氣角動(dòng)量(atmospheric angular momentum,AAM)作為研究大氣環(huán)流的主要工具之一而被人們熟知,它將大氣與地球相聯(lián)系,用以闡明大氣環(huán)流中的機(jī)制問題。以Ferrel[1]于1856 年引進(jìn)一個(gè)在他以前不為任何氣象工作者所認(rèn)識(shí)的“新”的力(即科氏力的南北分量)為界,在這之前,人們更多

地認(rèn)為大氣在運(yùn)動(dòng)中是角速度在守恒,而沒有認(rèn)識(shí)到角動(dòng)量這個(gè)概念。早在17世紀(jì)30年代,Hadley在絕對(duì)速度而不是絕對(duì)角動(dòng)量守恒的假設(shè)下就得出結(jié)論：如果一空氣質(zhì)點(diǎn)開始流向赤道時(shí)沒有向東或向西的相對(duì)運(yùn)動(dòng),由于低緯地區(qū)地球向東運(yùn)動(dòng)得快,要保持質(zhì)點(diǎn)的絕對(duì)速度,在到達(dá)較低緯度時(shí)質(zhì)點(diǎn)就會(huì)具有相對(duì)于地球的向西運(yùn)動(dòng)。但他發(fā)現(xiàn),當(dāng)空氣向南運(yùn)動(dòng)了很大一段距離后所應(yīng)有的向西的風(fēng)速要比實(shí)際觀測(cè)到的大得多。這里明顯的一個(gè)錯(cuò)誤就是在沒有東西向力存在的情況下,向赤道或極地運(yùn)動(dòng)的空氣不保持其絕對(duì)速度,而保持其絕對(duì)角動(dòng)量。之后,Thomson[2]和Oberbeck[3]等氣象學(xué)家在研究大氣環(huán)流圖案時(shí),陸續(xù)開始關(guān)注了角動(dòng)量平衡的問題。直到1926年, Jeffreys[4]在研究氣旋的作用時(shí),才真正把角動(dòng)量的觀念應(yīng)用起來。

由于地球自轉(zhuǎn),相對(duì)地球表面運(yùn)動(dòng)的空氣受到摩擦和山脈作用,與轉(zhuǎn)動(dòng)地球之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩(即角動(dòng)量)。因而,繞地軸旋轉(zhuǎn)的單位質(zhì)量空氣的絕對(duì)角動(dòng)量可表示為[5]：

式中,相對(duì)角動(dòng)量Mr=aucosφ, 地球角動(dòng)量MΩ=a2Ωcos2φ, u為空氣的緯向風(fēng)速,Ω為地球自轉(zhuǎn)角速度,a是地球半徑,φ是緯度。

單位體積氣塊的絕對(duì)角動(dòng)量的個(gè)別變化又取決于沿緯圈的壓力差(由于山脈作用產(chǎn)生的壓力矩)和摩擦力矩：

山脈力矩的物理意義又是怎樣的呢?比如,在西風(fēng)帶的某一緯圈上有一座山,在西風(fēng)氣流的作用下,山脈西側(cè)迎風(fēng)坡處氣壓值比東側(cè)背風(fēng)坡處氣壓值高(即存在向東的氣壓梯度力),氣壓力矩將使地球加速向東轉(zhuǎn)動(dòng),因而大氣損耗了西風(fēng)角動(dòng)量,絕對(duì)AAM將減弱。對(duì)于摩擦力矩,東風(fēng)的情況下,Fλ＞0,摩擦力矩是正的,使得絕對(duì)AAM增加。

長(zhǎng)期以來,地球表面上不停環(huán)繞地球做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的東西風(fēng)帶平均而言維持不變的事實(shí),說明在沒有外力矩和不考慮海洋的作用下,地球和大氣閉合系統(tǒng)中絕對(duì)角動(dòng)量是守恒的。到20世紀(jì)50年代,有關(guān)地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換和平衡及其物理機(jī)制等問題已出現(xiàn)大量研究[6-9]。對(duì)角動(dòng)量平衡的研究經(jīng)常涉及到山脈力矩、摩擦力矩以及大氣自身對(duì)大氣內(nèi)部角動(dòng)量的水平和垂直輸送[6,9]。早在20世紀(jì)60年代,Bjerknes[10]就把太平洋上發(fā)生的增溫現(xiàn)象看成是大尺度海氣相互作用的結(jié)果。到20世紀(jì)80年代初,Stefanick[11]發(fā)現(xiàn)AAM的年際變化與南方濤動(dòng)聯(lián)系密切,同時(shí),研究者還發(fā)現(xiàn)了AAM的季節(jié)和季節(jié)內(nèi)變化及其與一些季節(jié)內(nèi)氣候振蕩的可能聯(lián)系。從此,這一領(lǐng)域逐漸得到重視。隨著觀測(cè)儀器和觀測(cè)手段的進(jìn)步,長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)資料的獲取成為可能,近些年研究者又開始致力于探索AAM的年代際變化及其與年代際氣候振蕩的聯(lián)系,包括其內(nèi)在的物理機(jī)制等問題。

在討論地氣系統(tǒng)絕對(duì)角動(dòng)量平衡時(shí),必須要清楚大氣與地球之間的角動(dòng)量交換,這可以由兩種方式得到：一種是通過計(jì)算大氣與地球之間的摩擦應(yīng)力得到,另一種是間接地由晝夜長(zhǎng)度年變化來計(jì)算?？梢?AAM和地球日長(zhǎng)(length of day,LOD)變化之間也存在密不可分的聯(lián)系。20世紀(jì)80年代以來,研究者對(duì)AAM的變化與LOD的聯(lián)系給予了很多關(guān)注,最具有代表性的就是Langley等[12]給出了AAM變化與LOD變化之間的定量關(guān)系。

本文基于對(duì)已有關(guān)于AAM研究的回顧,從角動(dòng)量平衡(包括大氣內(nèi)部角動(dòng)量輸送、摩擦力矩、山脈力矩)、AAM的變化(包括季節(jié)和季節(jié)內(nèi)、年際、年代際甚至更長(zhǎng)周期的變化)及其與大氣、海洋活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)的聯(lián)系等幾個(gè)方面,梳理了近期國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果,為更好地開展該領(lǐng)域的研究工作提供一定的參考。

2 角動(dòng)量交換及收支平衡

2.1 角動(dòng)量輸送

眾所周知,大氣在東風(fēng)帶通過摩擦和山脈作用獲得地球給予的西風(fēng)角動(dòng)量,在西風(fēng)帶里又通過摩擦和山脈的作用失去得到的西風(fēng)角動(dòng)量。長(zhǎng)期以來,東風(fēng)帶并沒有因獲得西風(fēng)角動(dòng)量而使東風(fēng)減弱,西風(fēng)帶也沒有因失去西風(fēng)角動(dòng)量而使西風(fēng)減弱,為維持東西風(fēng)帶,全球范圍內(nèi)的AAM必須是守恒的,這就意味著大氣內(nèi)部必須有角動(dòng)量的輸送,包括水平輸送和垂直輸送[5]。

大氣內(nèi)部角動(dòng)量的水平輸送主要包括平均經(jīng)圈環(huán)流、定常渦旋以及瞬變渦旋的相對(duì)AAM輸送[5]。通過計(jì)算大氣內(nèi)部角動(dòng)量水平輸送的各項(xiàng),可以發(fā)現(xiàn)與瞬變渦旋相比,定常渦旋和平均經(jīng)圈環(huán)流導(dǎo)致的AAM水平輸送的總垂直積分值要小很多,尤其是北半球夏季,這說明AAM的水平輸送主要依賴于瞬變渦旋來完成。瞬變渦旋對(duì)AAM輸送的峰值不論冬、夏季還是南、北半球均出現(xiàn)在30°緯度附近。然而,冬季低緯

度平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)AAM的輸送比較顯著,這說明冬季低緯地區(qū)Hadley環(huán)流很重要。

要維持大氣內(nèi)部角動(dòng)量守恒,除了角動(dòng)量水平輸送以外,必須有垂直輸送的協(xié)同才能完成[5]。由于最大的AAM水平輸送出現(xiàn)在對(duì)流層上部,而AAM的源匯分布在地面,與地表風(fēng)帶的分布一致,因此熱帶東風(fēng)帶里就有向上的AAM輸送,中高緯西風(fēng)帶里就有向下的AAM輸送,從而維持整個(gè)大氣內(nèi)部角動(dòng)量的平衡[13]。

20世紀(jì)20年代,Jeffreys[4]就指出地球和大氣之間存在系統(tǒng)的角動(dòng)量交換,強(qiáng)調(diào)了角動(dòng)量水平輸送的必要性及輸送機(jī)制。葉篤正等[6]進(jìn)一步指出AAM通過大氣環(huán)流槽脊的南北輸送保持絕對(duì)角動(dòng)量守恒。Starr[14]闡述了大氣中大型渦旋對(duì)角動(dòng)量輸送的重要作用。葉篤正等[15]認(rèn)為經(jīng)圈環(huán)流對(duì)AAM的輸送作用也很重要,在中高緯度地區(qū)大型渦旋是角動(dòng)量的主要輸送者,而在低緯度地區(qū)經(jīng)圈環(huán)流的作用將大大增加。吳國(guó)雄等[16]也贊同平均經(jīng)圈環(huán)流對(duì)AAM平衡有重要作用的觀點(diǎn)。

Feldstein[17]對(duì)季節(jié)內(nèi)尺度上相對(duì)AAM的向極傳播現(xiàn)象做了深入研究,指出相對(duì)AAM的向極傳播現(xiàn)象在兩半球冬、夏季均存在。與中緯度相比,副熱帶和高緯度的向極傳播更快、更均一,并指出高緯度相對(duì)AAM的向赤道傳播發(fā)生在向極傳播之后。通過研究AAM的收支平衡,他還發(fā)現(xiàn)相對(duì)AAM的變化主要取決于渦旋角動(dòng)量通量散度和摩擦力矩,而摩擦力矩主要起到削弱相對(duì)AAM的作用。在副熱帶和中緯度地區(qū),相對(duì)AAM的向極傳播受到高頻渦旋(＜10d)角動(dòng)量通量散度的影響；而在高緯度地區(qū),相對(duì)AAM的傳播主要受到高低頻交叉渦旋和低頻(＞10d)渦旋角動(dòng)量通量散度之和的影響。相對(duì)AAM首先受到高頻瞬變渦旋的反饋?zhàn)饔?向極傳播并不斷加強(qiáng),一旦相對(duì)AAM獲得最大振幅,就轉(zhuǎn)換成受到高低頻交叉渦旋和低頻渦旋共同的反饋?zhàn)饔?加之摩擦力矩的作用,導(dǎo)致相對(duì)AAM衰減。此外,他還指出,副熱帶和中緯度相對(duì)AAM的向極傳播主要受到高頻瞬變渦旋角動(dòng)量輻合的作用,而高緯度則是高低頻交叉渦旋和低頻瞬變渦旋角動(dòng)量輻合的作用。然而,對(duì)于北半球冬季而言,由定常渦旋和瞬變渦旋相互作用而導(dǎo)致的渦旋角動(dòng)量通量的異常對(duì)相對(duì)AAM向極傳播的變化也有一定影響。James等[18]則認(rèn)為相對(duì)AAM的向極傳播很可能以類似平流層爆發(fā)性增溫的方式導(dǎo)致波—流相互作用。Huang等[19]的研究則表明在年際變化尺度上,熱帶地區(qū)角動(dòng)量的向極傳播將熱帶和極區(qū)的氣候變化聯(lián)系起來,這種角動(dòng)量的向極傳播和一些氣候振蕩(比如ENSO、PNA、NAO、AO、AAO和PSA等)的聯(lián)系密切。

2.2 山脈力矩、摩擦力矩的作用

摩擦和山脈力矩是地球和大氣之間角動(dòng)量交換的兩種主要途徑,它的變化和異常在AAM交換中起著重要作用。早在1950年左右,摩擦和山脈力矩在地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換中的相對(duì)作用及與一些天氣尺度系統(tǒng)的關(guān)系等研究已經(jīng)得以重視和開展。

在氣候態(tài)平均上,摩擦力矩主要來自南、北緯60°以內(nèi)地區(qū),極區(qū)摩擦力矩很小。具體而言,兩半球中低緯度(南北緯30°以內(nèi))地區(qū)多為正值,表明低緯度地區(qū)大氣通過摩擦力矩獲得地球給予的角動(dòng)量；中高緯度(南北緯30°—60°)地區(qū)摩擦力矩為負(fù)值,表明大氣通過摩擦力矩失去角動(dòng)量。中低緯度和中高緯度地區(qū)摩擦力矩于半球冬季達(dá)到極值,中心分別位于15°和45°附近；而夏季最小。北半球山脈力矩主要集中在60°N以南,南半球山脈力矩主要集中在35°S以北。30°—43°N、0°—11°S、15°S和30°S附近山脈力矩常年為正,即大氣通過山脈力矩獲得角動(dòng)量。22°—30°N及15°S南北兩側(cè)山脈力矩常年為負(fù),即大氣通過山脈力矩失去角動(dòng)量。由于地形的復(fù)雜性,山脈力矩的季節(jié)變化比摩擦力矩復(fù)雜。

早期研究中,White[8]認(rèn)為摩擦力矩和山脈力矩的貢獻(xiàn)相當(dāng)。Oort等[20]通過計(jì)算1958年5月—1963年4月10°S—80°N范圍內(nèi)的大型山脈力矩的逐月數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)山脈力矩的年際變化非常顯著,尤其是冬半年。他還強(qiáng)調(diào)對(duì)于整個(gè)北半球而言,山脈力矩和摩擦力矩同等重要,兩個(gè)力矩均是夏季為角動(dòng)量匯,冬季為角動(dòng)量源。Swinbank[21]則持不同觀點(diǎn),認(rèn)為兩者的相對(duì)重要性取決于時(shí)間尺度,在不同的時(shí)間尺度上兩者的貢獻(xiàn)有所不同?；诎匦魏瓦吔鐚臃桨傅腢KMO大氣環(huán)流模式(GCM),Swinbank[21]計(jì)算了全球摩擦力矩和山脈力矩的逐日資料,對(duì)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)山脈力矩是全球AAM短周期變化的主要貢獻(xiàn)者。在AAM年際變化尺度上,山脈力矩的作用相對(duì)更為重要,AAM的變化與太平洋上大氣質(zhì)量相對(duì)固體地球的再分布(ENSO)息息相關(guān)[10,22]。而在年代際變化尺度上,摩擦力矩的貢獻(xiàn)顯著[23]。Iskenderian等[24]通過高頻濾波處理,發(fā)現(xiàn)中緯度山脈(落基山、喜馬拉雅山、安第斯山)力矩對(duì)AAM的高頻振蕩(＜14d)貢獻(xiàn)很大,而熱帶和極區(qū)山脈力矩、摩擦力矩對(duì)這一高頻振蕩的作用要小很多。Weickmann[25]認(rèn)為在季節(jié)內(nèi)尺度上,全球山脈力矩和摩擦力矩有顯著超前滯后相關(guān),摩擦力矩超前于山脈力矩。這種關(guān)系說明了兩種基本

反饋機(jī)制,即山脈力矩觸發(fā)全球AAM發(fā)生變化,而摩擦力矩抑制這種變化；摩擦力矩的變化與中緯度海平面氣壓的變化相聯(lián)系,繼而影響山脈力矩異常。

山脈、摩擦力矩與天氣系統(tǒng)的變化關(guān)系在近十多年研究較多。王亞非等[26]對(duì)1998年5—6月喜馬拉雅山AAM收支與東亞天氣尺度系統(tǒng)變化的聯(lián)系進(jìn)行了考察,發(fā)現(xiàn)喜馬拉雅山山脈、摩擦力矩與梅雨鋒區(qū)700hPa高度場(chǎng)均有顯著相關(guān),且這種相關(guān)存在6d左右的周期。山脈力矩與梅雨鋒區(qū)高度場(chǎng)有較高的同時(shí)和滯后6d的正相關(guān)；而摩擦力矩與梅雨鋒區(qū)的高度場(chǎng)有提前3d和滯后3～6d的顯著正相關(guān),這說明喜馬拉雅山摩擦力矩可能影響著其下游的一個(gè)6d左右的天氣尺度系統(tǒng)擾動(dòng),而下游的這種擾動(dòng)很可能影響山脈力矩的大小,也就是說假設(shè)當(dāng)東亞區(qū)域西風(fēng)氣流加大時(shí)導(dǎo)致了負(fù)摩擦力矩加大,從而使得相對(duì)AAM減少,3d后在梅雨區(qū)域上會(huì)出現(xiàn)低壓系統(tǒng)增強(qiáng)。這種增強(qiáng)使得喜馬拉雅山山脈力矩有負(fù)增長(zhǎng),導(dǎo)致相對(duì)AAM繼續(xù)減少,而這種負(fù)增長(zhǎng)很可能再導(dǎo)致西風(fēng)氣流的加強(qiáng),造成負(fù)摩擦力矩增強(qiáng)。如果沒有正角動(dòng)量的平流輸送,這種正反饋效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致梅雨鋒附近的低壓持續(xù)增強(qiáng)。Egger等[27]研究指出,當(dāng)北大西洋系統(tǒng)東移經(jīng)過地中海地區(qū)的群山時(shí),該地區(qū)的山脈力矩會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,進(jìn)而影響經(jīng)過山脈的氣流的角動(dòng)量。對(duì)于東移的大尺度系統(tǒng)(系統(tǒng)的水平尺度大于山脈),當(dāng)系統(tǒng)等壓線呈西南—東北走向時(shí),這種作用主要體現(xiàn)在山脈力矩的緯向分量上；當(dāng)系統(tǒng)等壓線呈西北—東南走向時(shí),這種作用主要體現(xiàn)在山脈力矩的經(jīng)向分量上。在這種系統(tǒng)氣壓場(chǎng)上的配置下,由于山脈作用,將產(chǎn)生低層(4000m以下)氣壓場(chǎng)上的扭曲,使得經(jīng)過山脈的氣流的角動(dòng)量減少。這種低層氣壓場(chǎng)上的扭曲與阿爾卑斯山山脈力矩有滯后t≤0d(t為滯后時(shí)間)的正相關(guān),與小亞細(xì)亞山脈力矩有滯后-2d＜t＜d天的正相關(guān),與阿特拉斯山脈力矩只存在同期相關(guān)。Czarnetzki[28]也曾指出落基山山脈力矩、摩擦力矩與落基山東面的天氣尺度氣旋活動(dòng)相關(guān)密切。

此外,山脈力矩(喜馬拉雅山、落基山)的變化和ENSO及大氣的低頻振蕩(AO、NAO、PNA)也有著密不可分的關(guān)系[29-30]。

3 AAM的變化與ENSO等熱帶活動(dòng)的聯(lián)系

實(shí)際大氣的變化主要體現(xiàn)在相對(duì)AAM的變化上,對(duì)AAM的研究多涉及到相對(duì)AAM。20世紀(jì)80年代,人們開始注意到ENSO與AAM的密切聯(lián)系。強(qiáng)的厄爾尼諾(1982—1993年,1997—1998年)發(fā)生時(shí),AAM和LOD均出現(xiàn)極大值[31]。Stefanick[11]在研究1963—1973年AAM的年際變化及南方濤動(dòng)時(shí)指出,厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí),南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)達(dá)到負(fù)的極大值,在西太平洋存在正的氣壓異常,東太平洋存在負(fù)的氣壓異常,從而導(dǎo)致正的向東的氣壓梯度異常,使得東風(fēng)減弱,相對(duì)AAM增加。錢維宏等[32]研究表明地氣系統(tǒng)中的角動(dòng)量交換是通過地氣(或海氣)界面上的摩擦力矩、山脈力矩來同ENSO相聯(lián)系的,地球自轉(zhuǎn)速率、赤道東太平洋海溫、不同緯帶及全球AAM之間存在著協(xié)同變化關(guān)系。Dickey等[33]在分析1997—1998年強(qiáng)ENSO事件對(duì)地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換的影響時(shí),指出相對(duì)AAM存在自赤道向高緯的向極傳播現(xiàn)象,這種向極傳播在低頻(4.7a)和準(zhǔn)兩年(2.4a)周期上最為顯著。del Rio等[34]的研究也曾揭示,AAM準(zhǔn)兩年振蕩(QBO)可分為平流層的向下傳播和對(duì)流層的向上傳播,當(dāng)兩種QBO信號(hào)處于同位相時(shí),就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的厄爾尼諾現(xiàn)象(比如1982—1983年,1997—1998年)。AAM 3～4年的周期振蕩僅存在對(duì)流層自下而上的傳播型,在這一時(shí)間尺度上,相對(duì)AAM不僅存在赤道的向極傳播,還有極地的向赤道傳播。相對(duì)AAM的向赤道傳播對(duì)ENSO也有一定影響,比如在1982—1983年和1972—1973年的厄爾尼諾事件發(fā)生時(shí),相對(duì)AAM出現(xiàn)向赤道傳播。在年際變化上,相對(duì)AAM顯著的向極傳播與ENSO息息相關(guān)[35]。Chen等[36]探索了年際變化尺度上,引起相對(duì)AAM向極傳播的原因。他指出ENSO冷位相期間,西風(fēng)異常出現(xiàn)在熱帶或者較高緯度,全球相對(duì)AAM異常達(dá)到最小值；相反,ENSO暖事件期間,副熱帶地區(qū)出現(xiàn)西風(fēng)異常,全球相對(duì)AAM異常達(dá)到最大值,角動(dòng)量的向極傳播就是由這種冷、暖事件過渡期間異常環(huán)流的突變所引起的。

Paek等[37]借助于CMIP3和CMIP5模式分析了AAM (包括MΩ和Mr)的百年際和多年代際變化趨勢(shì)。他在研究中指出,AAM的變化趨勢(shì)主要由相對(duì)AAM貢獻(xiàn),在20世紀(jì)和21世紀(jì),AAM均存在顯著增加趨勢(shì),但是21世紀(jì)的增加趨勢(shì)明顯強(qiáng)于20世紀(jì),導(dǎo)致AAM增加的誘因是溫室氣體。在多年代際時(shí)間尺度上,相對(duì)AAM的變化趨勢(shì)并不顯著,由此,溫室氣體對(duì)AAM多年代際上的影響并不顯著。del Rio等[38]利用20世紀(jì)139年(1870—2008年)的再分析資料研究了AAM的長(zhǎng)時(shí)間尺度(20a以上周期成分)的變化特征。他的研究表明1950—1985年期間全球AAM有增加趨勢(shì), 20世紀(jì)80年代中期以后開始減弱。在年際至十年時(shí)間尺度上(25a以下),AAM與ENSO之間存在很高的

相關(guān)性,而在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上(30～50a,甚至80a以上),AAM可能對(duì)LOD的變化起一定作用。30～50a的時(shí)間尺度上,AAM與PDO同步變化,更長(zhǎng)時(shí)間尺度上(80a以上)AAM滯后于PDO、ENSO。Yang等[39]在對(duì)比研究全球、熱帶、副熱帶AAM的變化特征時(shí),發(fā)現(xiàn)在AAM從熱帶向副熱帶傳播的過程中存在一個(gè)2a左右的循環(huán)周期：當(dāng)熱帶AAM增加時(shí),在隨后的10個(gè)月伴隨副熱帶AAM亦增加；而當(dāng)副熱帶AAM增加時(shí),會(huì)伴隨隨后的4～14個(gè)月熱帶AAM的減少。這種AAM從熱帶到副熱帶的傳播活動(dòng)在ENSO事件發(fā)生時(shí)表現(xiàn)的尤為顯著,比如1982—1983、1997—1998年的厄爾尼諾事件,對(duì)應(yīng)強(qiáng)的熱帶AAM的向副熱帶傳播。

3.2 AAM的季節(jié)內(nèi)振蕩與熱帶對(duì)流

全球AAM的季節(jié)內(nèi)振蕩主要通過兩種方式來激發(fā),一種是副熱帶山脈力矩,另一種是熱帶對(duì)流活動(dòng)[39]。Dickey等[40]發(fā)現(xiàn)在40d左右時(shí)間尺度上,熱帶外AAM有向赤道傳播的現(xiàn)象,并通過對(duì)比研究中緯度和熱帶AAM季節(jié)內(nèi)振蕩的可能的不同激發(fā)源,認(rèn)為熱帶地區(qū)50d振蕩與MJ波的對(duì)流驅(qū)動(dòng)有關(guān)聯(lián),而熱帶外40d振蕩與非緯向流和地形的相互作用有關(guān)。Marcus等[41]也表示北半球熱帶外地區(qū)的AAM存在40d振蕩,這種振蕩由山脈力矩及其與緯向?qū)ΨQ環(huán)流的相互作用所激發(fā)。AAM與熱帶地區(qū)40～50d振蕩(MJO)活動(dòng)的聯(lián)系也很密切。20世紀(jì)80年代初期,Langley等[12]就發(fā)現(xiàn)LOD和全球AAM均存在50d左右的振蕩。Anderson等[42]將這種AAM季節(jié)內(nèi)尺度的變化與MJO聯(lián)系起來,分析了緯向平均緯向風(fēng)的向極和向下傳播。他表示當(dāng)緯向平均緯向風(fēng)到達(dá)副熱帶時(shí),全球AAM達(dá)到峰值。Madden[43]的研究則表明當(dāng)MJO對(duì)流異常減弱至日界線附近時(shí),全球AAM增至最大值。Weickmann等[44]運(yùn)用全球尺度的風(fēng)場(chǎng)和OLR資料研究了熱帶MJO中的AAM循環(huán),指出AAM輸送對(duì)AAM-MJO關(guān)系而言是很重要的,AAM-MJO聯(lián)系的媒介在于熱帶對(duì)流加熱所激發(fā)的行星羅斯貝波與環(huán)境氣流緯向變化、山脈力矩的相互作用。Gutzler等[45]普查了熱帶緯向風(fēng)、總AAM、LOD及赤道附近海平面之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)它們均存在季節(jié)內(nèi)振蕩。熱帶AAM和緯向平均u風(fēng)與西太平洋(此處的MJO信號(hào)很強(qiáng))對(duì)流層上層緯向風(fēng)40～50d的振蕩的關(guān)系很弱,但是與對(duì)流層低層的關(guān)系很強(qiáng)。與MJO相聯(lián)系的太平洋表面風(fēng)應(yīng)力振蕩是動(dòng)量累積進(jìn)入和耗散離開大氣的主要媒介。

4 AAM與LOD 的聯(lián)系

LOD的長(zhǎng)周期變化源自于潮汐能量耗散和核幔電磁耦合,而其年際時(shí)間尺度上(周年、半年及高頻的飛潮汐變化)可歸因于地球、大氣和海洋之間的角動(dòng)量交換。LOD變化與AAM變化之間存在定量關(guān)系：△LOD=1.68×10-26△M[12]。

Rosen等[46]基于1976—1981年緯向風(fēng)資料,通過譜分析分析了相對(duì)AAM和觀測(cè)的固體地球的旋轉(zhuǎn)速率的時(shí)間序列,結(jié)果發(fā)現(xiàn)AAM和LOD均有明顯的年循環(huán)及年以下信號(hào),在周年及以下周期上,AAM在LOD的變化中起到很重要的驅(qū)動(dòng)作用。彭公炳[47]也表示地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)變化與全球相對(duì)AAM以及兩半球間的大氣溫差有密切聯(lián)系,當(dāng)兩半球溫差加大時(shí),AAM減小,相應(yīng)地地轉(zhuǎn)角速度加快,反之亦然。鄭大偉等[48]分析LOD、赤道海溫和AAM之間的相關(guān)關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),AAM的年際變化超前于LOD和ENSO 2～3個(gè)月,由此他認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)的年際變化和厄爾尼諾事件可能是固體地球和海洋各自對(duì)大氣環(huán)流變異的響應(yīng)。周永宏等[49]運(yùn)用小波轉(zhuǎn)換等方法研究了1970年1月—1999年6月期間LOD變化序列、AAM和南方濤動(dòng)指數(shù)的關(guān)系,結(jié)果表明LOD變化和AAM的年際變化與ENSO具有相似的時(shí)變譜結(jié)構(gòu),從LOD變化和AAM資料中可以檢測(cè)到1997—1998年厄爾尼諾和1998—1999年拉尼娜事件的信號(hào)。Gross[50]則認(rèn)為在年代際或更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上,由于幔核角動(dòng)量的交換逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位, AAM與LOD之間的同時(shí)相關(guān)性逐漸消失。楊虎等[51]將表征地球自轉(zhuǎn)速度變化的日長(zhǎng)( LOD) 數(shù)據(jù)分解為多個(gè)尺度的波動(dòng),包括以13.6d、27.3d、0.5a、1a為周期的波動(dòng)以及年際變化和年代際變化。通過對(duì)LOD 與相對(duì)AAM 的小波相干分析證明,地球自轉(zhuǎn)速度變化中40d～5a周期(包括0.5a、1a、年際變化)的波動(dòng)主要受AAM的變化激發(fā),且二者在1～5a尺度的變化相位一致。Yang等[39]研究指出相對(duì)AAM與LOD的關(guān)系存在多時(shí)間尺度變化特征。在去掉LOD線性趨勢(shì)之前,全球和熱帶AAM與LOD的相關(guān)沒有通過信度檢驗(yàn),而在去掉LOD趨勢(shì)之后,全球和熱帶AAM與LOD表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.365、0.396),超過了95%的信度檢驗(yàn)。這說明在短時(shí)間(年際)尺度上,AAM與LOD有顯著正相關(guān)；但在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,二者不存在顯著相關(guān)性；但在副熱帶具有不同的表現(xiàn),去趨勢(shì)之前相關(guān)顯著,去趨勢(shì)之后相關(guān)大大減少。

5 結(jié)束語

不難發(fā)現(xiàn),在過去的幾十年里,人們對(duì)AAM的應(yīng)用研究越來越廣泛,包括研究相對(duì)AAM及其輸送、摩擦和山脈力矩的多時(shí)間尺度變化特征,并將這些變化與ENSO、QBO及地球日長(zhǎng)等的變化聯(lián)系起來,來揭示大氣、海洋活動(dòng)與固體地球之間的耦合過程,以期

望更好理解地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中角動(dòng)量的交換過程。因此,對(duì)這一領(lǐng)域的研究具有很重要的科學(xué)意義和價(jià)值。

一方面,隨著觀測(cè)儀器、研究手段以及多學(xué)科交叉知識(shí)的不斷發(fā)展,使AAM的應(yīng)用研究得到廣泛而深入的發(fā)展,已取得豐富的研究成果,主要有以下幾方面進(jìn)展：對(duì)地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換及角動(dòng)量輸送過程的理解已形成一個(gè)比較完整和系統(tǒng)性的理論框架：固體地球、大氣和海洋作為一個(gè)封閉系統(tǒng),其總的角動(dòng)量守恒,當(dāng)大氣自西向東的角動(dòng)量增加時(shí),固體地球的角動(dòng)量必然減小,反之亦然,這種交換過程通常是通過摩擦和山脈力矩來完成的；對(duì)AAM與ENSO聯(lián)系的物理機(jī)制亦有較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)：通常來講,在El Ni?o事件期間,中太平洋低緯地區(qū)的低層大氣由向西流動(dòng)轉(zhuǎn)為向東運(yùn)動(dòng),大氣得到了與地球自轉(zhuǎn)同向的角動(dòng)量。同時(shí),由于信風(fēng)減弱,海洋上表面層洋流的自東向西運(yùn)動(dòng)也減弱,并且,隨著時(shí)間的推移,洋流開始向東流動(dòng),太平洋中的洋流也得到了一個(gè)與地球自轉(zhuǎn)方向一致的角動(dòng)量。這樣,大氣和洋流獲得角動(dòng)量,固體地球則失去角動(dòng)量,從而也導(dǎo)致了日長(zhǎng)的增加；在AAM與地球自轉(zhuǎn)變化之間的關(guān)系方面也已有突破性進(jìn)展：在不同時(shí)間尺度上二者的因果關(guān)系存在較大差異,年際尺度上引起地球自轉(zhuǎn)異常的激發(fā)源來自大氣和海洋的作用,包括相對(duì)AAM的變化以及反映海氣相互作用的ENSO,而長(zhǎng)時(shí)間尺度上(年代際甚至更長(zhǎng))引起地球自轉(zhuǎn)異常的激發(fā)源主要是核幔耦合機(jī)制。

另一方面,由于資料所限或其他原因,還有很多基本問題仍未解決,如：(1)對(duì)AAM的變化規(guī)律尤其是輸送方面的研究還不夠深入和系統(tǒng),對(duì)其變化機(jī)理以及對(duì)大氣環(huán)流異常的影響過程尚不十分清楚；(2)對(duì)山脈和摩擦力矩精確地定量計(jì)算還存在一定的困難,這給地氣系統(tǒng)角動(dòng)量的交換和角動(dòng)量輸送過程的準(zhǔn)確理解帶來一定的局限性；(3)如何建立全球大氣、海洋和固體地球耦合的綜合模式,通過考慮山脈力矩和摩擦力矩的作用來揭示地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中角動(dòng)量交換的過程還不是很清楚；(4)從AAM的視角去分析氣候異常和氣候變化的研究工作依然亟待加強(qiáng)。這些因素均影響著對(duì)AAM更加全面而深入的認(rèn)識(shí),還需要通過更多深入和細(xì)致的研究來推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。

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會(huì)議信息

◆衛(wèi)星土壤濕度驗(yàn)證和應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)(Satellite soil moisture validation & application workshop),2014年7月10—11日,阿姆斯特丹,荷蘭(http://www.hydrology- amsterdam.nl/ SoilMoistureWS_Adam14/Home.html)

◆第7屆全球能量和水循環(huán)國(guó)際科學(xué)大會(huì)(The 7th International Scientific Conference on the Global Energy and Water Cycle), 2014年7月14—17日,海牙,荷蘭(http://gewex.org/2014conf/ info.html)

◆第7屆青年學(xué)者地學(xué)會(huì)議(VII GeoSymposium of Young Researchers),2014年9月17—19日,日維茨,波蘭(http:// geosymp.wnoz.us.edu.pl/index.html)

◆EUMETSAT氣象衛(wèi)星年會(huì)(The annual EUMETSAT Meteorological Satellite Conference),2014年9月22—26日,日內(nèi)瓦,瑞士(https://www.eumetsat.int/website/home /News/ ConferencesandEvents/DAT_2076129.html)

◆氣候研究和天基地球觀測(cè)：決策所需的氣候信息(Climate Research and Earth Observations from Space: Climate Information for Decision Making),2014年10月13—17日,達(dá)姆施塔特,德國(guó)(https://www.eumetsat.int/)

◆測(cè)高技術(shù)前沿(New frontiers of altimetry),2014年10月27—31日,康斯坦茨湖,德國(guó)(http://www.ostst-altimetry-2014. com/)

◆第3屆國(guó)際ENSO會(huì)議(III International Conference on ENSO),2014年11月12—14日,瓜亞基爾,厄瓜多爾(http://www.ciifen-int.org)

◆第2屆國(guó)際海洋研究大會(huì)(2nd International Ocean Research Conference),2014年11月17—21日,巴塞羅那,西班牙(http://www.iocunesco-oneplanetoneocean.fnob.org/)

◆第7界IPWG會(huì)議(7th IPWG Workshop),2014年11月17—21日,筑波,日本(http://www.isac.cnr.it/～ipwg/meetings/ tsukuba-2014/Tsukuba2014.html)

◆聯(lián)合國(guó)降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)世界大會(huì)(UN World Conference on Disaster Risk Reduction),2015年3月14—18日,仙臺(tái),日本(http://www.wcdrr.org/)

Progress in Studies on the Atmospheric Angular Momentum

Shi Wenjing1,2, Yang Ping1, Xiao Ziniu1,2
(1 China Meteorological Administration (CMA) Training Centre, Beijing 100081 2 Department of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science & Technology (NUIST), Nanjing 210044)

The earth system is composed of solid Earth, Atmosphere, Oceans and other fl uid layers. On the Earth, the atmospheric angular momentum (AAM) is produced between the Earth and the air moving on its surface due to the friction and the mountains. Early studies on AAM are mainly used to explain why the trade winds and the prevailing westerlies maintain in the atmospheric circulation, but recently scientists have paid more attention to researches on the variation of AAM, including mountains and friction torque, angular momentum and its transportation variations on seasonal, interannual, decadal and multi-time scales, and connected these variations with length of day (LOD), ENSO and other Earth, Atmosphere and Oceans activities. As a basic variable to describe the atmospheric circulation, the balance of AAM and its anomalies ref l ects the coupling process between solid Earth, Atmosphere and Oceans on multi-temporal and spatial scales, for example, the seasonal atmospheric mass redistribution (atmospheric pressure) and the driven atmospheric motion (zonal wind) (which means AAM changes) can cause LOD seasonal changes. From the perspective of the law of the angular momentum conservation, when the AAM increases, the angular momentum of the solid Earth inevitably decreases with the Earth's rotation speed slowing down and LOD increases, and vice versa. Therefore, the research on AAM has always been favored by meteorologists, astronomers and Earth scientists. This paper mainly summarizes the research progress about the exchange of momentum in the Earth-Atmosphere system and its balance, the AAM’s changes and its relation to the Atmosphere, Ocean activities, and Earth's rotation since the 1980s, and points out some problems existing in current researches in order to provide

for future studies.

atmospheric angular momentum (AAM), budget and equilibrium, ENSO, research progress

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.002

2013年12月12日；

2014年4月22日

石文靜（1986—），Email: shiwenjing_005@163.com

肖子牛（1965—），Email: xiaozn@cma.gov.cn

資助信息：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB957804）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41375069，41175051）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（CXZZ13_0517）