全球山脈力矩時(shí)空變化及其與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系

朱琳黃玫鞏賀李?lèi)倫倓⑻K峽

（1 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081；2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

全球山脈力矩時(shí)空變化及其與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系

朱琳1黃玫2鞏賀3李?lèi)倫?劉蘇峽2

（1 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，中國(guó)氣象局，北京 100081；2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3 南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

山脈力矩是大氣軸向角動(dòng)量變化的主要外部因子之一，是研究地球運(yùn)動(dòng)和大氣相互作用的關(guān)鍵變量。利用NCEP/ NCAR第一套再分析資料計(jì)算了1948—2011年的全球山脈力矩，定量分析了全球山脈力矩的時(shí)空變化趨勢(shì)及其與地球自轉(zhuǎn)速率（以日長(zhǎng)表示）的關(guān)系。研究表明，近64年山脈力矩變化最為顯著的地區(qū)集中在青藏高原和南美的安第斯山脈，青藏高原東西兩側(cè)的山脈力矩具有不同的變化趨勢(shì)。滯后相關(guān)分析顯示，全球山脈力矩與日長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)在日長(zhǎng)滯后5年時(shí)達(dá)到最大（滯后相關(guān)系數(shù)為-0.482），而南美安第斯山和青藏高原的山脈力矩則分別于日長(zhǎng)滯后2年和9年時(shí)達(dá)到最大（滯后相關(guān)系數(shù)分別為-0.461和-0.689），因此山脈力矩的變化早于日長(zhǎng)變化。從年代際變化看，全球積分的山脈力矩和南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)趨勢(shì)上基本一致, 可以作為表征天氣、氣候變化的一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。

山脈力矩，日長(zhǎng)，時(shí)空變化，地球自轉(zhuǎn)，變化趨勢(shì)

1 引言

山脈力矩(mountain torque,MT)是指在地球起伏表面的東西兩側(cè),由于地表面氣壓不同而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩[1-2]。山脈力矩是深入研究地球自轉(zhuǎn)和大氣之間的相互作用過(guò)程的關(guān)鍵參數(shù)之一[1,3-5]。在不考慮月亮和太陽(yáng)等對(duì)地球—大氣系統(tǒng)產(chǎn)生的外部力矩的情況下,地球和大氣系統(tǒng)總體角動(dòng)量守恒[6]。地球和大氣之間通過(guò)山脈力矩和摩擦力矩作用進(jìn)行角動(dòng)量交換,從而對(duì)地球自轉(zhuǎn)速度和大氣環(huán)流產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響(重力波力矩的量級(jí)相對(duì)較小,可以忽略)[7-8]。

早在20世紀(jì)40年代,氣象學(xué)家就開(kāi)始關(guān)注地球自轉(zhuǎn)變化對(duì)氣候的影響,但研究結(jié)果受觀測(cè)資料精度的限制,存在很大的不確定性[8]。20世紀(jì)80年代后, NCEP/NCAR用同化后的全球氣象資料重新歸算得到了精度和分辨率更高的全球大氣角動(dòng)量數(shù)據(jù),進(jìn)一步推動(dòng)了大氣角動(dòng)量和日長(zhǎng)變化的研究。大量的觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析表明,全球大氣的相對(duì)角動(dòng)量在天、月、年

以及年代際時(shí)間尺度上都發(fā)生了大量變化。同時(shí)也有明確證據(jù)表明,固體地球的角動(dòng)量在日和年的尺度上對(duì)大氣相對(duì)角動(dòng)量的變化具有較好的補(bǔ)償關(guān)系[6,9-11],這一過(guò)程主要通過(guò)大氣和固體地球之間軸向角動(dòng)量的交換完成[4]。

然而,僅從統(tǒng)計(jì)分析的角度難以理解地球和大氣的相互作用過(guò)程和機(jī)理。山脈力矩和摩擦力矩作為地球和大氣交換角動(dòng)量的主要作用力,越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。Ponte等[12]的研究表明,大氣角動(dòng)量在1982—1983年El Ni?o事件時(shí)達(dá)到正的極端峰值,這一異常主要與北美和歐洲持續(xù)的正的山脈力矩作用有關(guān)。隨后,受負(fù)的摩擦力矩作用,大氣角動(dòng)量逐漸衰退至正常值。Viron等[13]研究表明,在1989年La Ni?a事件鼎盛時(shí)期,全球軸向大氣角動(dòng)量達(dá)到年代際尺度的最小值。大氣角動(dòng)量的這一異常變化主要是北美、南美和歐洲山脈力矩異常引起的[8,14-15]。以上研究空間區(qū)域小(局部地區(qū))且時(shí)間尺度短(天氣尺度),同時(shí)研究對(duì)象僅限于力矩和大氣角動(dòng)量的關(guān)系,針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列山脈力矩的時(shí)空變化和日長(zhǎng)關(guān)系的研究比較少。

為了進(jìn)一步研究山脈力矩的時(shí)空變化規(guī)律及其與地球自轉(zhuǎn)速率的關(guān)系,本文利用NCEP/NCAR第一套再分析資料計(jì)算了1948—2011年全球山脈力矩,重點(diǎn)分析了山脈力矩的時(shí)空變化特征及其與日長(zhǎng)的關(guān)系。本研究可為從機(jī)理上分析地球自轉(zhuǎn)速度變化和大氣的相互作用過(guò)程及相應(yīng)的氣候模擬提供科學(xué)依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 使用的數(shù)據(jù)

2.2 山脈力矩的計(jì)算及驗(yàn)證

全球積分形式的山脈力矩可用以下形式計(jì)算[1]：

式中,a為地球半徑,Psfc為地表面氣壓,h為地形高度,λ為經(jīng)度,φ為緯度。

為了驗(yàn)證計(jì)算的正確性,將本文計(jì)算的1958—2012年月平均的全球山脈力矩積分結(jié)果和NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室(Earth System Research Laboratory)公布的同期的山脈力矩的結(jié)果[16]進(jìn)行了對(duì)比。由圖1a和1b對(duì)比可見(jiàn),本文的計(jì)算結(jié)果和NOAA公布的山脈力矩在對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)量級(jí)和變化趨勢(shì)一致,說(shuō)明計(jì)算結(jié)果是可信的。

圖1 NOAA計(jì)算的全球山脈力矩與本文計(jì)算的全球山脈力矩結(jié)果的對(duì)比（單位：1019kg·m2·s―2）

2.3 變化趨勢(shì)分析

通過(guò)線(xiàn)性擬合方法(y=ax+b)分析各個(gè)力矩的變化趨勢(shì),即：

其中,n代表年數(shù),等于64,xi代表年份(1,2,3,…,64),yi為第i年的力矩大小。當(dāng)a大于0時(shí),表示力矩呈上升趨勢(shì),如果小于0,則呈下降趨勢(shì)。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及外來(lái)文化的影響，復(fù)雜、耗時(shí)的傳統(tǒng)工藝被現(xiàn)代化的快速藝替代，社會(huì)流動(dòng)帶來(lái)民族文化認(rèn)同上的缺失，傳統(tǒng)土家族服裝實(shí)用功能減弱。在傳統(tǒng)式微的情形之下，土家族服飾逐漸消失在民眾生活的視野中。再者，隨著新時(shí)代對(duì)民族文化的消費(fèi)，土家族服飾在“再設(shè)計(jì)”的過(guò)程中為了迎合表演或者觀者“獵奇”的心態(tài)發(fā)生了很多的變化，現(xiàn)代舞臺(tái)表演用的土家族服飾除了“西蘭卡普”元素之外，已經(jīng)和苗族、侗族甚至西式禮服相差不大。伴隨著土家族傳統(tǒng)服飾的“消逝”，現(xiàn)在在民眾生活中碩果僅存的就是繡花鞋墊，而且繡花鞋墊伴隨著時(shí)代發(fā)展，其形式、圖案都發(fā)生了很大的變化。

3 研究結(jié)果

3.1 全球山脈力矩變化趨勢(shì)

從空間分布看(圖2),山脈力矩的變化趨勢(shì)存在明顯的空間差異。山脈力矩變化最為顯著的地區(qū)集中在歐亞大陸的中南部和南美洲安第斯山脈,其中以青藏高原區(qū)域變化最為劇烈。在喜馬拉雅山脈的西南側(cè),山脈力矩呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì),每年減少4×1015kg·m2·s―2以上；而在喜馬拉雅山東部和北部局部,山脈力矩呈現(xiàn)增加趨勢(shì),部分地區(qū)每年增加的幅度大于6×1015kg·m2·s―2。青藏高原東西兩側(cè)的山脈力矩變化具有相反的趨勢(shì),對(duì)全球積分的山脈力矩的貢獻(xiàn)具有一定的相互抵消作用。山脈力矩在安第斯山脈中部局部呈現(xiàn)一定的上升趨勢(shì),但較喜馬拉雅山脈附近變化趨勢(shì)較小。全球其他地區(qū)變化趨勢(shì)不明顯。

圖2 NCEP第一套再分析資料計(jì)算出的1948—2011年全球山脈力矩變化趨勢(shì) （單位：1015kg·m2·s―2）

3.2 山脈力矩的變化與日長(zhǎng)的關(guān)系

從時(shí)間序列的變化上看,年平均的全球山脈力矩(圖3中藍(lán)線(xiàn)所示)與日長(zhǎng)具有相反的變化趨勢(shì),即在日長(zhǎng)達(dá)到峰值時(shí),對(duì)應(yīng)山脈力矩達(dá)到低谷(圖3中紅色圓圈標(biāo)記區(qū)域表現(xiàn)最為明顯),峰值分別出現(xiàn)在1972年和2003年前后,但兩者之間存在一定的滯后效應(yīng)。

為了進(jìn)一步探討全球不同區(qū)域山脈力矩變化和日長(zhǎng)的關(guān)系,選取山脈力矩變化最為劇烈的亞洲青藏高原東西兩側(cè)和南美安第斯山脈,分區(qū)域統(tǒng)計(jì)了山脈力矩和日長(zhǎng)的滯后相關(guān)關(guān)系(圖4)。

全球山脈力矩和日長(zhǎng)在滯后0年的相關(guān)系數(shù)為―0.208,隨著日長(zhǎng)滯后時(shí)間的增加,負(fù)相關(guān)系數(shù)不斷增加,日長(zhǎng)在滯后全球山脈力矩5年時(shí)兩者達(dá)到最大負(fù)相關(guān)(―0.482)。日長(zhǎng)在超前全球山脈力矩時(shí),相關(guān)系數(shù)較低,但超前5年以后相關(guān)系數(shù)變?yōu)檎?超前11年時(shí)二者達(dá)到最大正相關(guān)0.319(圖4a)。

青藏高原區(qū)域山脈力矩與日長(zhǎng)的相關(guān)在滯后0年時(shí)為0.308,日長(zhǎng)在滯后9年和超前6年時(shí)達(dá)到極大值,分別為―0.461和0.433(圖4b)。由于青藏高原東西兩部分山脈力矩的變化趨勢(shì)完全相反(圖2),因此將青藏高原分為東、西兩部分考慮山脈力矩與日長(zhǎng)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),青藏高原東、西兩部分山脈力矩與日長(zhǎng)的關(guān)系完全相反,在日長(zhǎng)滯后9年時(shí),青藏高原東西兩側(cè)山脈力矩和日長(zhǎng)達(dá)到最大相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為―0.689和0.625(圖4c-d)。東部山脈力矩與日長(zhǎng)的關(guān)系與整個(gè)青藏高原山脈力矩與日長(zhǎng)的關(guān)系較為一致(圖4b-c)。

南美洲安第斯山脈附近的山脈力矩與日長(zhǎng)的相關(guān)以負(fù)相關(guān)為主,在日長(zhǎng)滯后南美山脈力矩0年時(shí)為―0.413,滯后2年時(shí)達(dá)到最大相關(guān)值-0.443(圖4f)。北美洲的洛基山脈對(duì)日長(zhǎng)的響應(yīng)較弱,滯后相關(guān)系數(shù)普遍較低(圖4e)。

從全球山脈力矩變化劇烈區(qū)域的山脈力矩與日長(zhǎng)的相關(guān)分析來(lái)看,日長(zhǎng)滯后于山脈力矩時(shí)的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值高于日長(zhǎng)超前山脈力矩。說(shuō)明山脈力矩在一定程度上驅(qū)動(dòng)日長(zhǎng)變化。

圖3 日長(zhǎng)與近65年山脈力矩的年際變化特征

圖4 日長(zhǎng)與近65年山脈力矩的滯后相關(guān)（其中，青藏高原的空間范圍：26°—39.8°N，73.3°—104.8°E；青藏高原東部的空間范圍：99.4°—112.5°E，24.9°—44°N；青藏高原西部的空間范圍：63.8°—90E，24.9°—47.9°N；北美的空間范圍：52.5°—166.9W，11.5°—72.8°N；南美的空間范圍：58.1°—73.1°W，11.49°—34.47°S）

3.3 山脈力矩、日長(zhǎng)的變化與南亞高壓的關(guān)系

由圖3可見(jiàn),全球山脈力矩與日長(zhǎng)同時(shí)具有明顯的年際和年代際變化趨勢(shì)。山脈力矩作為地球和大氣之間軸向角動(dòng)量變化的主要驅(qū)動(dòng)力,必然對(duì)年代際大氣環(huán)流產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,是天氣、氣候變化的一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。由圖5可以發(fā)現(xiàn),全球積分的山脈力矩和南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)[17]在年代際變化趨勢(shì)上基本一致,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84。在20世紀(jì)60年代中期,山脈力矩超前南亞高壓達(dá)到低谷；到20世紀(jì)90年代,南亞高壓的變化又超前于山脈力矩的變化。上述山脈力矩和南亞高壓的年代際變化表現(xiàn)了大氣和地球之間不同的相互作用。

圖5 全球山脈力矩與南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)的年代際變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

山脈力矩是地球和大氣交換角動(dòng)量的重要途徑之一。本文利用NCEP/NCAR第一套再分析資料計(jì)算了近64年來(lái)的全球山脈力矩,定量分析了山脈力矩的時(shí)空變化趨勢(shì)及其與日長(zhǎng)的關(guān)系,得出以下結(jié)論：

(1)近64年全球山脈力矩變化最顯著的地區(qū)是歐亞大陸的中南部和南美洲安第斯山脈,其中以青藏高原區(qū)域變化最為劇烈。青藏高原東西兩側(cè)的山脈力矩變化具有相反的趨勢(shì)。在喜馬拉雅山脈的西南側(cè),山脈力矩以每年4×1015kg·m2·s―2的速度減少,而在喜馬拉雅山東部和北部區(qū)域,山脈力矩則以每年6×1015kg·m2·s―2的速度增加。

(2)全球山脈力矩與日長(zhǎng)的相關(guān)系數(shù)在日長(zhǎng)滯后山脈力矩5年時(shí)達(dá)到最大,且二者為負(fù)相關(guān)。青藏高原、南美洲安第斯山的山脈力矩分別在日長(zhǎng)滯后9年和2年時(shí)達(dá)到最大負(fù)相關(guān)。青藏高原西側(cè)山脈力矩與日長(zhǎng)的關(guān)系與全球其余地區(qū)都不一致,在日長(zhǎng)滯后9年時(shí)達(dá)到最大正相關(guān),其原因還有待進(jìn)一步研究。

(3)全球積分的山脈力矩和南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)在年代際變化趨勢(shì)上基本一致,表明山脈力矩年代際變化對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,可以作為天氣、氣候變化的一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。

致謝：感謝歐亞科學(xué)研究院中國(guó)科學(xué)中心彭公炳院士對(duì)本文給予的諸多有益指導(dǎo)和建議；感謝NOAA的Klaus M. Weickmann教授和中國(guó)氣象科學(xué)研究院王亞非研究員提供山脈力矩計(jì)算程序，并對(duì)計(jì)算給予幫助；感謝審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出的建設(shè)性意見(jiàn)和建議。

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[16]Global Monthly Mountain torque, distributed by NOAA Earth System Research Laboratory, http://www.esrl.noaa.gov/psd/map/ images/reanalysis/total_ fi elds/taum.total.58-curr.reanal.gif.

[17]南亞高壓強(qiáng)度指數(shù)數(shù)據(jù), 源自南京大氣資料服務(wù)中心,http:// nadsc.nuist.edu.cn/zhshxz.php.

Spatial and Temporal Variations of Global Mountain Torque and Relations to Earth’s Rotation

Zhu Lin1, Huang Mei2, Gong He3, Li Yueyue2, Liu Suxia2
(1 National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101 3 Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044)

Mountain torque is an important external factor inf l uencing the dynamics of axial atmospheric angular momentum and it also plays a major role in the interaction between the Earth and the atmosphere. Using the data from NCEP/NCAR reanalysisⅠ, the daily global mountain torque during the period from 1948 to 2011 is calculated. Spatial and temporal variations of mountain torque and its relations to variations of earth rotation rate (denoted as length of day, LOD) are further discussed. It is shown that Tibetan Plateau located in East Asia and the Andes located in South America are two main areas with signif i cant mountain torque change during the past 64 years. Mountain torque at east and south sides of Tibetan Plateau has different trends. Moreover, mountain torque and LOD are lag correlated. Maximal correlation occurred respectively when global mountain torque leads LOD fi ve years (R=―0.482), Andes Mountain torque leads LOD two years (R=―0.461) and Tibetan Plateau mountain torque leads LOD nine years (R=―0.689), suggesting that mountain torque forces LOD anomalies. On a decadal scale, global mountain torque has a similar trend with intensity index of South Asian High, indicating that mountain torque can be a very useful signal for climate change.

mountain torque, length of day, spatial-temporal variation, Earth’s rotation, long-term trend

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.005

2013年 11月 29日；

2014年4月10日

朱琳（1978—），Email: zhulin@cma.gov.cn

黃玫（1968—），Email: huangm@igsnrr.ac.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（2012CB957802）