自然災(zāi)害的周期研究及其成因探討

楊冬紅,楊學(xué)祥

(1.吉林大學(xué) 古生物學(xué)與地層學(xué)研究中心,吉林 長春130026;2.吉林大學(xué)東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春130026;3.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林 長春130026)

1 地球的章動(dòng)及其原因

章動(dòng)是在行星或陀螺儀的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，軸在進(jìn)動(dòng)中的一種輕微不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使自轉(zhuǎn)軸在方向的改變中出現(xiàn)如“點(diǎn)頭”般的搖晃現(xiàn)象（圖1）。

圖1 日月引潮力產(chǎn)生的地球章動(dòng)

行星的章動(dòng)來自于潮汐力所引起的進(jìn)動(dòng)，使得歲差的速度不是常數(shù)，而會(huì)隨著時(shí)間改變。這種現(xiàn)象是英國的天文學(xué)家詹姆斯·布拉德利在1728年發(fā)現(xiàn)的，但直到20 a后才得到解釋。

在地球，潮汐力主要來自太陽和月球，兩者持續(xù)的改變彼此間相對(duì)的位置，造成的地球自轉(zhuǎn)軸的章動(dòng)。地球章動(dòng)最大分量的周期是18.6 a，與月球軌道交點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)周期相同，然而，在更精確的計(jì)算中還有其他值得注意的周期項(xiàng)目需要被加入。

章動(dòng)的主要項(xiàng)目來自于月球交點(diǎn)的退行，兩者有相同的周期，都是6798 d（18.6 a），在黃道上的黃經(jīng)章動(dòng)分量是17.24″，垂直于黃道的斜章動(dòng)是9.21″。另一個(gè)較明顯的周期是183 d（0.5 a），章動(dòng)分量分別是1.3″和0.6″，是黃赤交角造成的。

2 日月引力對(duì)地球自轉(zhuǎn)的影響

受日月引潮力的影響，地球自轉(zhuǎn)也有明顯的0.5 a和18.6 a周期。前者與地球赤道和地球軌道面（黃道面）的夾角，即黃赤交角有關(guān)，后者與地球赤道面和月球軌道面（白道面）的夾角，即白赤交角（亦稱為月亮赤緯角）有關(guān)。

冬至?xí)r太陽光直射南回歸線，白天太陽潮在南回歸線達(dá)到最高潮，夜間太陽潮在南回歸線達(dá)到最低潮，地球自轉(zhuǎn)造成太陽高潮在南北回歸線之間南北擺動(dòng)，地球扁率也相應(yīng)變小，導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)加速，夏至也有類似變化。相反，在春分和秋分，太陽在赤道，太陽潮南北擺動(dòng)消失，地球扁率變?yōu)樽畲?，地球自轉(zhuǎn)速度變?yōu)樽钚　?8.6 a周期的月亮赤緯角變化對(duì)這一過程起到增強(qiáng)或減弱作用，不同年份有所不同。

實(shí)際上，每年4月9日-7月28日（110 d）及11月18日-1月23日（66 d）為地球自轉(zhuǎn)加速階段；1月25日-4月 7日（72 d）及 7月 30日-11月 6日（109 d）為地球自轉(zhuǎn)減速階段。以此形成地球自轉(zhuǎn)的0.5 a周期。

月亮赤緯角極大值在18.6°-28.6°變化，從而導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變化的18.6 a周期。

黃道面和白道面赤道面的夾角分別為23.5°和28.6°，它們之間的夾角約為 5°。

應(yīng)用三軸橢球殼轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果表明，地球各圈層潮汐形變的規(guī)模不相同，大氣圈的起伏約為465 m，海洋圈的起伏大約為0.60 m，固體地球的起伏約為0.20 m，比例為2326：3：1，速度增量比也為 2326：3：1。可以對(duì)比的是，空氣、水、地殼的密度比為 3：1：0.00129,是 2326：3：1 的倒數(shù)。 當(dāng)太陽的位置由南北回歸線移向赤道，巖石圈的日長增量dT=0.00027 s,海洋圈的日長增量為0.00081 s，大氣圈的日長增量為0.628 s（表1）。大氣潮振幅是海洋潮振幅的775倍，這是平流層高速氣流產(chǎn)生的原因，即洶涌的大氣潮是海洋潮規(guī)模的近800倍[1]。

表1 物質(zhì)密度、潮汐振幅和日長變化

3 旱澇災(zāi)害的18.6 a周期

在澳大利亞氣象學(xué)家E.布賴恩特編著的《氣候過程和氣候變化》中，有關(guān)氣候現(xiàn)象循環(huán)的記錄75項(xiàng)，與潮汐周期相同的有66項(xiàng)，占88%，表明潮汐是影響氣候現(xiàn)象循環(huán)的主要因素。其中，有5項(xiàng)的周期為 18.6 a，1 項(xiàng)的周期為 19 a[2]。

4 全球地震的18.6 a周期

胡輝和杜品仁分別指出地震存在18.6 a周期。楊冬紅和楊學(xué)祥[3]指出，全球8級(jí)以上地震存在9 a和18.6 a周期。

解朝娣等人采用1850—2012年期間USGS全球M≥5.0地震目錄資料,構(gòu)成全球地震能量-時(shí)間序列,進(jìn)行小波變換和準(zhǔn)周期分析。結(jié)果表明(圖2),全球地震能量釋放的時(shí)間序列存在9 a、19 a和45 a的3個(gè)準(zhǔn)周期,其中,45 a準(zhǔn)周期最為突出。結(jié)合起潮力周期的物理背景,對(duì)長周期潮汐起潮力與地震能量釋放準(zhǔn)周期的關(guān)系進(jìn)行了探討,沒有發(fā)現(xiàn)全球地震活動(dòng)的能量釋放與潮汐短周期相關(guān)的準(zhǔn)周期[4]。

圖2 1895-1977年8級(jí)以上地震的9 a和19 a周期[4]

全球地震的9 a和19 a周期得到證實(shí)。這兩個(gè)周期就是18.6 a周期及其半周期。45 a周期也是9 a周期的倍周期。

5 全球氣溫的18.6 a周期

2014年，全球平均氣溫為14.6℃，比20世紀(jì)的平均水平高出0.69℃，成為1880年有記錄以來的最暖年。2015年又突破了這一紀(jì)錄。我們?cè)?008年撰文指出，2014-2016年月亮赤緯角最小值產(chǎn)生的弱潮汐南北震蕩有利于氣溫相對(duì)升高，將迎來最熱年新紀(jì)錄。2014-2016年月亮赤緯角最小值使2014年和2015年成為1880年以來有氣象記錄的最熱年，驗(yàn)證了在2008年的預(yù)測。在2014年的撰文指出，全球氣溫變化存在18.6 a變化周期[3-5]。

5.1 全球氣溫變化的18.6 a周期的成因

月亮赤緯角極大值在18.6°-28.6°變化，從而導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)變化和全球氣溫變化的18.6 a周期。

在極大值時(shí)期，月亮在南（北）緯28.6°（月亮赤緯角最大值），高潮區(qū)在12 h后從南（北）緯28.6°向北（南）緯28.6°震蕩一次，潮汐南北震蕩的振幅為57.2°，大氣和海洋的潮汐南北震蕩將產(chǎn)生巨大的能量交換并攪動(dòng)深海冷水上翻到海洋表面，降低氣溫，導(dǎo)致全球氣候變冷[3-5]。

5.2 青藏高原氣溫變化的18.6 a周期

劉國華等人基于青藏高原五道梁氣象站1957-2012年56 a的溫度、降水和濕度數(shù)據(jù),利用M-K檢驗(yàn)、Morlet小波分析進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn),以診斷其變化趨勢,同時(shí)利用R/S分析法預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)氣候變化趨勢,結(jié)果表明：過去的56 a間,青藏高原五道梁地區(qū)氣溫、降水變化呈上升趨勢,濕度變化呈下降趨勢,其趨勢自20世紀(jì)80年代初以來逐漸增強(qiáng)。在長時(shí)間序列中,溫度呈現(xiàn)30 a/18-19 a/10 a/5 a變化周期,降水呈現(xiàn)20-30 a/14 a/8-9 a變化周期,濕度呈現(xiàn)30 a/5 a/15 a變化周期。未來氣候變化預(yù)測顯示,氣溫將延續(xù)過去的變化有持續(xù)升高趨勢,降水變化與過去一致呈上升趨勢,但趨勢將有所減緩,未來濕度變化呈下降趨勢（表 2）[6]。

表2 青藏高原五道梁氣象站1957-2012年56 a的氣溫、降水、濕度變化周期

6 中國霧霾的18.6 a周期

霧霾天氣的出現(xiàn)主要受兩個(gè)條件的影響：一是大氣顆粒物濃度，二是氣象條件。

2013年1月中國霧霾高發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)霧霾的頻發(fā)和清除與兩種特殊的潮汐組合類型相關(guān)，這種相關(guān)性在2013年12月和2014年1月又重復(fù)出現(xiàn)。這與吳兌等根據(jù)1951-2005年中國大陸霾的時(shí)空分布特征研究得出同樣的結(jié)論，對(duì)中國大陸而言，12月、1月霾天氣日數(shù)明顯偏多，這兩個(gè)月霾日數(shù)的總和達(dá)到了全年的30%；9月霾天氣日數(shù)最少，約占全年的5%。這一研究結(jié)果與潮汐類型的劃分完全一致。2013年的中國霧霾首發(fā)在1月，并于12月進(jìn)入高潮。

2014-2016年月亮赤緯角最小值導(dǎo)致2013年霧霾高發(fā)，并將在今后三年持續(xù)高發(fā)。52 a前，1959-1960年月亮赤緯角最小值導(dǎo)致前一周期的霧霾高發(fā)。上述初步的研究結(jié)果表明，利用不同的潮汐變化組合規(guī)律研究霧霾的集聚和擴(kuò)散規(guī)律是完全可行的[7-8]。

7 氣溫變化、霧霾、地震和拉尼娜指數(shù)的13.6 d周期

李國慶發(fā)現(xiàn)月亮赤緯角變化周期13.6 d、27.3 d與地球自轉(zhuǎn)速度變化有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系并影響天氣變化[9]。

2008年以來，我們一直在進(jìn)行潮汐組合對(duì)氣候影響的檢驗(yàn)對(duì)比工作，部分對(duì)比結(jié)果發(fā)表在2011年第4期的《地球物理學(xué)報(bào)》[10]。

理論研究結(jié)果表明，在2014-2016年月亮赤緯角最小值時(shí)期，氣候變暖、強(qiáng)震頻發(fā)、地球自轉(zhuǎn)變慢、中國霧霾高發(fā)和嚴(yán)重旱災(zāi)高發(fā)。

詳細(xì)的霧霾、氣溫、海溫、地震的13.6 d周期對(duì)比數(shù)據(jù)可在科學(xué)網(wǎng)查找。

13.6 d和18.6 a月亮赤緯角變化周期與地球自轉(zhuǎn)速度變化有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系并影響地球固體潮、海洋潮和大氣潮，對(duì)應(yīng)地震活動(dòng)、海溫變化和大氣渦旋的形成（如颶風(fēng)和臺(tái)風(fēng)）[11-12]。

[1]楊冬紅，楊德彬.日食誘發(fā)厄爾尼諾現(xiàn)象的熱-動(dòng)力機(jī)制[J].世界地質(zhì),2010，29（4）：652-657.

[2]E.布賴恩特.氣候過程和氣候變化[M].北京：科學(xué)出版社，2004：1，18，19，109,122，130，158.

[3]楊冬紅，楊學(xué)祥.全球變暖減速與郭增建的“海震調(diào)溫假說”[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2008,23(6)：1813-1818.[4]解朝娣，吳小平，雷興林，等.長周期潮汐與全球地震能量釋放[J].地球物理學(xué)報(bào),2013，56（10）：3425-3433.

[5]楊冬紅,楊學(xué)祥.北半球冰蓋融化與北半球低溫暴雪的相關(guān)性 [J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2014,29(2)：610-615.

[6]劉國華，王一博，高澤永，等.1957-2012年青藏高原五道梁盆地氣候變化趨勢分析[J].蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014 50（3）：410-416.

[7].楊學(xué)祥，楊冬紅.2014年1-2月潮汐組合與霧霾對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)。2014天災(zāi)預(yù)測學(xué)術(shù)研討會(huì)議論文集[C].2014，224-237，萬方數(shù)據(jù)庫.

[8]楊學(xué)祥，楊冬紅.2014-2016年月亮赤緯角最小值時(shí)期霧霾進(jìn)入高發(fā)期。2013天災(zāi)預(yù)測總結(jié)研討學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[J].2013，萬方數(shù)據(jù)庫.

[9]Li Guoqing.27.3-day and 13.6-day atmospheric tide and lunar forcing on atmospheric circulation[J].Adv.Atmos.Sci.2005,22：359-374.

[10]楊冬紅，楊德彬，楊學(xué)祥.地震和潮汐對(duì)氣候波動(dòng)變化的影響[J].地球物理學(xué)報(bào),2011，54（4）：926-934.

[11]楊冬紅,楊學(xué)祥.地球自轉(zhuǎn)速度變化規(guī)律的研究和計(jì)算模型[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2013，28（1）：58-70.

[12]楊學(xué)祥，楊冬紅.2013年中國霧霾高發(fā)的氣象原因初探[J].科學(xué)家,2014,(3)：90-91.