日長(zhǎng)變化、大氣角動(dòng)量和ENSO年際信號(hào)的相關(guān)分析及2020—2021年拉尼娜事件

孔昭洋，周永宏,3，許雪晴，安顯然

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海200030； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049； 3.中國(guó)科學(xué)院 行星科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200030； 4.上海市空間導(dǎo)航與定位技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200030)

1 引言

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nino-Southern Oscillation,ENSO)是指大約每2～7 a出現(xiàn)在熱帶太平洋地區(qū)的氣候系統(tǒng)年際振蕩。作為一種?！?dú)怦詈犀F(xiàn)象，ENSO在海洋中表現(xiàn)為每隔幾年出現(xiàn)在赤道中—東太平洋表層海水的暖或冷異常，厄爾尼諾(El Nino)對(duì)應(yīng)暖異常，拉尼娜(La Nina)對(duì)應(yīng)冷異常。在大氣中，ENSO表現(xiàn)為南方濤動(dòng)，即為赤道東、西太平洋之間海平面氣壓存在的此消彼長(zhǎng)現(xiàn)象。

地球自轉(zhuǎn)變化不僅表征了太陽(yáng)、月球和其他行星引力等外力矩的影響，還反映了固體地球內(nèi)部地核與地幔的相互作用，以及地球表面海洋和大氣等流體圈層的耦合過(guò)程。在年際以及更高頻時(shí)間尺度上，大氣和海洋等地球表層流體活動(dòng)是影響地球自轉(zhuǎn)速率變化的主要原因[1?5]。其中，作為年際尺度上最強(qiáng)的氣候變率，ENSO是導(dǎo)致日長(zhǎng)年際變化的重要因子。

在不考慮外力矩作用的情況下，固體地球和大氣、海洋等流體圈層可近似看成保守的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)總角動(dòng)量守恒原理，大氣和海洋的動(dòng)力學(xué)過(guò)程所引起的角動(dòng)量變化，會(huì)使固體地球的角動(dòng)量產(chǎn)生相反的變化，從而使地球自轉(zhuǎn)速率或日長(zhǎng)(length of day,LOD)發(fā)生相應(yīng)改變。因而，日長(zhǎng)變化(ΔLO D)與ENSO事件之間有密切的聯(lián)系。

針對(duì)ΔLO D、大氣角動(dòng)量(atmospheric angular momentum,AAM)與ENSO的聯(lián)系，許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究：Langley等人[6]最早給出了AAM與ΔLO D之間的定量關(guān)系。Stefanick[7]基于1963―1973年的數(shù)據(jù)指出年際尺度上LO D的變化、AAM與南方濤動(dòng)指數(shù)(southern oscillation index,SOI)具有相似性。在經(jīng)歷了1982―1983年的超強(qiáng)厄爾尼諾事件后，Rosen和Salstein[8]在AAM和ΔLO D中檢測(cè)到了1982―1983年的超強(qiáng)暖事件信號(hào)。Eubanks等人[9]、Chao[10]通過(guò)超前滯后相關(guān)得到南方濤動(dòng)指數(shù)超前日長(zhǎng)年際變化1～2月，表明年際分量的ΔLO D主要由ENSO引起。此后，Dickey等人[11?13]認(rèn)為年際ΔLO D主要由與AAM軸向分量有關(guān)的χ3激發(fā)，同時(shí)指出大氣角動(dòng)量存在起源于赤道并向中高緯度傳播的趨勢(shì)，且與ENSO密切相關(guān)；之后還提出海表面溫度(sea surface temperature,SST)的低頻變化可能是年際和年代際尺度AAM發(fā)生變化的激發(fā)源；以及極向的熱帶溫度梯度(tropical temperature gradient,TTG)在太平洋中部海區(qū)(Nino3.4)平均SST出現(xiàn)最大異常后的1～2月達(dá)到峰值，因此認(rèn)為是TTG所引起的熱成風(fēng)異常驅(qū)動(dòng)了大氣角動(dòng)量中的風(fēng)項(xiàng)，從而解釋了ENSO對(duì)年際ΔLO D的驅(qū)動(dòng)。近年來(lái)，de Viron和Dickey[14]對(duì)兩種不同類型的厄爾尼諾事件(東部型和中部型)與ΔLO D的關(guān)系進(jìn)行了AAM與力矩方面的研究，認(rèn)為東部型ENSO的AAM信號(hào)比中部型大2倍以上，并用力矩解釋了這一差異，同時(shí)認(rèn)為東太平洋型ENSO具有更大的山脈力矩和摩擦力矩；山脈力矩越大說(shuō)明AAM異常越強(qiáng)，但與此異常相關(guān)的風(fēng)速在地表產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)摩擦力矩又對(duì)AAM異常起到抵消作用。Lambert等人[15]對(duì)1980年以來(lái)3次超強(qiáng)厄爾尼諾事件鼎盛時(shí)期的AAM和力矩與ΔLO D的關(guān)系進(jìn)行了分析，認(rèn)為在1982―1983年和1997―1998年的東部型事件期間，ΔLO D主要受山脈力矩驅(qū)動(dòng)，而對(duì)2015―2016年的東部—中部混合型事件，摩擦力矩補(bǔ)償了較弱的山脈力矩而驅(qū)動(dòng)ΔLO D異常。

基于以上研究，本文采用1962年1月―2021年1月內(nèi)國(guó)際地球自轉(zhuǎn)與參考架服務(wù)(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)的日長(zhǎng)變化觀測(cè)值序列、基于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)再分析資料集R1歸算的大氣角動(dòng)量函數(shù)，與表征ENSO的海洋尼諾指數(shù)(ocean Nino index,ONI)和經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的負(fù)南方濤動(dòng)指數(shù)(minus southern oscillation index,MSOI)進(jìn)行對(duì)比，綜合分析地球自轉(zhuǎn)變化、AAM和ENSO在年際尺度上的關(guān)聯(lián)性，嘗試給出過(guò)程中對(duì)應(yīng)的物理解釋，同時(shí)在ΔLO D年際分量中檢測(cè)到2020―2021年拉尼娜事件的信號(hào)。

2 資料與數(shù)據(jù)處理

2.1 厄爾尼諾-南方濤動(dòng)

由于ENSO本身所具有的多樣性和復(fù)雜性[16,17]，給出準(zhǔn)確的定義并測(cè)定其持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度是一項(xiàng)有相當(dāng)難度的工作。常用的判定標(biāo)準(zhǔn)一般來(lái)自美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)，將熱帶太平洋分成了Nino1+2,Nino3,Nino3.4,Nino4海區(qū)(如圖1所示)，其中Nino3.4海區(qū)是業(yè)務(wù)上定義的熱帶太平洋中部區(qū)域[18]。NOAA對(duì)ENSO的定義為：熱帶太平洋中部(Nino3.4)的季節(jié)性(任意連續(xù)3月的平均值)海表溫度(SST)比對(duì)應(yīng)區(qū)域的氣候態(tài)平均值高0.5℃(厄爾尼諾)或低0.5℃(拉尼娜)。而對(duì)厄爾尼諾事件和拉尼娜事件起止時(shí)間和強(qiáng)度的判定主要以海洋尼諾指數(shù)(ONI)為標(biāo)準(zhǔn)，O N I指數(shù)的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均使用連續(xù)3月Nino3.4的海表面溫度異常(sea surface temperature anomaly,SSTA)滑動(dòng)平均值，如果連續(xù)出現(xiàn)至少5月的O N I|S S T A|≥0.5℃便會(huì)被定義為一次厄爾尼諾或者拉尼娜事件，這些冷暖異常事件通常具有廣泛的影響。值得注意的是，目前O N I指數(shù)的SSTA基于第5個(gè)版本的NOAA擴(kuò)展重構(gòu)海溫資料(extended reconstructed sea surface temperature version 5,ERSSTV.5)，該版本以每5年滾動(dòng)更新一次氣候態(tài)的方式，以盡可能地消除Nino3.4海區(qū)SST長(zhǎng)期變暖趨勢(shì)對(duì)ENSO監(jiān)測(cè)的影響[19]。

圖1 Nino指數(shù)分區(qū)與塔西提(Tahiti)和達(dá)爾文(Darwin)位置示意圖

南方濤動(dòng)指數(shù)(S O I)用來(lái)衡量南方濤動(dòng)在大氣中的表征，為塔西提島(熱帶東太平洋)與達(dá)爾文港(熱帶西太平洋)海平面氣壓差的月平均標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，見(jiàn)圖1。有時(shí)S O I也是衡量赤道太平洋東風(fēng)強(qiáng)度的指標(biāo)，其正值對(duì)應(yīng)拉尼娜相關(guān)的赤道東風(fēng)異常，負(fù)值對(duì)應(yīng)厄爾尼諾相關(guān)的赤道西風(fēng)異常[20]。圖2為1962年1月―2021年1月標(biāo)準(zhǔn)化的S O I與Nino3.4 SSTA的月平均序列對(duì)比(數(shù)據(jù)來(lái)自NOAA)，可見(jiàn)兩者呈負(fù)相關(guān)且氣壓的改變相比于海溫異常的變化更具高頻噪聲波動(dòng)。值得注意的是：兩者在對(duì)ENSO強(qiáng)度的描述方面并不完全相似，如對(duì)1982―1983年、1997―1998年和2015―2016年這3次超強(qiáng)厄爾尼諾事件中最大強(qiáng)度的反映，S O I有遞減趨勢(shì)，而Nino3.4 SSTA則顯示遞增趨勢(shì)。但另一方面，這兩個(gè)指數(shù)通常具有良好的時(shí)間同步性，圖3顯示了ENSO在海洋與大氣中的不同表征指數(shù)在不同修正方法下的相關(guān)性，時(shí)間區(qū)間選取基本同上，可見(jiàn)月平均的S O I與Nino3.4 SSTA(綠色點(diǎn)劃線)、3月滑動(dòng)平均的S O I與O N I(Nino3.4 SSTA月數(shù)據(jù)的3月滑動(dòng)平均值)(紅色點(diǎn)劃線)、S O I與O N I的年際(1～10 a)分量(藍(lán)色點(diǎn)劃線)均顯示最大負(fù)相關(guān)同步，且相關(guān)系數(shù)由于序列平滑性的增加依次增強(qiáng)為-0.73,-0.84和-0.92。

圖2 1962年1月—2021年1月的南方濤動(dòng)指數(shù)(S O I)與Nino3.4海表溫度異常

圖3 ENSO在海洋與大氣中的不同表征指數(shù)在不同修正方法下的相關(guān)性

為了與O N I所示的ENSO冷暖相位有相同的對(duì)應(yīng)，本文將南方濤動(dòng)指數(shù)取負(fù)得到負(fù)南方濤動(dòng)指數(shù)(MSOI)。為了去除濾波過(guò)程中端部效應(yīng)的影響，本文先將時(shí)間序列用自回歸(auto-regressive,AR)模型進(jìn)行左右端部各延拓30月，再通過(guò)帶通1～10 a的2階巴特沃斯濾波器，最后去除端部效應(yīng)影響較大的AR模型延拓部分，得到年際分量的時(shí)間序列[21]。

2.2 日長(zhǎng)變化

繞地球自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)速率的變化通常用日長(zhǎng)變化(ΔLO D)表示：

式中，ΔLO D表示地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)的變化，Δω表示地球自轉(zhuǎn)角速度的變化，ω0表示地球自轉(zhuǎn)的平均角速度。由式(1)可知地球自轉(zhuǎn)的日長(zhǎng)變化(ΔLO D)與地球自轉(zhuǎn)角速度的變化(Δω)成反比[22]。

國(guó)際地球自轉(zhuǎn)與參考架服務(wù)(IERS)提供了自1962年1月1日以來(lái)包含日長(zhǎng)變化(ΔLO D)在內(nèi)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(earth orientation parameters,EOP)的日觀測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)最早由光學(xué)天體測(cè)量方法得到，自20世紀(jì)70年代起逐漸由激光測(cè)月(lunar laser ranging,LLR)、激光測(cè)衛(wèi)(satellite laser ranging,SLR)、甚長(zhǎng)基線干涉(very long baseline interferometry,VLBI)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)以及星基多普勒軌道和無(wú)線電定位組合系統(tǒng)(Doppler orbitography and radio positioning integrated by satellite,DORIS)等現(xiàn)代空間大地測(cè)量技術(shù)測(cè)量得到[23]。目前最新的EOP 14 C04序列，對(duì)日長(zhǎng)變化的測(cè)量精度達(dá)到微秒水平。

本文選取1962年1月1日―2021年1月31日的ΔLO D時(shí)間序列進(jìn)行分析?？紤]地球系統(tǒng)內(nèi)角動(dòng)量守恒，需要去除潮汐外力矩，根據(jù)IERS規(guī)范計(jì)算并扣除固體潮中帶諧項(xiàng)對(duì)LO D的貢獻(xiàn)，得到非潮汐的ΔLO D日數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)為月平均數(shù)據(jù)[24,25]?？鄢毕蟮娜臻L(zhǎng)變化序列及其分解序列顯示于圖4，其中，圖4a)的淺藍(lán)色實(shí)線和粉色實(shí)線分別表示非潮汐的多尺度日長(zhǎng)變化序列和通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到的日長(zhǎng)變化“十年”尺度項(xiàng)；圖4b)紅色實(shí)線表示：對(duì)非潮汐日長(zhǎng)變化序列扣除“十年”尺度項(xiàng)和季節(jié)項(xiàng)后，通過(guò)前述的AR模型擴(kuò)展、巴特沃斯濾波器濾波，以及端部效應(yīng)扣除得到的與ENSO對(duì)應(yīng)的年際尺度ΔLO D時(shí)間序列；圖4c)中綠色實(shí)線表示通過(guò)疊加周年項(xiàng)、半年項(xiàng)和1/3年項(xiàng)擬合得到的季節(jié)項(xiàng)；圖4d)深藍(lán)色實(shí)線為ΔLO D的亞季節(jié)等高頻項(xiàng)。

圖4 1962年1月—2021年1月的月平均ΔLO D多時(shí)間尺度分解示意圖

2.3 大氣角動(dòng)量

為了研究大氣角動(dòng)量對(duì)日長(zhǎng)變化的激發(fā)情況，本文使用Eubanks給出了軸向的大氣角動(dòng)量函數(shù)(atmospheric angular momentum function,AAMF)χ3分別對(duì)于壓力項(xiàng)和風(fēng)項(xiàng)的表達(dá)式[26]：其中，u為緯向西風(fēng)，ps為地表大氣壓力，R為地球半徑，Ω為地球平均自轉(zhuǎn)速率，g為重力加速度，取9.8 m·s?2，Cm為地幔軸向主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，λ為經(jīng)度，φ為緯度。

上式中需要用到的地表大氣壓力和水平風(fēng)場(chǎng)等氣象要素資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/美國(guó)大氣研究中心(NCEP/NCAR)的再分析資料集R1，數(shù)據(jù)輸出間隔為6 h(每日以GMT 00:00點(diǎn)起始)，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°，風(fēng)場(chǎng)垂直方向從1 000～10 hPa，共17層[27,28]。值得注意的是：壓力項(xiàng)的計(jì)算中，由于選取的是1962―2021年的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，所以應(yīng)該考慮海平面高度隨氣壓的變化。因此，本文使用反變氣壓(inverted barometer,IB)近似，即假設(shè)海洋對(duì)大氣壓力變化存在響應(yīng)[29,30]。在風(fēng)項(xiàng)計(jì)算時(shí)，本文依據(jù)前人工作考慮了地形因素的影響，即從不同地形起伏所對(duì)應(yīng)的高度垂直積分至10 hPa[31]。軸向大氣角動(dòng)量函數(shù)(AAMFχ3)為壓力項(xiàng)與風(fēng)項(xiàng)之和。為了與日長(zhǎng)變化的觀測(cè)單位(ms)相一致，還需將χ3乘上轉(zhuǎn)換因子8.64×107ms·rad?1。最后，將所得序列扣除與ΔLO D類似的擬合季節(jié)項(xiàng)后，經(jīng)AR模型延拓和1～10 a頻段濾波以及端部效應(yīng)扣除，得到與ENSO指標(biāo)和ΔLO D相對(duì)應(yīng)的AAM年際分量。

3 對(duì)比分析結(jié)果

圖5顯示的是ΔLO D,AAM與MSOI的年際分量對(duì)比，可見(jiàn)在年際尺度上三者有相似的起伏趨勢(shì)，典型的1982―1983年、1997―1998年和2015―2016年超強(qiáng)厄爾尼諾事件分別體現(xiàn)在這三者的振幅上。圖6給出了以上年際分量時(shí)間序列的超前滯后相關(guān)情況，其中相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)均超過(guò)99%的顯著性水平[32]?？梢?jiàn)MSOI分別超前于AAM(藍(lán)色實(shí)線)和ΔLO D(紅色實(shí)線)約1月，且MSOI與AAM和ΔLO D的最大相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.69和0.55。另一方面，AAM與ΔLO D同步(綠色實(shí)線)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.70。這反映了在年際尺度上，固體地球與表層大氣海洋系統(tǒng)之間的強(qiáng)烈耦合作用，同時(shí)也驗(yàn)證了在外力矩為0時(shí)大氣與固體地球角動(dòng)量守恒下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換過(guò)程。圖6所得結(jié)論與前人研究基本一致[7,11?13,33]。

圖5 1962年1月—2021年1月間ΔLO D,AAM,MSOI的年際分量對(duì)比

圖6 1962年1月—2021年1月間的年際分量時(shí)間序列的超前滯后相關(guān)情況

為了進(jìn)一步分析年際尺度上日長(zhǎng)變化、大氣角動(dòng)量激發(fā)和南方濤動(dòng)的時(shí)頻特征，本文引入正則化Morlet小波[34]。設(shè)時(shí)間序列為f(t)，定義小波函數(shù)為：

其中，Ψ(t)為基本小波，a為確定頻率特征的伸縮尺度因子，b為時(shí)間域上的平移因子，小波變化可以同時(shí)用于分析準(zhǔn)周期時(shí)變序列的時(shí)間域和頻率域特征。圖7給出ΔLO D,AAM和MSOI在年際分量上的小波譜結(jié)果，其中紅色對(duì)應(yīng)正相位，藍(lán)色對(duì)應(yīng)負(fù)相位，顏色越深表示強(qiáng)度越大?？梢?jiàn)ΔLO D,AAM和MSOI在年際分量上具有相似的時(shí)頻分布結(jié)構(gòu)。

圖7 1962年1月—2021年1月間ΔLO D,AAM和MSOI的年際分量小波分析譜

以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果反映了ENSO通過(guò)影響大氣角動(dòng)量進(jìn)而導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速率發(fā)生改變的過(guò)程?？傮w來(lái)說(shuō)，當(dāng)厄爾尼諾出現(xiàn)時(shí)，MSOI指數(shù)為正(S O I指數(shù)為負(fù))，表征赤道東風(fēng)帶的信風(fēng)減弱，出現(xiàn)西風(fēng)異常，這將導(dǎo)致緯向沃克(Walker)環(huán)流減弱；同時(shí)，由于厄爾尼諾期間的熱帶太平洋暖海水異常加熱大氣，使得經(jīng)向哈德來(lái)(Hadley)環(huán)流增強(qiáng)，進(jìn)一步使副熱帶西風(fēng)急流增強(qiáng)。圖6顯示年際分量的MSOI超前于AAM與ΔLO D1月左右，可能是由于熱帶海氣相互作用通過(guò)大氣的經(jīng)向環(huán)流輸送使副熱帶出現(xiàn)異常響應(yīng)所需要的時(shí)間。在厄爾尼諾期間熱帶太平洋上空出現(xiàn)的西風(fēng)異常以及副熱帶西風(fēng)急流的增強(qiáng)等過(guò)程共同導(dǎo)致了AAM因西風(fēng)分量的增加而增強(qiáng)。由于固體地球與大氣的系統(tǒng)總角動(dòng)量守恒，AAM的增加使得地球自轉(zhuǎn)減速，ΔLO D增加。當(dāng)厄爾尼諾通過(guò)皮耶克尼斯正反饋(Bjerknes feedback)[35]達(dá)到峰值后開(kāi)始逐漸消亡時(shí)，其產(chǎn)生的大氣環(huán)流異常也會(huì)逐漸恢復(fù)，在此期間AAM和ΔLO D會(huì)相對(duì)降低，因此通常出現(xiàn)AAM和ΔLO D極大值。前人在研究中也提及了類似的反饋過(guò)程[8,36,37]。

反之，在拉尼娜期間，由于赤道東太平洋出現(xiàn)冷海水異常，赤道東風(fēng)增強(qiáng)，緯向沃克環(huán)流增強(qiáng)，經(jīng)向哈德來(lái)環(huán)流減弱，副熱帶西風(fēng)急流減弱。熱帶和副熱帶的東風(fēng)分量增強(qiáng)，導(dǎo)致AAM減弱，根據(jù)地氣系統(tǒng)角動(dòng)量守恒，地球自轉(zhuǎn)速率增加，ΔLO D降低。同理，當(dāng)拉尼娜開(kāi)始消亡時(shí)，AAM和ΔLO D往往會(huì)相對(duì)增加，而通常導(dǎo)致AAM和ΔLO D極小值的出現(xiàn)。

值得注意的是，盡管ENSO是氣候系統(tǒng)年際尺度的最強(qiáng)變率，也是影響日長(zhǎng)變化年際分量的重要原因，但由于導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速率變化的原因非常復(fù)雜，所以ENSO并不能完全解釋年際尺度的日長(zhǎng)變化。平流層準(zhǔn)兩年振蕩(quasi-biennial oscillation,QBO)等氣候模態(tài)和一些地球內(nèi)部物理過(guò)程也可能對(duì)日長(zhǎng)變化的年際分量產(chǎn)生影響[26,38]。

圖8顯示了大致時(shí)間段內(nèi)ΔLO D年際分量與O N I的對(duì)比情況。其中，如O N I部分所示，截至2021年1月末，2020年7月至2021年1月期間Nino3.4海區(qū)SSTA連續(xù)3月滑動(dòng)平均值所得的O N I指數(shù)已經(jīng)滿足連續(xù)5月S S T A≤-0.5℃的拉尼娜事件判定條件。O N I指數(shù)的峰值出現(xiàn)在2020年11月(Nino3.4 OND SSTA平均)達(dá)到-1.3℃，根據(jù)NCAR的標(biāo)準(zhǔn)[18]，是一次中等強(qiáng)度的拉尼娜事件。同時(shí)，將圖中的ΔLO D年際分量與O N I序列(厄爾尼諾事件(紅色填充)和拉尼娜事件(藍(lán)色填充))進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，年際分量的ΔLO D并不完全與以O(shè) N I指數(shù)為判定標(biāo)準(zhǔn)的ENSO冷暖事件在起止時(shí)間和強(qiáng)度上嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，這可能是由于兩種數(shù)據(jù)分辨率不同、數(shù)據(jù)處理方法導(dǎo)致的誤差以及影響ΔLO D因素的復(fù)雜性所致。按照基于O N I的判定標(biāo)準(zhǔn)，從1962年1月至2020年1月，共出現(xiàn)了19次厄爾尼諾事件以及16次拉尼娜事件，如果忽略上述導(dǎo)致O N I和ΔLO D對(duì)應(yīng)上出現(xiàn)誤差因素的影響，幾乎所有的厄爾尼諾和拉尼娜事件均使年際分量的ΔLO D出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的極大值和極小值。對(duì)于目前仍在持續(xù)的2020年夏季至2021年春季中等強(qiáng)度拉尼娜事件，年際ΔLO D在對(duì)應(yīng)時(shí)期出現(xiàn)幅度約-0.18 ms的變化(圖8a)右側(cè))，我們將持續(xù)關(guān)注本次事件的后續(xù)進(jìn)展。

圖8 ΔLO D年際分量與O N I的對(duì)比圖

4 總結(jié)與討論

本文基于天文觀測(cè)的日長(zhǎng)變化序列、大氣角動(dòng)量和表征ENSO的S O I與O N I指數(shù)，分析了三者在年際時(shí)間尺度上的關(guān)聯(lián)性，并嘗試給出物理過(guò)程描述，同時(shí)檢測(cè)到年際日長(zhǎng)變化中的2020―2021年拉尼娜事件信號(hào)。

由ENSO、大氣角動(dòng)量及日長(zhǎng)變化得到的互相關(guān)關(guān)系，除了驗(yàn)證O N I與MSOI這兩個(gè)分別表征EN與SO的指數(shù)具有很好的相關(guān)性和同步性以外，還顯示了ΔLO D,AAM和MSOI在統(tǒng)計(jì)意義上的超前滯后關(guān)系?？芍O D與AAM基本同步，反映了大氣與固體地球角動(dòng)量在系統(tǒng)總角動(dòng)量守恒條件下的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換過(guò)程。而MSOI分別超前于AAM和ΔLO D約1月，則從統(tǒng)計(jì)角度說(shuō)明，ENSO是ΔLO D在年際尺度上的重要激發(fā)源。

基于現(xiàn)有的觀測(cè)資料，從1962年1月至2021年1月，共出現(xiàn)了19次厄爾尼諾事件和17次拉尼娜事件。由于厄爾尼諾和拉尼娜會(huì)導(dǎo)致熱帶及副熱帶大氣環(huán)流出現(xiàn)異常(反映為AAM的變化)，因此也會(huì)使LO D出現(xiàn)相應(yīng)改變。對(duì)于2020年夏季至2021年春季發(fā)生的中等強(qiáng)度拉尼娜事件，反映在地球自轉(zhuǎn)上是轉(zhuǎn)動(dòng)速率加快，且年際日長(zhǎng)變化序列在對(duì)應(yīng)時(shí)期出現(xiàn)了幅度約―0.18 ms的變化。截至2021年2月底，本次拉尼娜事件仍在延續(xù)，我們將繼續(xù)關(guān)注相關(guān)的天文和氣象發(fā)展過(guò)程。

致謝

感謝國(guó)際地球自轉(zhuǎn)與參考架服務(wù)(IERS)和美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/大氣研究中心(NCEP/NCAR)提供的數(shù)據(jù)資料。感謝審稿專家及編輯部老師對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)。