1972—2022年地球自...性及其中的气候事件表征研究_许雪晴.pdf

许雪晴，周永宏，胥灿灿.2023.19722022 年地球自转速率的变化特性及其中的气候事件表征研究.地球与行星物理论评（中英文），54（5）：572-580.doi：10.19975/j.dqyxx.2022-062.XuXQ,ZhouYH,XuCC.2023.VariationintherotationrateofEarthanditsroleasaclimatechangeindicatorbetween1972and2022.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,54(5):572-580(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2022-062.19722022 年地球自转速率的变化特性及其中的气候事件表征研究许雪晴1,2,3*，周永宏1,2,3，胥灿灿1,31中国科学院上海天文台，上海2000302中国科学院行星科学重点实验室，上海2000303中国科学院大学天文与空间科学学院，北京100049摘要：作为反映地球自转速率累积变化的参数（世界时 UT1-UTC）和时变特性的参数（日长变化 LOD），UT1-UTC在现实项目中有重要应用，而 LOD 则主要用于科学研究，联合两者探讨地球自转速率变化的规律有重要的意义.本工作针对近 50 年的世界时观测数据分析其特性，重点关注近期出现的异常现象：2020 年 5 月以来，地球自转趋势由原来的长期减慢逆转为加快；同时对日长变化序列进行分解，分析地球自转速率变化的可能激发源，并评估其中的气候因素对近期地球自转加快的贡献.结果表明，扣除其他影响因素后，日长年际项与气候变化指数表现出高度的一致性；近三年期间，检测到两次中等强度的拉尼娜事件以及第二次事件的延续，其对近期地球自转加快的贡献大约为 9%.关键词：地球自转速率变化；气候变化；厄尔尼诺；拉尼娜doi：10.19975/j.dqyxx.2022-062中图分类号：P183.3文献标识码：AVariation in the rotation rate of Earth and its role as aclimate change indicator between 1972 and 2022XuXueqing1,2,3*,ZhouYonghong1,2,3,XuCancan1,31ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China2KeyLaboratoryofPlanetarySciences,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China3SchoolofAstronomyandSpaceScience,UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,ChinaAbstract:Theuniversaltime(UT1-UTC)andlengthofdaychange(LOD)aretwoparametersthatdescribethe Earths rotation rate variations.UT1-UTC is typically used in space projects,whereas LOD is used forscientificinvestigations.Therefore,studyingthevariationsbetweenthetwoparametersequencesisveryimportant.Inthisstudy,wereviewedtheEarthsrotationrateoverthelastfivedecadesandrevealedanabnormalphenome-noninUT1-UTC.SinceMay2020,theEarthsrotationhasreversedfromadecelerationtrendtoanaccelerationtrend.Besides,weusedLODtofindthepossiblegeophysicalcontributorsandfocusedontheclimate-relatedcontributions.ResultsrevealedthattheinterannualLODexhibitedanotabledegreeofconsistencywithENSOindicesafterusingtheDifference+FDSRmethodtoremovetheinternallyandexternallyinducedsignals.Notably,twoLaNinawithintermediatestrengthandthebeginningofacloselyfollowedthirdtroughweredetectedinthelastthreeyears.Thecontributionsoftheseeventstothelatestrotationaccelerationareapproximately9%.收稿日期：20220823；录用日期：20221111基金项目：国家自然科学基金资助项目（12233010,12173070）；中国科学院青年创新促进会资助项目（2019265）SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.12233010,12173070)andtheYouthInnovationPro-motionAssociationofChineseAcademyofSciences(GrantNo.2019265)*通信作者：许雪晴（1984-），女，研究员，主要从事地球自转变化的激发机理研究.Email:第54卷第5期地球与行星物理论评（中英文）Vol.54No.52023年9月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsSep.,2023Keywords:Earthsrotationratevariations;climatechange;ElNino;LaNina0引言天文观测中通常采用地球自转参数（Earthrotationparameters,ERP）来描述地球的自转运动，用于反映固体地球与大气、海洋、地幔和地核在各种时空尺度上的相互作用过程.ERP 通常包括两部分：（a）极移，是自转轴相对于地壳的运动；（b）日长变化（lengthofdaychanges,LOD），记录了地球自转速率的变化.本研究主要集中在对世界时（UT1-UTC）以及日长变化 LOD 观测序列中呈现的特性及其与气候变化之间的联系分析.UT1-UTC 与 LOD 可以进行转换（两者之间的关系具体见 1.1 节），通常，UT1-UTC 作为坐标系统的链接参数之一广泛应用于卫星导航、深空探测等；LOD 则主要用于研究地球自转速率的实时变化及其与多种地球物理因素（核幔耦合、大气、海洋、陆地水等）之间的关系.在激发地球自转速率变化的因素中，大气、海洋、陆地水可以统称为气候因子.全球范围内年际尺度上的气候变化则通常采用厄尔尼诺-南方涛动（ElNino-SouthernOscillation,ENSO）来描述.此外，赤道平流层中的准两年振荡（quasi-biennialoscillation,QBO）也有贡献，但没有 ENSO 显著（Chao,1989），因此，本研究仅考虑 ENSO.在海洋中，ENSO 表现为每隔几年出现在赤道中-东太平洋表层海水的暖或冷异常，气候事件厄尔尼诺（ElNino）和拉尼娜（LaNina）分别对应暖和冷异常；在大气中，ENSO 表现为南方涛动，即为赤道东、西太平洋之间海平面气压存在的跷跷板现象（FangandYu,2020;Timmermannetal.,2018）.全球气候事件一般根据美国国家海洋与大气管理局（NationalOceanicandAtmosphericAdministration,NOAA）制定的标准来进行判定.当热带太平洋中部 海 域 表 面 温 度 异 常（sea surface temperatureanomaly,SSTA）3 个月滑动平均值，比对应区域的平均值高或者低 0.5 并且连续出现 5 个月即定义为一次 ElNino（暖）或者 LaNina（冷）事件；而暖/冷事件极值持续 5 个月超过+/2.0，即可判断为一次超强事件（贾凡，2014）.根据 NOAA 官网记录数据，自 1950 年以来，共有 23 次 ElNino 和20 次 LaNina 事件交替出现.其中，3 次超强 ElNino 事 件 分 别 发 生 在 19821983 年、19971998 年、20142016 年期间.在不考虑日、月引力等外力矩影响时，固体地球及其表面流体圈层（大气、海洋）可以当作封闭的动力学系统.根据总角动量守恒原理，首先，表面流体（大气、海洋、陆地水）角动量的变化，会使固体地球产生相反的角动量变化，从而使地球自转发生改变（Dickeyetal.,1992,2007;廖德春等,2003,2007;ZotovandBizouard,2015）；其次，全球水循环过程中产生的能量物质交换是全球气候变化的主要因素.因此，地球自转变化在多个时间尺度上均与全球气候系统有着紧密的联系（Chenetal.,2019;YanandChao,2012;Zotovetal.,2022）.其中，日长变化 LOD 的年际项与 ENSO 之间的关系研究最为广泛（deVironandDickey,2014;HaddadandBonaduce,2017;孔昭洋等,2021;Lam-bertetal.,2017）.已有研究表明，LOD 年际项主要由大气角动量（atmosphericangularmomentum,AAM）的变化激发（Chenetal.,2019;师思等,2017;Zotovetal.,2022）.孔昭洋等（2021）分析了 AAM、LOD 以及 ENSO 指数序列的相关性，并检测出 20202021 年拉尼娜事件.Xu 等（2022）分陆地和海洋区域估计了 AAM 对 LOD 年际变化的贡献，结果表明，海洋区域的 AAM 运动项是主要的激发源.除去流体激发因素，LOD 序列中还存在 3 个周期约为 5.9 年、7.3 年、8.5 年的信号，其激发机制被建议可能是来源于地球内部（Ding,2019;Dingetal.,2021;Duanetal.,2018;DuanandHuang,2020）.Hsu 等（2021）采用一种频率域自回归方法，识别了 LOD 序列中来自地球内部的 3 个年际信号.为了进一步排除地球内外部信号干扰，Xu 等（2022）采用一种差分联合频率域自回归方法，提取了LOD 序列中仅与气候变化相关的年际项；相较于没有扣除其它信号影响，仅由地表流体激发的LOD 年际项能更准确地反映气候变化信息.同时，Zotov 等（2022）发现经过 20142016 年超强 ElNino 事件之后，地球自转的减慢趋势开始减弱，并于 2020 年转变为加快状态，具体表现为 UT1-UTC 观测序列出现趋势逆转.与此同时，ENSO 数据显示近三年来已经有两次完整的 LaNina 事件（20202021 年和 20212022 年）发生.其中，20212022 年事件正在形成第二次波谷，这三波第54卷第5期许雪晴，等：19722022 年地球自转速率的变化特性及其中的气候事件表征研究573冷事件与 2020 年 5 月以来的地球自转加快之间的联系还有待研究.总的来说，现有工作主要集中在对 LOD 序列的分析来研究地球自转速率变化的激发，很少关注其积分序列（UT1-UTC）的变化特性，从而忽略了地球自转速率