1、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.dq
2、yxx.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
3、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 acl
4、imate change indicator between 1972 and 2022XuXueqing1,2,3*,ZhouYonghong1,2,3,XuCancan1,31ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China2KeyLaboratoryofPlanetarySciences,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China3SchoolofAstronomyandSpaceScience,UniversityofChineseA
5、cademyofSciences,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,studyingthevariationsbetweenthetwoparam
6、etersequencesisveryimportant.Inthisstudy,wereviewedtheEarthsrotationrateoverthelastfivedecadesandrevealedanabnormalphenome-noninUT1-UTC.SinceMay2020,theEarthsrotationhasreversedfromadecelerationtrendtoanaccelerationtrend.Besides,weusedLODtofindthepossiblegeophysicalcontributorsandfocusedontheclimate
7、-relatedcontributions.ResultsrevealedthattheinterannualLODexhibitedanotabledegreeofconsistencywithENSOindicesafterusingtheDifference+FDSRmethodtoremovetheinternallyandexternallyinducedsignals.Notably,twoLaNinawithintermediatestrengthandthebeginningofacloselyfollowedthirdtroughweredetectedinthelastth
8、reeyears.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-motionAssociation
9、ofChineseAcademyofSciences(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
10、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
11、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
12、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
13、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;ZotovandBizouar
14、d,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
15、.,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
16、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