地球物理學(xué)原理地球物理

1、淺談地球自轉(zhuǎn)鮑娣 2010301610122大學(xué)測繪學(xué)院摘要：地球自轉(zhuǎn)是地球的最基本運動形式之一，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人們對地球研究的深入，人們逐漸發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)與各種自然現(xiàn)象都有著，這些要么就已經(jīng)通過觀測與推理得以論證，要么就是通過統(tǒng)計結(jié)果來總結(jié)地球自轉(zhuǎn)與這些自然現(xiàn)象的，研究地球自轉(zhuǎn)可以對地球有更深一步的認識，對諸如等的自然災(zāi)害也能有一定的參考價值。：地球自轉(zhuǎn)，大氣活動，海洋活動1 引言一直以來，科研人們對地球自轉(zhuǎn)的研究從沒斷過，從天體周日運動，落體偏東，傅科擺的現(xiàn)象人們知道地球自轉(zhuǎn)的規(guī)律，隨著研究的深入，科研人們發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)和，大氣，海洋，地球重力場時變信息等等都有。本文就是淺談地球自轉(zhuǎn)與

2、上述現(xiàn)象的。2 地球自轉(zhuǎn)速率與地球自轉(zhuǎn)速率的變化與震前為例進行闡述?；顒佑幸欢ǖ年P(guān)系，本文以2004 年蘇門答臘Mw9.02004 年 12 月 26 日蘇門答臘 Mw9.0震中位于亞歐帶東段發(fā)生在澳大利亞板塊和歐亞板塊交匯部位的安達曼弧構(gòu)造帶上是一次典型的板緣。地球自轉(zhuǎn)與的關(guān)系一直受到源。不少研究涉及們的關(guān)注，地球自轉(zhuǎn)速率變化可能是全球活動的一種主要的動力來活動與地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)性，這些研究幾乎得到了相近的結(jié)果認為地球自轉(zhuǎn)與全球強震的發(fā)生具有統(tǒng)計上的相關(guān)關(guān)系，只是不同地區(qū)存在差異。有的地區(qū)與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)而有的地區(qū)則與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)。下圖給出了 20012004 年蘇門答臘 Mw9.0前余震區(qū)發(fā)生

3、 M>=5.3（圖中豎直線）和地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化（圖中曲線），圖中從 A 點到B 點，地球自轉(zhuǎn)日長縮短，表明地球自轉(zhuǎn)處于季節(jié)變化的狀態(tài)；而從 B 點到 C 點地球自轉(zhuǎn)日長增加，表明地球處于季節(jié)性變化的狀態(tài)。因為地球自轉(zhuǎn)期和期所占的時間大致相當，所以如果隨機發(fā)生，其發(fā)生在2003 年似乎發(fā)生在期和期間的期的可能性應(yīng)該是一樣的。但從圖中可以看出在 2002 年和明顯比發(fā)生在期間的多。圖 1總是發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)期間或期間說明地球自轉(zhuǎn)對的發(fā)生具有作用。為了分析與地球自轉(zhuǎn)或即之間的關(guān)系，引入地球自轉(zhuǎn)期間和期間單位時間內(nèi)發(fā)生的數(shù)之比值 rda（1）期Rda=nd/na式中 nd 和 na 分別為地球自

4、轉(zhuǎn)和時間內(nèi)發(fā)生的數(shù)。利用 1990 年 1 月2004 年 11 月 30 日發(fā)生在蘇門答臘 Mw9.0余震區(qū)的 M>=4.5目錄。以 3 年的時間窗 6的滑動步長根據(jù)式（1）計 算得到了 rda 隨時間的變化，結(jié)果示于下圖中rda平均值約為 1.4，大約在,2002 年 5 月前 rda 在 0.61.9 之間變化，2002 年底急劇上升到 3.3，達到最高值。到 2003 年 5 月，rda 下降到 2.5 左右，之后維持在 2.32.6 之間小幅變化。從整個變化過程來看，1993 年底 rda 從年初的 1.5 上升到 1.9，之后呈逐漸下降變化形態(tài)，1994年底下降到 0.7，直

5、到 1998 年 5 月 rda 穩(wěn)定在 0.60.8 的較低值之間。1998 年 5 月之后，rda呈起伏上升趨勢變化形態(tài)。因此 rda 在震前數(shù)年表現(xiàn)為前期的緩慢趨勢上升和后期的升-下降變化特征。上圖 2rda 的計算是根據(jù)發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)的因素主要有兩個方面：一是地球自轉(zhuǎn)期和時段和期時間內(nèi)的數(shù)。計算中影響 rda時段各自所占的時間長短；二是個數(shù)。一般來講，地球自轉(zhuǎn)時段和時段所占的時間長短大致是相同的，但略有偏差。如果在計算時使用時間內(nèi)發(fā)生的數(shù)，就可將偏差的影響扣除。由于要么發(fā)生在時段要么發(fā)生在時段，假如隨機發(fā)生，可由二項式分布，計算 rda 值的隨機概率，rda 值的隨機概率與樣本有關(guān)，如

6、果樣本量為 3，那么分布的概率最大。這種情況 下計算得到 rda 的值為 2.0 或 0.5，如果樣本量為 10，則（5.5）和（4.6）分布的概率最大。因此， rda 值為 1 或 0.7 或 1.5.即樣本量增大時，相同的 rda 值的隨機性減弱，或者說具有同樣隨機概率的 rda 值會減小。下圖中給出了 rda 值=2.0、3.0、4.0、5.0 的隨機概率與樣本量的關(guān)系，可以看出當樣本量大于 50 時，這些 rda 值的隨機概率已經(jīng)很小了。圖 3下圖給出了在計算圖 2 中的 rda 值時所用的數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。對所有的 rda 值，在計算時，樣本量都在 50 以上，所以，2002 年底以后

7、rda 值位于 2 以上，其隨機性非常小，結(jié)果度高，反映了地球自轉(zhuǎn)對活動的作用。圖 4下圖（圖 5）給出了 2000 年 1 月2004 年 11 月蘇門答臘 Mw9.0余震活動區(qū)域內(nèi)，發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢時段與加快時段內(nèi) M>=5.5的震中分布?？梢钥闯鲈谔K門答臘震中附近，緯度在 1°N7°N 的空間范圍，這段時間內(nèi)幾乎全部地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的時段內(nèi)。從 2002 年 1 月到 2004 年 5 月近 5 年的時間，在這 5 年的時間里地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性時間長度大致相等。如果這些 M>=5.5和交替變化大約要經(jīng)歷 10 次且各自所占的不受地球

8、自轉(zhuǎn),它們發(fā)生在時段內(nèi)這表明地球自轉(zhuǎn)和時與這段的可能性是相同的。實際上這些都一致地發(fā)生在陳學(xué)忠,2013。些的發(fā)生之間具有非常密切的圖 53 地球自轉(zhuǎn)與大氣活動3.1 日長變化與大氣活動日長在季節(jié)性、亞季節(jié)性和年際時間尺度上的變化與全球大氣活動有著密切的關(guān)系。日長的季節(jié)性變化由一個項和一個半年項組成，前者變化的幅度約 0.4ms，后者約 0.3ms，兩種波動疊加在一起出現(xiàn)兩個波峰，其幅值變化的極小值通常位于 1 和 7 月Hide.R,1991光學(xué)天體測量資料存在季節(jié)性的系統(tǒng)誤差,而空間大地測量資料的季節(jié)性誤差要小得多Morgan P.J 1981。去除幅度相當大的半潮汐項后,日長的季節(jié)性變化

9、主要是因為作用于固體地球表面的摩擦力矩和山脈力矩,引起大氣和固體地球之間軸向角動量的交換。日長季節(jié)性變化中的 90%以上來源于風(fēng)速變化,剩余部分則來自大氣壓變化和海洋的激發(fā)。稱日長在幾天和幾十天時間尺度上的波動為日長的亞季節(jié)性變化，它包括一個顯著的50d 左右的準周期波動（常簡稱為“50d”波動）和一個寬帶連續(xù)譜,它們主要由大氣激發(fā)。ey 等人研究發(fā)現(xiàn),對于周期大于 8d 的亞季節(jié)性波動,日長變化和軸向大氣角動量（AAM） 間的凝聚性都比較顯著,在周期小于 8d 時,凝聚性減弱。這可能是資料中的隨機誤差或未考慮的激發(fā)源所致。在日長亞季節(jié)性變化中,討論得最多的是“50d”波動。采用中國的天文測時

10、資料,鄭大偉鄭大偉，1978由 AR 譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)世界時 UT1 的高頻變化中存在近 50d 的波動過程。隨后 Feissel 等人用空間大地測量的 4 中的 UT1 資料。LangleyLangley R B,1981等人用 4a 的氣象資料和激光測月技術(shù)觀測到的日常資料，都分析得到明顯的“50d”波動,從而證實了這一發(fā)現(xiàn)。李志安李志安，1987等人假設(shè)日長“50d”波動為一種偶然激發(fā)的衰減振蕩，估計出它的共振周期范圍在 4552d 之間。熱帶太平洋上的緯向風(fēng)同樣存在著 50d 左右的變化稱為 Madden-Julian 波動，人們還在熱帶大氣對流、地球位勢、季風(fēng)雨量和洋環(huán)流和太平洋海平面高度

11、等物理量中找到類似的亞季節(jié)性波動 對于這種波動的, MaddenMadden R A,1987假設(shè)它是熱帶振蕩在全球的反映,而 Ghil 等人Ghil M,1991認為,它是由亞熱帶大氣緯向的內(nèi)在不穩(wěn)定性激發(fā)的,這種內(nèi)在不穩(wěn)定性源于大氣激流與巨大山脈之間的相互作用。對于“50d”波動的物理機制，目前仍無定論。日長年際變化指日長在幾年時間尺度上的波動，其幅度可達 0.5ms,與日長季節(jié)性變化的幅度相當。研究表明,大部分日長年際變化由大氣激發(fā)，其余來自海洋,所以日長年際變化與海、氣活動密切相關(guān)。1991 年，美國環(huán)境中心和大氣研究中心（NCEP/NCAR）合作提出一項重新分析計劃,對美國氣象中心（

12、NMC/NCEP 的前身）使用的全球資料同化系統(tǒng)（GDAS）作了多處改進，并采用了更完備的資料，所以重新歸算后的 AAM 序列比過去的 NMC-AAM 序列具有更高的精度。Yu 等人Yu N H,1999采用這一新的 AAM 序列重新進一步研究大氣與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系，結(jié)果得出，新的 AAM 序列具有噪聲小和分辨率高的特點，它顯著地了亞季節(jié)性到年際時間尺度上大氣對日長變化激發(fā)的貢獻，尤其是在準兩年時間尺度上，AAM和日長變化的符合度更好。高精度的日長變化序列還可作為全球大氣和海洋環(huán)流模型檢驗的一種重要參考依據(jù)。周永宏等人周永宏，2000將氣象廳(JMA)全球環(huán)流模型模擬的軸向 AAM 與日長變化序

13、列作比對發(fā)現(xiàn)，該模型對軸向 AAM 的是該模型對亞熱帶緯向風(fēng)的模擬分量模擬很好，而對半年分量的模擬較差，其。3.2 極移與大氣活動極移主要包括 12 和 14大氣質(zhì)量的季節(jié)性變化對的周期項，即極移和 Chandler 極移。人們很早就注意到極移的影響。眾多學(xué)者應(yīng)用各種氣象資料計算了大氣對極移的激發(fā)，但由于資料的精度問題，所得結(jié)果存在著一定的差異。周永宏等人采用近代空間大地測量技術(shù)觀測到的極移序列和美國 NCEP/NCAR 重新歸算的 AAM，分析了 19851995 年大氣對匝向和逆向極移的激發(fā)。結(jié)果表明雖然大氣對極移起主要的激發(fā)作用，但大氣的激發(fā)與觀測到的激發(fā)量，在幅度和位相上都存在著相當大

14、的差異，剩余的激發(fā)來自海洋與陸地水分布的變化等。1891 年，在尋求緯度觀測中的自由 Euler 周期項（305d）時發(fā)現(xiàn)了 14左右的周期性擺動，即 Chandler 擺動，理論和實測的這一差異已由彈性地球模型解釋，作為自由運動，由于地慢滯彈性等能量耗散源的存在朱耀仲，2000，擺動應(yīng)是一個逐漸衰減的過程， 但 100 余年的觀測表明其振幅雖有變化，沒有系統(tǒng)地減小，這說明一定存在某些激發(fā)因素在克服阻尼而維持著這種運動。擺動的維持機制可能有 4 種：周期強迫、參數(shù)共振、非線性效應(yīng)和隨機攝動。其中，隨機攝動理論最有可能解釋 Chandler 擺動激發(fā)的維持問題。如果是周期強迫來維持擺動，那么這個

15、周期必須是 Chandler 周期，而 Chandler 周期是由整個地球的固有性質(zhì)決定的，從概率上講，地球的局部物質(zhì)運動不大可能形成具有 Chandler 周期的強迫。事實上，到目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯 Chandler 周期的周期強迫源。參數(shù)共振發(fā)生的實質(zhì)上是轉(zhuǎn)動慣量存在接近 Chandler 頻率或其整數(shù)倍數(shù)的周期變化。從初步的量級估計看來，參數(shù)共振的條件很難得到滿足，如果考慮激發(fā)地球自轉(zhuǎn)的 Liouville 方程中的非線性效應(yīng)，地球自轉(zhuǎn)速率的長期減慢可以使 Chandler 擺動的振幅增加，但其量級很小，不足以維持 Chandler 擺動。一個慣常的假設(shè)是將 Chandler 擺

16、動的激發(fā)信號看成 Gauss 白噪聲，而將大氣作為Chandler 擺動的寬帶激發(fā)源，Munk 等人Munk W H, Hassan E M,1961計算了大氣對 Chandler 擺動的激發(fā)，認為大氣質(zhì)量的重新分布對 Chandler 極移的影響很小。Wilson 等人的結(jié)果則反映了另一種看法,大氣的 Chandler 激發(fā)占實測激發(fā)能量的 1/4。Vondrak Vondrak J，1990 分析了 11.5a 長的空間大地測量資料后得出，大氣激發(fā)了 Chandler 擺動的 10%20%。Chao在分離出 19861990 年實測資料中 Chandler 極移的激發(fā)后，認為 AAM 對

17、Chandler 極移具有較大的貢獻。Furuya 等人Furuya M，1996采用 1983 年以后約 11a 的氣象廳和美國氣象中心歸算的 AAM 資料進一步分析出，AAM 中的風(fēng)項比氣壓項對 Chandler 極移激發(fā)的貢獻更為顯著。極移在幾年時間尺度上也存在著變化，簡稱為年際極移。Abarca 等人Abarca R ,Cazenave A，1994應(yīng)用周期圖和小波變換技術(shù)分析極移序列中的年際變化，發(fā)現(xiàn)了兩個顯著的分量： 準兩年分量和大約 46a 的周期分量。他們接著比較 19801991 年的極移激發(fā)序列與 AAM 資料，結(jié)果表明，在準兩年周期上它們的相關(guān)性較強；在 46a 的較長周

18、期上，極移的東向分量與 AAM 符合較好。而在北向分量上符合較差。其實，年際極移的一個重要激發(fā)源來自北濤動。北濤動的基本特征為：副熱帶反氣旋帶至冰島附近副極區(qū)近南北方向、年際時間尺度上的氣壓振蕩，其強度通常由海面溫度、海平面氣壓或高度場構(gòu)造的指數(shù)來描述。Zhou 等人發(fā)現(xiàn)北濤動指數(shù)與年際時間尺度上極移激發(fā)函數(shù)之間存在強相關(guān)性，并通過初步的動力學(xué)理論分析得出，北濤動對年際極移的激發(fā)具有重要的貢獻?，F(xiàn)代空間大地測量比傳統(tǒng)光學(xué)觀測的精度大約提高了兩個量級，可以給出每天（甚至幾小時）間隔的極移數(shù)據(jù)，這樣人們發(fā)現(xiàn)了亞季節(jié)性極移。Eubanks 等人應(yīng)用 19831986SLR 和 VLBI 觀測的極移序

19、列以及 JMA 和 NMC 的 AAM 資料，研究了大氣對亞季節(jié)性的極移激發(fā)。結(jié)果表明，AAM 中的氣壓項可以解釋亞季節(jié)性極移的 60%。謝伯全等人謝伯全，鄭大偉，1996全面考慮了大氣中氣壓項和風(fēng)項的影響,在 19831992 年期間,大氣對亞季節(jié)性極移激發(fā)的貢獻達到 70%,剩余的部分可能來自海洋。4 地球自轉(zhuǎn)與海洋活動4.1 日長變化和海洋活動大氣環(huán)流的角動量理論已相當成熟，然而由于海洋洋流運動比大氣環(huán)流復(fù)雜得多，角動量方法難以在海洋動力學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。人們在分析地球自轉(zhuǎn)變化和全球角動量平衡時，才涉及到全球平均海洋角動量的研究。過去由于缺少實測或海洋環(huán)流模型模擬的全球海洋速度場和

20、質(zhì)量場數(shù)據(jù)，因而不可能得到較精確的海洋角動量（OAM）。近年來，海洋數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和大型并行計算機的采用大大促進了海洋環(huán)流模型的建立和完善。現(xiàn)今海洋模型已經(jīng)能夠在各種邊界條件下進行數(shù)值模擬，為開展地球自轉(zhuǎn)與海洋活動的研究創(chuàng)造了有利的條件。Brosche 等人應(yīng)用數(shù)值海洋模型研究海洋對日長季節(jié)性變化的激發(fā)作用,認為海洋的貢獻在 20us 量級。等人采用兩個ey 等人估算出繞南極流對日長變化的激發(fā)量約為 24us。Marcus的海洋環(huán)流模型，輸人 19921994 年海表面溫度、鹽度和風(fēng)應(yīng)力等，模出該 3a 的海洋角動量。結(jié)果表明，海洋洋流和質(zhì)量分布的變化對日長變化具有一定的影響， 利用海洋環(huán)

21、流模型可以模擬或檢測到季節(jié)性和更短時間尺度上海洋對日長變化的貢獻。Johnson 等人應(yīng)用并行海洋氣候模型,計算了 19881998 年海洋角動量,得出海洋活動可以解釋相當部分的年際到亞季節(jié)性時間尺度上扣除大氣效應(yīng)后的日長變化。長期以來對海平面變化的研究主要依賴于驗潮站的資料，鄭大偉等人采用太平洋地區(qū)近300 個驗潮站的海平面資料研究地球上赤道和高緯度地區(qū)的海平面年際變化與相應(yīng)的日長變化之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在地球自轉(zhuǎn)時，赤道太平洋平均海平面上升，高緯度帶海平面下降；當?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時，赤道帶海平面下降，高緯度帶海平面上升。1992 年 8 月發(fā)射的 TOPEX/POSEIDON 海洋測高使得對全球海平面

22、的高精度觀測成為可能。鄭大偉等人采用 1992 年 12 月1994 年 12 月 TOPEX 海平面資料，研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性時間尺度上日長變化與海平面變化的相關(guān)性。4.2 極移與海洋活動Ponte 等人和 Johnson 等人采用不同的海洋環(huán)流模型，研究海洋對年際至亞季節(jié)性時間尺度上極移的激發(fā)。他們的研究結(jié)果均表明，海洋角動量函數(shù)與扣除大氣效應(yīng)后的極移激發(fā)函數(shù)具有顯著的相關(guān)性或凝聚性。海洋活動可以解釋相當部分年際到亞季節(jié)性時間尺度上除大氣以外的極移激發(fā)量。海洋還對 Chandler 擺動的激發(fā)具有一定的貢獻。周永宏等人采用美國麻省理工學(xué)院（MIT）海洋環(huán)流模型模擬出的 19851995 年海洋角

23、動量序列，分析了海洋活動對極移的激發(fā)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，海洋的激發(fā)量接近大氣的一半，海洋與大氣激發(fā)的總量比起只考慮大氣，更接近于觀測到的極移激發(fā)量。當然，大氣與海洋激發(fā)量和與觀測到的極移激發(fā)量仍存在一定的偏差，這說明還需要考慮其他的一些激發(fā)因素，例如陸地水分布的變化有關(guān)陸地水對極移激發(fā)的貢獻，由于采用不同的數(shù)據(jù)，目前給出的結(jié)果存在很大的差別。未來幾年的重力測量技術(shù)可望大大提高全球水貯量的觀測精度，從而最終解決這一問題。5 總結(jié)地球自轉(zhuǎn)影響著日長變化，并且與極移密切相關(guān)，而日長變化與極移與、大氣活動以及海洋活動有著不可分割的，學(xué)習(xí)掌握地球自轉(zhuǎn)對了解、大氣活動和海洋活動有重要意義，同時有利于利用日長變化與

24、極移來、大氣活動與海洋活動，從而利用科學(xué)為人類造福。6參考文獻陳學(xué)忠，李艷娥，王恒信，郭祥云，2004 年蘇門答臘 MW9.0前活動增強現(xiàn)象及其與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系.地球物理學(xué)報，2013,56（1）：79-90，doi：10.6038/cjg20130109Lambeck K. The Earths variable rotation. Cambridge University Press. 1980Hide R,ey J O, Earths variable rotation. Science. 1991:253:629637Morgan P J, King R W, Shapiro I I.

25、 Length of day and atmosphere angular momentum: acomparison for 19811983.J Geophys Res.1985.90:1264512652Wahr J M. Oort A H. Friction and mountain-torque estimates from global atmosphere data. JAtm Sci 1984.41:190204鄭大偉.世界時中短周期項分析.天文學(xué)報.1978.19:103108Langley R B. King R W. Shapiro I I. Atmosphere ang

26、ular momentum and the length ofday: a common fluctuation with a period near 50 days. Nature. 1981 294:730732李志安。Wilson C R. 日長 50 天波動的衰減振蕩模型.天文學(xué)報.1987.28:2938Madden R A. Julian P R. Detection of a 4050 day oscillation in the zonal wind of the tropics.J Geophys Res :1987.92:83918399Ghil M. Kimoto M. Neelin J D. Nonlinear dynamics and predictability in the atmosphericscience. Rev Geophys. 199