影響地球自轉(zhuǎn)變化的主要非潮汐因素探究,天文學(xué)論文

影響地球自轉(zhuǎn)變化的主要非潮汐因素探究,天文學(xué)論文摘要：隨著地球自轉(zhuǎn)理論的進一步完善和空間測量技術(shù)的發(fā)展,對地球自轉(zhuǎn)變化的研究越來越精到準確.地球自轉(zhuǎn)變化除了潮汐因素影響之外,還存在非潮汐因素的影響.本文綜述了地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的研究進展.首先介紹了地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的檢測和研究歷史,然后結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況,對地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的影響因素進行了較為全面的敘述.當(dāng)前研究表示清楚陸地水儲量、積雪、冰期后地殼回彈以及太陽活動等是影響地球自轉(zhuǎn)的主要非潮汐因素,它們的影響機制和量級有所不同.陸地水儲量對日長的季節(jié)性變化和周年極移有激發(fā)作用;冰期后地殼回彈引起日長的長期變化和地極的長期漂移;日長變化從短周期振蕩到十年以上周期變化均與太陽活動有關(guān).最后扼要總結(jié)了開展地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化研究的方式方法和手段,并對今后的研究工作進行了瞻望.本文關(guān)鍵詞語：地球自轉(zhuǎn);非潮汐;極移;日長變化;Abstract：WiththefurtherimprovementoftheEarthrotationtheoryandtherapiddevelopmentofspacegeodetictechnology,theresearchesonEarthrotationvariationsbecomemoreandmoreaccurate.Besidestheinfluenceoftidalfactors,therearealsonon-tidalfactorsaffectingtherotationoftheEarth,althoughtheirmagnitudeisrelativelysmall,buttheimpactcannotbeignored.Thispaperreviewstheprogressofresearchonthenon-tidalchangesintheEarthrotation.Firstly,weintroducethedetectionandresearchhistoryofthenon-tidalEarthrotationvariation,then,combinedwiththecurrentresearchesallovertheworld,wecomprehensivelyreviewtheresearchprogressofthenon-tidalEarthrotationvariations.Thepresentstudiesshowthattheglobalcontinentalwaterstorage,snowandice,thepost-glacialreboundofthesolidEarth,andtheSolaractivitiesarethemainlynon-tidalfactorsthatinfluencetheEarthrotationvariations,butthemechanismsandmagnitudesoftheireffectsaredifferent.Thecontinentalwaterstorage,snowandicehavecontributiontotheseasonalvariationofthelengthofdayandtheannualvariationofthepolarmotion.Thepost-glacialreboundmainlycauseslong-termvariationofthelengthofdayandthelong-termdriftofthepole.ThevariationoflengthofdayfromshortperiodtomorethantenyearsisrelatedtotheSolaractivities.Finally,themethodsandmeanstostudythenon-tidalvariationsoftheEarthrotationaresummarized,andthefutureworksarebrieflydiscussed.Keyword：Earthrotation;nontidal;polarmotion;lengthofday;0引言地球自轉(zhuǎn)運動包括相對于慣性空間的運動(歲差章動),它是由日月引力作用在地球赤道隆起部分的結(jié)果;以及相對于地球本體的運動,也就是地極移動(極移)和地球自轉(zhuǎn)速率變化(日長變化).一般情況下,極移描繪敘述的是地球自轉(zhuǎn)軸相對于固體地殼的運動;日長變化則描繪敘述的是地球繞瞬時自轉(zhuǎn)軸的自轉(zhuǎn)速率變化(Lambeck,1988).引起地球自轉(zhuǎn)變化的主要原因包括外界天體引力導(dǎo)致的地球系統(tǒng)總角動量的變化,地球外表和內(nèi)部物質(zhì)質(zhì)量遷移及地球負載形變所致的慣量張量變化,地球外表和地球內(nèi)部物質(zhì)相對運動引起的固體地球相對角動量的變化等(Gross,2007).地球自轉(zhuǎn)變化的研究包括了對極移和日長變化等各種復(fù)雜特征的檢測、分析及對引起極移和日長變化的各種物理機制的解釋(廖德春和鄭大偉,1996).隨著地球自轉(zhuǎn)理論的完善和空間測量技術(shù)的進步,對地球自轉(zhuǎn)變化的解讀將會愈加全面和準確.太陽、月球的引力作用引起固體地球、大氣和海洋產(chǎn)生物質(zhì)遷移和潮汐形變,由此導(dǎo)致了地球外表和內(nèi)部質(zhì)量重新分布,改變地球的慣性張量和相對角動量,使地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生變化(Jinetal.,2020).地球自轉(zhuǎn)速率變化和極移的激起源是不同的,自轉(zhuǎn)速率變化主要受速度場的影響,而極移激發(fā)主要由地球質(zhì)量分布變化所致(許雪晴等,2020).眾多研究已表示清楚潮汐摩擦、核幔耦合作用、冰期后地殼反彈、大氣和海洋效應(yīng)等都是引起地球自轉(zhuǎn)變化的原因,它們對地球自轉(zhuǎn)變化的影響時間尺度和量級不同.日月潮汐摩擦是地球自轉(zhuǎn)長期減慢的主要原因,其影響為每百年減慢約2.4ms(Stephenson,1998),而根據(jù)對古代天文觀測記錄的研究,在過去數(shù)千年里地球自轉(zhuǎn)長期減慢的量級約為1.7ms,這之間的差異被以為是非潮汐因素的加速影響(林元章,1996;StephensonandMorrison,1996).Yoder等(1983)對5.5年的LAGEOS衛(wèi)星測距數(shù)據(jù)進行分析,初次指出在非潮汐因素的作用下地球自轉(zhuǎn)速率會變快,并通過二階帶諧引力位系數(shù)給出非潮汐加速大約為6.010-11a-1.Bur?a和?imon(1986)進一步證實了非潮汐因素對地球自轉(zhuǎn)的加速作用,并計算出其影響約為5.1910-11a-1.Mignard(1986)利用古巴比倫人和阿拉伯人的日食、月食觀測資料,通過對地球二階動力學(xué)因子長期變化的研究,同樣發(fā)如今過去2000年里地球自轉(zhuǎn)速率變化存在非潮汐因素的加速影響.Stephenson和Said(1989)通過對天文學(xué)者在8291019年之間的日食和月食觀測資料的研究,發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)速率存在長期減慢的趨勢,同時也發(fā)現(xiàn)除了潮汐摩擦的作用外,還存在使地球自轉(zhuǎn)加速的非潮汐作用,其量級要小于潮汐摩擦的影響.楊志根和Groten(1995)采用衛(wèi)星激光測距資料給出了地球二階力學(xué)形狀因子和月球平均運動的變化,計算得出非潮汐因素的影響約為地球自轉(zhuǎn)長期減慢的20%,并對其原因進行了分析.影響地球自轉(zhuǎn)變化的非潮汐因素較為復(fù)雜,主要包括陸地水儲量、冰川/積雪、冰期后地殼回彈、太陽活動、引力位系數(shù)的變化、地核體積和速度變化等,它們對地球自轉(zhuǎn)的影響機制、周期和量級各不一樣.本文總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)外有關(guān)地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的研究進展,對影響地球自轉(zhuǎn)變化的主要非潮汐因素及其影響機制進行了分析,并對今后的研究工作進行了瞻望.1地球自轉(zhuǎn)的主要非潮汐影響因素當(dāng)前所討論的潮汐和非潮汐因素還不能夠解釋所有的地球自轉(zhuǎn)變化現(xiàn)象,還有一些其他的激起源有待深切進入研究(Wińskaetal.,2021).下面主要回首全球陸地水儲量、積雪、冰期后地殼回彈、太陽活動等非潮汐因素對地球自轉(zhuǎn)變化的影響.1.1陸地水儲量和積雪的影響極移主要由地球物質(zhì)的重新分布所引起.現(xiàn)有研究表示清楚全球大氣角動量和海洋角動量對極移的奉獻固然與極移的天文觀測數(shù)據(jù)有較好的符合,但還不能完全解釋所有的觀測極移變化,這也在隨后的研究中得到了證實,有研究表示清楚剩余部分可能由包含土壤水、積雪及地下水的陸地水儲量變化引起(Ponteetal.,1998;Brzezińskietal.,2005,2018).在較長一段時間內(nèi),Chandler擺動和極移激發(fā)主要集中在大氣和海洋的效應(yīng)上,陸地水儲量因其在周年擺動上作用較小,并沒有能夠引起足夠的重視.Jeffreys在1916年曾提出除大氣質(zhì)量變化的作用外,陸地水儲量可以能對周年擺動激發(fā)有奉獻.Munk和Hassan(1961)則以為全球水平衡對周年擺動來講并不重要.VanHylckama在1970年的研究則表示清楚積雪、地表水和植被含水對極移激發(fā)的奉獻約占大氣奉獻的30%.Wahr(1983)利用VanHylckama的年水儲量數(shù)據(jù),研究發(fā)現(xiàn)陸地水儲量對Chandler擺動激發(fā)的奉獻約為10%～20%,但尚未進行年際變化研究.Hinnov和Wilson(1987)利用北半球氣象臺站的月均降水和溫度記錄,以及溫度在零度或下面臺站的累計降水量粗略估計了全球陸地水儲量,并利用相干譜分析證實了將全球水儲量和大氣激發(fā)相結(jié)合能更好地解釋極移的周年擺動和Chandler擺動激發(fā).Kuehne和wilson(1991)將全球分成612個流域單元來統(tǒng)計全球陸地水儲量,并將19001985年間的氣象和水文數(shù)據(jù)與觀測極移數(shù)據(jù)相結(jié)合,利用譜分析方式方法,研究了陸地水儲量和大氣質(zhì)量分布在較寬的頻率范圍對周年極移激發(fā)的影響,結(jié)果表示清楚陸地水儲量激發(fā)約占大氣周年正向激發(fā)的10%左右,這與當(dāng)代空間大地測量技術(shù)的觀測結(jié)果較為一致.陸地水和大氣的運動產(chǎn)生的極移激發(fā)尚未確定.事實上,大氣和陸地水所引起的角動量變化中,壓力分量在較寬頻率范圍內(nèi)是極移的主要激起源,而其運動分量是日長變化的主要激起源.完好、精到準確的全球陸地水資料(包括降水量、蒸發(fā)量、地表徑流量、土壤濕度、積雪等)獲取較為困難,很多學(xué)者利用不同方式方法模擬全球陸地水儲量和積雪等數(shù)據(jù)來開展相關(guān)研究.固然數(shù)據(jù)不是特別準確和完備,但陸地水、積雪等非潮汐因素對地球自轉(zhuǎn)的影響進一步得到了證實,并且研究越來越細致,在數(shù)據(jù)、模型、方式方法等方面都獲得了很多成果.Chao和OConnor(1988)利用全球降水和積雪以及土壤水分蒸發(fā)數(shù)據(jù)研究了其對周年擺動和日長變化的影響,以為陸地水儲量和積雪對周年極移的激發(fā)奉獻較小,但對日長變化的季節(jié)性變化奉獻較大,這主要是由于降水、積雪和土壤水分變化受季節(jié)性因素影響較大.雷小平和高布錫(1992)利用全球氣象臺站的月降水和月平均氣溫數(shù)據(jù),以及陸地徑流資料和陸地蒸發(fā)量數(shù)據(jù),建立了水分布變化模型,研究了周年極移激發(fā),表示清楚全球水儲量分布變化的季節(jié)變化可作為周年極移和Chandler擺動的激起源之一,并指出Chao和OConnor(1988)的研究由于參數(shù)設(shè)置的問題,強調(diào)了積雪的作用,而弱化了陸地水儲量的影響.鐘敏等(2002a,b)利用全球降水和蒸發(fā)觀測同化資料以及國際大氣形式比擬計劃和國際大氣海洋耦合形式比擬計劃的地面經(jīng)過數(shù)據(jù),研究了陸地水儲量對周年極移激發(fā)的影響,結(jié)果表示清楚陸地水和海洋激發(fā)減少了觀測激發(fā)與大氣激發(fā)之間的差異,證實了Chao和OConnor[7]以及雷小平和高布錫(1992)的結(jié)論,并表示清楚地表水儲量角動量變化對周年極移正向激發(fā)占大氣激發(fā)的10%～25%.除了利用氣象記錄數(shù)據(jù)外,Chen和Wilson(2005)利用陸地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(LandDataAssimilationSystem,LDAS)獲取陸地水?dāng)?shù)據(jù),計算了19932002年間的極移激發(fā),結(jié)果表示清楚在移除大氣和海洋效應(yīng)后,與剩余觀測激發(fā)有很好的一致性,再次證實了陸地水儲量對極移激發(fā)的影響.Wińska等(2021)將全球陸地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GlobalLandDataAssimilationSystem,GLDAS)獲取的陸地水?dāng)?shù)據(jù)和GRACE衛(wèi)星時變重力場數(shù)據(jù)結(jié)合,研究了1979年至今的極移激發(fā),結(jié)果表示清楚該方式方法能夠很好地解釋移除大氣和海洋效應(yīng)之后的季節(jié)和周年極移激發(fā).美國環(huán)境預(yù)測中心(NationalCentersforEnvironmentalPrediction,NCEP)和美國大氣研究中心(NationalCenterforAtmosphericResearch,NCAR)40年再分析計劃氣候數(shù)據(jù)同化得到的全球土壤濕度和積雪水當(dāng)量數(shù)據(jù)當(dāng)前被以為是較為科學(xué)和準確的數(shù)據(jù)來源,為進一步開展相關(guān)研究提供了很好的數(shù)據(jù)支持.虞南華和鄭大偉(1998)利用NCEP/NCAR資料,研究表示清楚大氣角動量變化能夠很好地解釋周年和準兩年尺度日長變化的非潮汐影響.廖德春和廖新浩(2000)利用NCEP/NCAR數(shù)據(jù)資料對地球自轉(zhuǎn)變化的激發(fā)進行了分析,并與天文觀測結(jié)果進行了比照,結(jié)果顯示陸地水激發(fā)和大氣激發(fā)相結(jié)合的解釋更接近天文觀測結(jié)果,同時也表示清楚還有未知激起源尚待研究.陳巍和申文斌(2018)利用19932018年NCEP/NCAR的大氣角動量、ECCO(EstimatingtheCirculationandClimateoftheOcean)計劃的海洋角動量和LDAS的陸地水角動量數(shù)據(jù),通過最小二乘擬合得到周年和半年的振幅和相位,并利用Liouville方程直接求解了大氣、海洋和陸地水激發(fā)的極移,其結(jié)果與IERS頒布的結(jié)果有很好的一致性.Wińska等(2021)利用GRACE衛(wèi)星和IERS陸地水文模型得到的每月地表水儲量數(shù)據(jù),研究了全球和區(qū)域陸地水儲量對極移激發(fā)的影響,表示清楚除水文激發(fā)外,還有其他未知激起源有待進一步研究.表1周年極移和日長變化的天文觀測激發(fā)、大氣角動量激發(fā)和陸地水儲量激發(fā)導(dǎo)出到EXCEL表1展示了部分陸地水儲量對極移和日長變化的研究結(jié)果,為表示出簡潔,僅選取了對周年極移激發(fā)正頻分量和日長變化的周年項.表1中所列舉的研究在不同時期選用了不同的陸地水儲量估計模型,可見陸地水儲量對周年擺動正頻分量的激發(fā)存在奉獻,其量級的不同主要是由于陸地水儲量估計模型的不同,以及計算時考慮的因素不同所致,例如能否考慮了海洋效應(yīng)、大氣中水質(zhì)量變化等.當(dāng)前的水儲量估計模型并不能代表所有的水文變化,這主要是由于陸地水儲量在洲際尺度上尚不能夠被完全、準確地測量.陸地水、積雪等對周年極移的激發(fā)已被證實,當(dāng)前相關(guān)研究主要集中在季節(jié)和亞季節(jié)尺度上,目的在于解釋陸地水儲量等非潮汐因素與觀測激發(fā)之間的差異(Jinetal.,2020).同時,在全球陸地水和積雪等數(shù)據(jù)的模型估計及數(shù)值分析方式方法上還有待進一步研究.1.2冰期后地殼反彈的影響地球上曾出現(xiàn)屢次冰期,華而不實最后一次冰期約從10萬年前到2.1萬年前.末次冰期結(jié)束后,冰川開場消融,冰川覆蓋區(qū)地殼回彈導(dǎo)致地球外表及內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生移動,進而引起質(zhì)量重新分布,十分是北半球高緯度地區(qū),導(dǎo)致地球轉(zhuǎn)動慣量和下地幔黏度發(fā)生變化,在地球自轉(zhuǎn)角動量守恒的前提下,引起地球自轉(zhuǎn)長期加速,因而冰期后地殼反彈可作為影響地球自轉(zhuǎn)變化的非潮汐機制之一(馬利華等,2004).Yoder等(1983)利用LAGEOS衛(wèi)星測距數(shù)據(jù)分析了地球二階引力位系數(shù)和極轉(zhuǎn)動慣量的變化,表示清楚帶諧引力位系數(shù)的變化與地球自轉(zhuǎn)非潮汐加速的歷史觀測是一致的,同時也表示清楚地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化與最后一次冰期后地殼回彈之間存在相關(guān)性.隨后,Peltier(1985)也利用LAGEOS數(shù)據(jù),通過對地幔徑向黏性參數(shù)化處理,對地球二階引力位系數(shù)的計算值和觀測值進行比照,證實了Yoder的結(jié)論.Trupin(1993)計算了南極和格陵蘭到冰帽消融引起的質(zhì)量變化對地球引力位系數(shù)影響,結(jié)果顯示南極冰帽消融對極移和日長的長期變化有較大影響.冰期后地殼反彈不僅能夠改變地球的主轉(zhuǎn)動慣量,還可產(chǎn)生地球平極的長期漂移,通過估算地球平均下地幔黏性,可計算地面點的理論位移(楊志根,1999).北美Laurentia冰帽、北歐Fennoscandia冰帽、南極Antarctica冰帽和格陵蘭島Greenland冰帽的冰期后質(zhì)量變化約占全球冰川質(zhì)量變化的96.2%.楊志根(1996a)以為上述研究中僅考慮南極和格陵蘭冰帽的變化并不全面,應(yīng)該用這四個冰帽的變化來討論冰期后地殼反彈對地球自轉(zhuǎn)的非潮汐影響.另外,ICE系列全球冰期后地殼反彈模型提供的冰帽參數(shù)極大地方便了相關(guān)研究的開展.楊志根(1996b)利用ICE-3G冰期后地殼反彈模型計算了上述四大冰帽參數(shù)對地球轉(zhuǎn)動慣量的影響,并估算了下地幔黏性系數(shù),結(jié)合冰期后地殼反彈理論,得到地球自轉(zhuǎn)非潮汐加速度為(1.8351.872)10-22rads-2,通過和以往研究比照,進一步明確了地球自轉(zhuǎn)變化的非潮汐項主要來自于冰期后地殼反彈.隨后,Peltier和Jiang(1996)利用ICE-4G冰期后地殼反彈模型計算了冰期后反彈下地幔黏度變化引起的二階球諧系數(shù)變化對地球自轉(zhuǎn)的影響,再次證實了冰期后地殼反彈能夠解釋地球自轉(zhuǎn)的非潮汐加速現(xiàn)象.楊志根等(1998)利用ICE-4G冰期后地殼反彈模型,結(jié)合21000年來全球四大冰帽消融參數(shù)計算了其對地球極轉(zhuǎn)動慣量的影響,并結(jié)合當(dāng)代空間測地技術(shù)觀測資料和1066B五層地球模型,估算了地球平均下地幔黏度,進一步研究了冰期后地殼反彈對地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的影響.Bills等(1999)等研究了全球冰帽質(zhì)量變化與極移演化之間的關(guān)系,表示清楚相對于其他地區(qū),極地冰帽的消融對地球轉(zhuǎn)動慣量的影響更大,是引起地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化因素之一.為了更全面的研究全球冰帽對地球自轉(zhuǎn)的影響,Yang和Shum(2001)在上述四大冰帽基礎(chǔ)上,又考慮了北美Innuitian、冰島、蘇格蘭和南美Patagonian四個小冰帽,并證實這四個小冰帽對地球自轉(zhuǎn)非潮汐項的奉獻也是不可忽視的.Nakada和Okuno(2003)等利用晚更新世冰川模型,通過地球引力位系數(shù)變化和下地幔黏性,講明極地冰帽質(zhì)量變化能夠解釋地球自轉(zhuǎn)非潮汐加速現(xiàn)象.全球冰帽質(zhì)量變化引起的地殼回彈,會使地球扁率和海平面發(fā)生變化,進而對地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響,這在最近相關(guān)研究中得到了證實.Seo等(2021)研究了格陵蘭島和南極冰川質(zhì)量變化和地球扁率十年尺度和長期變化的關(guān)系,表示清楚冰期后回彈是引起地球形狀因子變化和地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的主要因素,同時指出太陽活動的變化也是可能的因素之一.Hay等(2021)利用冰川消融導(dǎo)致的海平面變化,研究了其對公元700年以來日長變化的影響,其結(jié)果與古代日月食觀測資料相符合.綜合看來,冰期后地殼反彈和冰川融化引起的海平面上升會引起全球質(zhì)量重新分布,導(dǎo)致彈性地球下地幔黏度發(fā)生變化,進而使地球轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化,給地球自轉(zhuǎn)帶來非潮汐加速影響,其量級約為地球自轉(zhuǎn)長期減慢的20%.南極冰帽在全球幾大冰帽中質(zhì)量是最大的,約為2.31019kg,冰期后地殼反彈模型給出的南極冰帽質(zhì)量中心位于南極點,研究表示清楚冰期后地殼反彈會產(chǎn)生地極長期漂移,因而,為了更準確的研究冰期后地殼反彈對地球自轉(zhuǎn)非潮汐項的影響,準確建立冰期后地殼反彈和長期極移的理論關(guān)系,以及優(yōu)化冰期后地殼反彈模型都是特別必要的.1.3太陽活動的影響太陽活動與地球磁層、電離層、大氣層互相作用,會對地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響.眾多研究表示清楚太陽活動與地球自轉(zhuǎn)變化具有相關(guān)性.Stoyko在20世紀早期就太陽活動與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系展開了研究,并指出太陽黑子數(shù)與地球自轉(zhuǎn)速率變化之間存在相關(guān)性.Munk(1976)根據(jù)太陽風(fēng)的性質(zhì)和地球磁場的互相作用,討論了其對地球自轉(zhuǎn)的影響,同時以為地核的體積增大和速度變化可以能是地球自轉(zhuǎn)非潮汐因素之一.顧震年(1991)曾對太陽活動對地表氣候和地球自轉(zhuǎn)的影響進行了較為全面的綜述,在綜合了前人研究成果后,以為太陽黑子相對數(shù)和日長變化有一致性的趨向,太陽耀斑對日長變化的影響有待進一步研究,指出太陽活動可影響平流層和對流層的大氣運動,進而引起地球自轉(zhuǎn)變化,并以為將太陽活動和地球物理現(xiàn)象相結(jié)合,可為解釋地球自轉(zhuǎn)變化中的非潮汐項提供有力支持.太陽活動主要通過太陽黑子數(shù)和太陽耀斑變化對地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響.圖1給出了太陽黑子數(shù)與日長變化的關(guān)系,固然圖1中日長變化包含了眾多因素的整體效應(yīng),但可見太陽黑子數(shù)和日長變化之間確實存在關(guān)系.通常用太陽黑子相對數(shù)來表示太陽活動水平,通過對黑子相對數(shù)的記錄和分析表示清楚太陽活動強弱具有11年左右的周期性,稱為太陽活動周;太陽黑子的磁場極性具有22年周期,稱為太陽磁周.很多研究表示清楚,在地球自轉(zhuǎn)變化中存在與太陽活動較一致的周期.太陽活動對地球自轉(zhuǎn)變化造成影響的直接證據(jù)是在地球自轉(zhuǎn)速率變化序列中可檢測到太陽黑子數(shù)11年周期分量和太陽黑子極性變化的22年周期分量.羅時芳等(1974)用周期圖方式方法研究了18211970年間的地球自轉(zhuǎn)日長變化,在所分析的12個周期中,有7個與太陽黑子活動周期相關(guān),華而不實11年周期和22年周期相關(guān)度最高,22年周期振幅約是11年周期振幅的2倍,并由此以為太陽更多的是通過磁作用來影響地球自轉(zhuǎn).Djurovic(1981)對19441976年間太陽黑子數(shù)的研究表示清楚太陽活動和日長變化還存在0.5、3.3和6.0年的短周期變化.隨后,Currie(1981)用最大熵和雙通道法分別研究了18321975和18611979年間的地球自轉(zhuǎn)變化序列,均證實了地球自轉(zhuǎn)序列中太陽黑子11年周期的存在,并發(fā)現(xiàn)日長變化在相位上與太陽黑子活動周期接近.Kiselev(1981)用最大熵方式方法計算了公元前220年1930年太陽11年周期平均黑子數(shù)變化,以為百年以上的太陽活動變化是日長不規(guī)則變化的原因,并求得15671961年間日長非潮汐變化速度為-0.49ms/cy,表示清楚歷史上地球自轉(zhuǎn)速率的非潮汐變化可用太陽活動來解釋.Picchio(1982)通過對19711980年間的日長變化資料進行了分析,驗證了羅時芳等(1974)的結(jié)論,并研究了日長變化與太陽黑子數(shù)的頻域和時域相關(guān)性.Afanaseva在1965年的研究也表示清楚地球自轉(zhuǎn)變化中有類似22年太陽磁周期的周期變化(馮博,1988).圖118311995年間太陽黑子數(shù)與日長變化的關(guān)系(M?rner,2018)林元章(1996)對地球自轉(zhuǎn)變化中的太陽物理效應(yīng)進行了較為系統(tǒng)地分析,表示清楚地球自轉(zhuǎn)變化中確實存在太陽活動11年周期的證據(jù),但22年的磁周期并不顯著.Rio等(2003)通過研究年際和十年尺度上太陽活動引起的大氣角動量變化和日長變化的關(guān)系,表示清楚太陽活動通過大氣作用引起地球自轉(zhuǎn)短期不規(guī)則變化,但在長時間尺度上并不明顯.Ma(2021)應(yīng)用小波變換分析了11年太陽活動周期和日長變化、地核角動量變化之間的關(guān)系,同樣表示清楚日長變化與11年太陽活動有強相關(guān)性.Lopes等(2021)等利用奇異譜分析方式方法對極移進行了研究,發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)軸運動除了周年擺動、Chandler擺動和平極漂移外,還存在兩個分量,周期分別為11和5.5年,并證實它們均是由太陽活動引起的.除此之外,地球自轉(zhuǎn)變化中還有其他一些周期陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)與太陽活動有關(guān),華而不實50天振蕩研究較多.Djurovic和Paquet(1988)發(fā)現(xiàn)日長變化中存在38、50、80天的準周期變化,并以為35～70天的振蕩可能由太陽活動引起.顧暉等(1992)利用19761989年間日長變化、太陽黑子相對數(shù)及大氣角動量等資料,研究了它們30～60天的波動特性,以為太陽活動對地球自轉(zhuǎn)30～60天的變化有激發(fā)作用,其機制可能是由太陽活動通過海洋再作用于大氣和固體地球所引起.顧震年(1995)應(yīng)用譜分析方式方法,研究了日長、太陽活動、大氣角動量40～60天的振蕩特征及動力學(xué)機制,表示清楚太陽活動對地球自轉(zhuǎn)中的高頻振蕩有加速作用.隨后李志安等(1996)利用窄帶濾波研究了80年代以來日長、太陽活動、大氣角動量中的50天振蕩,以為太陽活動的50天振蕩是地球自轉(zhuǎn)變化50天振蕩的原因,并定性解釋了其機制.除此之外,也有學(xué)者以為太陽輻射光壓可產(chǎn)生半年、1年、2萬年、10萬年、3億年地球內(nèi)核相對殼幔的南北振蕩,構(gòu)成地球自轉(zhuǎn)周期變化(楊學(xué)祥等,1993).在地球自轉(zhuǎn)變化的時域特征上,有很多周期性變化與太陽活動相關(guān).華而不實,短周期振蕩是由太陽輻射、太陽風(fēng)等通過對上層大氣作用,并轉(zhuǎn)換到對流層和平流層,進而引起全球大氣角動量發(fā)生變化,通過角動量交換來引起地球自轉(zhuǎn)發(fā)生變化(顧震年,1991);季節(jié)性變化的主要原因是太陽輻射光壓在南北半球外表的不平衡(宋貫一,2018);日長的半年變化易被11年周期的太陽活動影響,22年太陽磁周期的影響可忽略(Barlyaevaetal.,2020);日長周年變化振幅的極大和極小值對應(yīng)于太陽活動的峰年和谷年,太陽活動能夠用來解釋日長的周年變化(顧震年,1994),亦有研究表示清楚地球自轉(zhuǎn)速率的準兩年變化可以能由太陽輻射引起(Ivanov-KholodnyandChertoprud,2018);而十年及以上尺度的地球自轉(zhuǎn)速率變化幅度較年際變化要大,大氣、海洋的奉獻較小,廖德春和廖新浩(2001)利用小波變換分析發(fā)現(xiàn)太陽黑子長期波動與近百年來的日長變化相關(guān),太陽活動可能影響地球自轉(zhuǎn)長期變化.Duhau(2006)證實了地球自轉(zhuǎn)速率變化的長期項依靠于太陽活動.Ma(2021)同樣利用小波變換,對數(shù)百年來的日長時間序列進行分析,再次證實了太陽活動與十年尺度日長變化具有相關(guān)性.Chapanov等(2021)進一步明確了十年周期的日長變化、平均海平面與太陽活動有很好的一致性.太陽耀斑的能量比其他太陽活動要大很多,它對地球自轉(zhuǎn)的影響表如今兩個方面:一方面耀斑發(fā)生時所發(fā)射出的粒子流與地球磁層互相作用產(chǎn)生力矩,對地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響;另一方面,粒子流與電離層作用,通過對大氣的影響使地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生變化.正由于太陽耀斑的能量較大,單個耀斑事件就有可能影響地球自轉(zhuǎn),這與太陽11年周期活動對地球自轉(zhuǎn)的影響不同.葉叔華和蕭寶親(1960)、葉叔華(1963)及Gribbin和Plagemann(1973)的研究均證實了這一現(xiàn)象,均發(fā)如今有些太陽耀斑活動期間,地球自轉(zhuǎn)速率發(fā)生了忽然變化,但并不是所有的耀斑事件期間都會如此.對此,馮博(1991)給出了解釋,他以為太陽耀斑使地球自轉(zhuǎn)發(fā)生忽然變化的條件是耀斑產(chǎn)生的激波對中,后隨激波的速度要明顯大于先行激波.呂伯西(2002)分析了太陽粒子輻射對地球自轉(zhuǎn)速率造成影響的動力學(xué)原理,以為太陽粒子流與地磁場互相作用對地球自轉(zhuǎn)運動的影響,取決于高空電流的方向和強度,解釋了不是每次太陽擾動都會監(jiān)測到地球自轉(zhuǎn)速率變化的原因,也證實了馮博(1991)的結(jié)論.前人眾多研究揭示了太陽活動影響地球自轉(zhuǎn)變化的機制,其影響可通過電磁作用和動力學(xué)原理進行解釋.一方面太陽活動產(chǎn)生的短波輻射和粒子流毀壞了大氣層的穩(wěn)定狀態(tài),使高層大氣發(fā)生擾動,并傳遞給低層大氣,致使大氣質(zhì)量重新分布,引起大氣角動量的變化,通過大氣與固體地球之間角動量交換引起地球自轉(zhuǎn)變化(Kosek,1993);另一方面,太陽風(fēng)與地球磁場互相作用構(gòu)成地球磁層,太陽活動擾動粒子流進入磁層并發(fā)生互相作用,影響地球磁矩,進而引起地球自轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化(KalininandKiselev,1975),在太陽活動極小期間,太陽活動與磁層互相作用減弱,使地球自轉(zhuǎn)加速;反之,使地球自轉(zhuǎn)減速(M?rner,2018),這種能量轉(zhuǎn)化機制可作為地球系統(tǒng)能量的補充,可以以解釋地球自轉(zhuǎn)觀測減速(約1.5ms/cy)和潮汐摩擦減速(2.4ms/cy)之間的非潮汐影響(Gu,1998;顧震年等,1998).隨著當(dāng)代空間測量技術(shù)的進一步發(fā)展,要全面解釋太陽活動對地球自轉(zhuǎn)的影響機制,應(yīng)從日地關(guān)系的整體出發(fā),將太陽、地球,包括大氣層、磁層等作為一個整體系統(tǒng)來研究,并進一步發(fā)展相關(guān)物理模型,借助更精到準確的數(shù)理方式方法,揭示它們之間的電磁耦合和能量觸發(fā)機制,將太陽活動對地球自轉(zhuǎn)各方面的影響完好呈現(xiàn)出來.2地球自轉(zhuǎn)非潮汐因素的研究方式方法和技術(shù)2.1觀測技術(shù)的發(fā)展在對地球自轉(zhuǎn)非潮汐因素的研究不斷深切進入經(jīng)過中,伴隨著空間大地測量技術(shù)的發(fā)展,除了傳統(tǒng)方式方法之外,一些新的研究方式方法和手段也在不斷嘗試,并獲得了長足進步.最初的研究多是用古代日食、月食觀測資料來進行計算和分析,所采用的方式方法是簡單計算并和歷史觀測數(shù)據(jù)進行比照.Dicke(1969)利用3000年來的日食、月食觀測資料進行分析,計算了地球二階球諧系數(shù),通過分析以為引起地球自轉(zhuǎn)加速的原因是潮汐互相作用和海平面上升,并以為海平面的變化是主要的非潮汐因素.Mignard(1986)利用古巴比倫和阿拉伯人的日食、月食觀測資料,發(fā)如今過去2000年里地球自轉(zhuǎn)變化存在非潮汐因素的加速影響,并利用月球平均經(jīng)度的長期加速測定了日長變化率.Stephenson和Said(1989)利用對中世紀天文學(xué)家測量日食、月食的60個具體時間序列的分析,研究了千年尺度上地球自轉(zhuǎn)速率的非潮汐變化,發(fā)現(xiàn)平均太陽日長比僅考慮潮汐摩擦的結(jié)果要短,也比過去2500年的平均增長要少很多,進而發(fā)現(xiàn)了非潮汐作用存在的證據(jù).衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的測定提供了新的方式方法和手段.Yoder等(1983)利用LAGEOS衛(wèi)星測距數(shù)據(jù),通過帶諧引力位系數(shù)的變化研究了地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化,并與歷史資料進行比照,以為冰期后地殼反彈是主要因素之一.GPS、VLBI等技術(shù)的興起,使地球自轉(zhuǎn)變化的研究進入了新的時代,IERS開展了國際地球自轉(zhuǎn)聯(lián)測計劃,在時間上和空間上都獲得了長足的進步,一些相關(guān)理論和方式方法的研究陸續(xù)開展,對地球自轉(zhuǎn)變化的研究也進入了周日、半周日的高頻階段.Rothacher和Weber(2001)利用19952001年的GPS時間序列和19802000年的VLBI時間序列,對高頻ERP數(shù)據(jù)里的非潮汐信號進行了分析和討論.Wińska等(2021)等利用GRACE衛(wèi)星數(shù)據(jù)與陸地水文模型結(jié)合研究了全球陸地水和積雪負荷對極移的激發(fā)奉獻.這些新技術(shù)的應(yīng)用,使地球自轉(zhuǎn)非潮汐變化的研究越來越深切進入.2.2數(shù)據(jù)處理及分析方式方法在對傳統(tǒng)天文觀測技術(shù)和當(dāng)代空間測量技術(shù)獲取的天文觀測數(shù)據(jù)進行處理時,數(shù)據(jù)處理方式方法直接影響處理效率和結(jié)果準確性,針對不同的非潮汐因素所采用的數(shù)據(jù)處理與分析方式方法也有所不同.Wilson等(1976)首先提出利用ILS數(shù)據(jù)來討論不同激起源之間的相干問題.Hinnov和Wilson(1987)利用相干譜分析方式方法研究了陸地水、海洋以及它們與大氣激發(fā)相結(jié)合同ILS序列之間的關(guān)系,進而研究它們對極移激發(fā)的奉獻.簡單的平方相干譜是把極移兩個分量單獨進行分析,不能給出在相關(guān)頻率上各自振幅的大小.Kuehne和Wilson(1991)以及廖德春和廖新浩(2000)等將激發(fā)函數(shù)作復(fù)變量處理,用最小二乘法擬合了天文觀測激發(fā)和陸地水儲量激發(fā)在不同頻率的系數(shù).高布錫(1990)發(fā)展了傅里葉變換反卷積方式方法,消除了窗函數(shù)截斷的影響,進而提高了頻域分辨率.冰期后地殼回彈對地球自轉(zhuǎn)變化的影響是通過二階引力位系數(shù)的變化引起下地幔黏度變化來反映的,Yoder等(1983)建立了地球?qū)Ρㄏ诜错懙睦碚撃Ｐ?Peltier[55]利用一種計算滯彈性松弛譜的正則模方式方法研究了無潮汐加速對地球徑向黏性構(gòu)造變化的敏感度.Tushingham和Peltier(1991)、Peltier(1994,2004)以及Argus等(2020)構(gòu)建的ICE系列全球冰川模型的發(fā)展為冰期后回彈對地球自轉(zhuǎn)變化影響的研究提供了很好的支持.在研究太陽活動與地球自轉(zhuǎn)變化關(guān)系時,Currie(1981)利用時間線性函數(shù)分析了太陽活動11年周期與日長變化的關(guān)系.顧震年(1988)采用多級帶通濾波估算了日長變化周年瞬時變化值,結(jié)合太陽黑子相對數(shù),發(fā)現(xiàn)了日長變化和太陽黑子數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系.馮博(1989)利用時間疊加方式方法計算了太陽黑子活動和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的變化情況.楊本有和孫長安(1990)利用FFT算法對地球自轉(zhuǎn)和太陽活動數(shù)據(jù)進行譜分析和凝聚函數(shù)分析,并利用AR自回歸譜估計和Marple譜估計方式方法進行檢測和驗證,研究了太陽活動、地球自轉(zhuǎn)與厄爾尼諾現(xiàn)象之間的關(guān)系.廖德春和廖新浩(2001)利用小波分析繪制了太陽黑子小波譜主要部分的等值線,來反響其隨時間的波動,并用相互關(guān)分析研究了其與日長變化的相關(guān)性.Ron等(2020)建立了太陽總輻照度對UT1和平均海平面二百年變化的線性自回歸模型,證實了太陽活動對地球自轉(zhuǎn)速率變化的影響.Duhau(2006)對太陽黑子的不同周期的振幅和相位利用小波理論進行重建,研究了地球外表溫度、太陽活動對自轉(zhuǎn)速率的作用.Gorshkov等(2020)利用奇異譜分析研究了太陽和地磁活動及地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系.Ma(2021)應(yīng)用小波變換分析了11年太陽活動周期與日長變化及地核角動量變化之間的關(guān)系.3總結(jié)與瞻望3.1當(dāng)代空間大地測量技術(shù)和天文觀測技術(shù)為地球自轉(zhuǎn)研究提供了高精度和高分辨率的數(shù)據(jù),同時大氣科學(xué)、海洋學(xué)、水文學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)等眾多學(xué)科也提供了相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),伴隨著地球自轉(zhuǎn)理論的進一步完善,使地球自轉(zhuǎn)變化的相關(guān)研究有了廣泛和深切進入的發(fā)展,影響地球自轉(zhuǎn)變化的因素和機制逐步深切進入,對地球自轉(zhuǎn)變化的描繪敘述越來越精到準確和細致.在地球自轉(zhuǎn)潮汐變化方面進入到周日、半周日的高頻變化階段.在非潮汐變化方面,研究表示清楚在自轉(zhuǎn)角速度長期變化觀測量中,約有20%的絕對量來自非潮汐因素的影響,大量研究表示清楚陸地水儲量/積雪、冰期后地殼回彈、太陽活動等是主要的非潮汐因素,華而不實陸地水儲量對日長的季節(jié)性變化和周年極移有激發(fā)作用;冰期后地殼回彈會引起日長的長期變化和地極的長期漂移;日長變化與11年太陽活動周期有強相關(guān)性,并且日長變化從短周期振蕩到十年以上周期變化均與太陽活動有關(guān),但同時也表示清楚還有其他未知激起源的存在,有待進一步探尋.3.2以往在進行地球自轉(zhuǎn)變化研究時,多是將地球當(dāng)作是旋轉(zhuǎn)對稱體考慮,當(dāng)前三軸地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)研究也越來越多,假如假設(shè)非旋轉(zhuǎn)對稱性對地球自轉(zhuǎn)速率變化與旋轉(zhuǎn)對稱性有一樣量級,那么對于18.6年周期項振幅來講,其對日長變化的影響將到達4s.因而,為了更精到準確地描繪敘述地球自轉(zhuǎn)的變化,在今后的研究中,地球的非旋轉(zhuǎn)對稱性值得考慮.因永久性潮汐會對引力位系數(shù)產(chǎn)生影響,其量級為10-5左右,這和地球非旋轉(zhuǎn)對稱性相當(dāng),也是應(yīng)予以考慮的因素.在考慮了地球的非旋轉(zhuǎn)對稱性和永久性潮汐后,根據(jù)地幔滯彈性和相關(guān)Love數(shù)的頻率依靠性,相關(guān)Love數(shù)有必要進行重新計算,以便更好地對激發(fā)函數(shù)進行修正.另外,隨著空間大地測量技術(shù)的發(fā)展,對高頻地球自轉(zhuǎn)參數(shù)里非潮汐項的研究也值得進一步深切進入,以便更全面地揭示地球自轉(zhuǎn)變化中的非潮汐影響.以下為參考文獻:[]ArgusDF,PeltierWR,DrummondR,etal.2020.TheAntarcticacomponentofpostglacialreboundmodelICE-6G_C(VM5a)basedonGPSpositioning,exposureagedatingoficethicknesses,andrelativesealevelhistories[J].GeophysicalJournalInternational,198(1):537-563,doi:10.1093/gji/ggu140.[]BarlyaevaT,BardE,AbarcadelrioR.2020.RotationoftheEarth,Solaractivityandcosmicrayintensity[J].AnnalesGeophysicae,32(7):761-771,doi:10.5194/angeo-32-761-2020.[]BillsBG,JamesTS,MengelJG.1999.Climaticimpactofglacialcyclepolarmotion:Coupledoscillationsoficesheetmassandrotationpoleposition[J].JournalofGeophysicalResearch,104(B1):1059-1076,doi:10.1029/1998JB900004.[]BrzezińskiA,NastulaJ,Ko?aczekB,etal.2005.Oceanicexcitationofpolarmotionfromintraseasonaltodecadalperiods[M].AWindowontheFutureofGeodesy.SpringerBerlinHeidelberg,591-596.[]BrzezińskiA,NastulaJ,KolaczekB.2018.Seasonalexcitationofpolarmotionestimatedfromrecentgeophysicalmodelsandobservations[J].JournalofGeodynamics,48(3-5):235-240,doi:10.1016/j.jog.2018.09.021.[]Bur?aM,?imonZ.1986.Onthenon-tidalsecularaccelerationoftheEarthsrotation[J].Stud.Geophys.Geod.,30(1):28-30,doi:10.1007/BF01630850.[]ChaoBF,OConnorWP.1988.Globalsurface-water-inducedseasonalvariationsintheEarthsrotationandgravitationalfield[J].GeophysicalJournalInternational,94(2):263-270,doi:10.1111/j.1365-246X.1988.tb05900.x.[]ChapanovY,RonC,VondrkJ.2021.DecadalcyclesofEarthrotation,meansealevelandclimate,extitedbySolaractivity[J].ActaGeodyn.Geomater,14(2):241-250,doi:10.13168/AGG.2021.0007.[]ChenJL,WilsonCR.2005.Hydrologicalexcitationsofpolarmotion,1993-2002[J].GeophysicalJournalInternational,160(3):833-839,doi:10.1111/j.1365-246X.2005.02522.x.[]ChenW,ShenWB.2018.Theatmospheric,oceanicandhydrologicalexcitationofpolarmotion[A].26thannualmeetingoftheChineseGeophysicalsociety,ExpandedAbstracts(inhinese)[C].1.[]CurrieRG.1981.SolarcyclesignalinEarthrotation:Nonstationarybehavior[J].Science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