全球摩擦力矩与日长变化三种时间尺度关系研究

地球自转变化用日长来表征,即LOD.摩擦力矩是由于地球和大气摩擦产生的轴向力矩,是组成大气角动量的重要部分,是表征地球大气角动量传输的重要的参量之一.本文利用NCEP/NCAR再分析数据,计算出从1948年至2011年的全球摩擦力矩,与从国际地球自转服务网站得到的日长数据进行对比分析,来寻找两者之间的关系.结果发现,在年代际尺度上,地球自转的变化不仅只受地核地幔角动量的传输的影响,大气对地球摩擦的长时间累积也起到了重要的作用.在年际尺度上,二者的关系不明显,摩擦力矩不能体现日长变化.在年内尺度上,二者的变化具有很高的相似性,具有相同的周期,说明在这一时间尺度上大气活动对地球自转速度的影响最为显著.     

27.3及13.6 d周期的大气潮

对比分析了25 a (1973~1998年)的日长(Length of day, 以下简称LOD)、大气环流及月球相位随时间的变化. 发现伴随着月球相位的交替变化, 地球大气的纬向风速场、地球位势高度场及LOD作27.3及13.6 d的周期振荡. 每5~9 d (平均6.8 d), 随着月球视赤纬角从0°变为最大值(绝对值)或从最大值变为0°, 全球纬向风速场、地球位势高度场及LOD经历一次突然变化. 这种周期性的大气振荡, 被视为一种大气潮. 对比月球视赤纬角变化及与其对应的LOD、大气纬向风速场及地球位势高度场变化, 分析了10个大气潮个例. 月球对地球大气引潮力作用的周期变化, 是引发27.3及13.6 d周期大气潮的主要原因. 月球对地球大气的作用是巨大的, 它引起大气纬向风速场及地球位势高度场的变化. 当月球围绕地球运转至天赤道上空时, 月球视赤纬角等于0°, 这时月球对大气的引潮力最大, 大气的纬向风速增加, 地球的自转角速度减小, 日长(LOD)增加. 反之, 当月球视赤纬角最大(绝对值), 月球对大气的引潮力减小, 大气纬向风速减小, 地球的自转角速度增加, LOD减小. 27.3及13.6 d周期的大气潮值得更深入地研究. 月球对地球大气的引潮力作用, 应该在大气环流及中短期天气预报模式中予以考虑.     

华北降水年代际、年际变化特征与北半球大气环流的联系

利用美国NCEP再分析月平均资料及我国华北地区26个测站月降水资料,采用奇异值分解（SVD）方法,研究了华北降水的年代际和年际变化特征与北半球大气环流的联系.结果表明,首先对降水和大气变量资料作相应时间尺度的分离是非常必要的,否则所得到的SVD结果不能反映年代际变化特征而只能反映年际变化特征;华北降水年代际和年际变化对应的大气环流异常有明显的差异;对应发生在20世纪70年代后期华北降水的一次年代际跃变,环流场均存在明显的跃变,而且有一个从地面向对流层上层传播的过程.     

1972—2022年地球自转速率的变化特性及其中的气候事件表征研究

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ΔLOD）,UT1-UTC在现实项目中有重要应用,而ΔLOD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%.     

太阳磁场方向变化对于地球大气温度异常变化的意义

本文根据苏黎世天文台太阳黑子11年周期资料和太阳黑子磁场磁性变化周期特征,构建了太阳黑子磁场磁性指数MI(Magnetic Index)时间序列.分析表明：太阳活动磁性周期平均长度为222年,但是每个周期长度是不相等的;多数情况周期短时磁性指数较大,对应太阳活动水平强;周期变长时磁性指数较小,对应太阳活动水平较弱;太阳黑子磁场磁性指数序列也具有80～90年的世纪周期. 进一步研究指出,太阳黑子磁场磁性指数曲线由极小值升至极大值时期,太阳磁场南向,行星际磁场磁力线与地磁场磁力线重联,此时磁层为开磁层,太阳风将携带大量等离子体从向阳面进入地球磁层,从而使输入的动量、能量和物质大幅度增加,与北半球对流层增温时期对应;太阳黑子磁场磁性指数曲线由极大值下降至极小值时期,太阳磁场北向,与磁层顶地磁场同向,行星际磁场不会与地磁场发生重联,此时磁层为闭磁层,这种情况下,只有少数带电粒子能够穿越磁力线进入地球磁层,与北半球对流层降温时期对应.     

太阳轨道运动—太阳磁场变化与地球高层大气温度准22年周期循环的联系

基于创建的行星会合指数运动学方程,获得了太阳绕太阳系质心的运动周期为准22年.太阳轨道运动周期和北半球高空大气温度场准22年变化周期二者具有极大的相关性.在整个太阳系角动量守恒的前提下,得到太阳轨道角动量和太阳自转角动量之和守恒.理论上,通过太阳绕转和自转角动量间的转换,建立了行星会合指数与全球高层大气温度场变化的对应关系,进而在大气温度场变化与太阳活动之间建立了联系,并对全球气候变化的成因机制进行了新的探索.     

由地球自转的年际变化预测El Nino事件

分析了地球自转、大气角动量和太阳黑子相对数的年际变化与Ｅｌ Ｎｉｏ的关系。结果表明：当地球自转速率的年际变化由快向慢转变,即表示年际变化的△ＬＯＤ１的数值由极小逐渐增加并转变为正值约半年后,Ｅｌ Ｎｉｏ的初期开始出现。此期间大气角动量的年际变化也呈现从小到大的过程。通过分析新的地球自转变化测值,预测２００１年将出现Ｅｌ Ｎｉｏ。结果还表明Ｅｌ Ｎｉｏ可能与太阳活动有一定的关系。     

全球纬向平均大气环流基本模态年代际变化的凝聚小波分析

应用1871-2008年NCEP／NCAR月平均再分析资料,研究了1948-2008年期间全球纬向平均大气环流基本模态的年代际变化.小波凝聚谱的结果表明全球纬向平均大气环流基本模态存在显著的20年左右周期的年代际变化.小波凝聚位相的结果清楚地显示了纬向平均大气环流基本模态的变化顺序.在20年左右的年代际变化时间尺度上,全球纬向平均温度超前纬向平均位势高度2个月,同时超前纬向平均流10个月出现变化;全球纬向平均位势高度又超前纬向平均流8个月出现变化.全球温度上升(下降), 将使高纬度的纬向平均位势高度降低(升高),中低纬度的纬向平均位势高度升高(降低);进而使得中高纬和热带的纬向平均西风加(减)速或东风减(加)速,同时使极地和副热带的西风减(加)速或东风加(减)速.20世纪70年代末期以来全球显著增暖的异常信号最早出现在南半球对流层顶附近,其次出现在南半球对流层低层、北半球对流层顶附近和北半球对流层低层.     

火山活动对北半球平流层气候异常变化的影响

文中利用逐次滤波法滤除北半球平流层70 hPa约15~22 km高空大气温度异常变化中太阳活动的影响之后,进一步分析了火山活动的气候效应,分析结果表明,火山活动能引起平流层较大幅度增温,对于北半球70hPa高空气候异常变化的影响超过了总方差的30%;火山活动影响最显著的高度是平流层70 hPa约15~22 km高空,由此高度向上或向下,火山活动的影响都逐渐减小;火山活动引起平流层大气升温的同时还将引起对流层大气降温,其分界线大致位于对流层顶300 hPa附近;强火山爆发如皮纳图博火山爆发、阿贡火山爆发和堪察加北楮缅奴等火山爆发是引起未来两年左右平流层中下层温度异常变化最重要的因素,其方差贡献率超过百分之五十三！;火山喷发高度越高,引起平流层增温效应的层次也越高;北半球大气温度异常变化对南半球火山活动响应的滞后时间比北半球火山活动长. 平流层高空气候异常变化还具有显著的22年变化周期,分析认为是大气温度场对太阳磁场磁性周期22年异常变化的响应,其方差贡献率超过9%.     

地球自转与气候动力学──振荡理论

考虑地球自转速率随时间的变化,并应用描写低纬地球流体（大气和海洋）的水平运动方程,分析了地球自转速率变化对低纬大气和海洋振荡的影响．研究指出：地球自转速率的变化不但会直接影响低纬大气和海洋的振荡周期和振幅,而且会影响纬向风和洋流的变化,从而导致海温和海平面的变化．所以,地球自转速率的变化是影响全球气候变化的重要因素之一．关键词##4地球自转速率;;气候变化;;大气和海洋的振荡     

新疆北部汛期降水年际和年代际异常的环流特征

新疆北部汛期（7～8月）降水量具有明显的年际和年代际变化.针对年代际、除去年代际后年际和不同年代际背景下年际变化三种时间尺度,利用NECP/NCAR再分析资料,分析相应的大气环流.结果表明,三种时间尺度降水变化的物理机制不同,年代际背景非常重要.新疆北部汛期降水异常时,欧亚中高纬环流系统具有相当正压结构的显著异常.从气候角度和年代际大气环流变化,提出新疆年代际增湿存在索马里越赤道急流到新疆的三段式水汽接力输送方式,索马里急流和热带印度洋是中亚和新疆的重要水汽补充源之一.     

赤道MJO活动对南海夏季风爆发的影响

利用1979—2013年NCEP/DOE再分析资料的大气多要素日平均资料、美国NOAA日平均向外长波辐射资料和ERSST月平均海温资料,分析赤道大气季节内振荡(简称MJO)活动对南海夏季风爆发的影响及其与热带海温信号等的协同作用.结果表明,赤道MJO活动与南海夏季风爆发密切联系,MJO的湿位相(即对流活跃位相)处于西太平洋位相时,有利于南海夏季风爆发,而MJO湿位相处于印度洋位相时,则不利于南海夏季风爆发.赤道MJO活动影响南海夏季风爆发的物理过程主要是大气对热源响应的结果,当MJO湿位相处于西太平洋位相时,一方面热带西太平洋对流加强使潜热释放增加,导致处于热源西北侧的南海—西北太平洋地区对流层低层由于Rossby响应产生气旋性环流异常,气旋性环流异常则有利于西太平洋副热带高压的东退,另一方面菲律宾附近热源促进对流层高层南亚高压在中南半岛和南海北部的建立,使南海地区高层为偏东风,从而有利于南海夏季风建立;当湿位相MJO处于印度洋位相时,热带西太平洋对流减弱转为大气冷源,情况基本相反,不利于南海夏季风建立.MJO活动、孟加拉湾气旋性环流与年际尺度海温变化协同作用,共同对南海夏季风爆发迟早产生影响,近35年南海夏季风爆发时间与海温信号不一致的年份,基本上是由于季节转换期间的MJO活动特征及孟加拉湾气旋性环流是否形成而造成,因此三者综合考虑对于提高季风爆发时间预测水平具有重要意义.     

华北降水年代际变化特征及相关的海气异常型

利用近50年华北地区26个站逐月降水观测资料和全球大气海洋分析资料,分析了华北降水的年代际变化特征及其和全球海气系统年代际变化的关系.对华北降水距平指数变化分析表明,近50年来华北降水具有减少的总体趋势,叠加在该趋势之上的是年代际变化,其中1965年和1980年发生了两次跃变,使得20世纪80年代干旱尤为严重.在对华北地区降水年代际变化特征分析的基础上,揭示了与华北降水年代际异常相伴随的大气环流和上层海洋热力异常型.结果表明,华北降水年代际异常与太平洋上层海洋热力状况异常有显著关系,主要表现为太平洋年代际振荡（PDO）与华北降水异常的相关.在年代际时间尺度上,华北干旱与上层海洋热力及大气环流异常的配置关系如下：当华北地区干旱时,则热带中东太平洋海温偏高,北太平洋中部海温偏低,即太平洋上主要表现为PDO暖位相,全球大部分地区（包括华北地区）气温偏高,青藏高原地区气温偏低,日本北部及东西伯利亚气压异常偏低,华北及其以南大片地区气压偏高,华北地区由异常西北风控制,不利于水汽向华北地区输送.     

27.3-day and 13.6-day atmospheric tide

An analysis of time variations in the earth's length of day (LOD) for 25 years (1973-1998) versus at- mospheric circulation changes and lunar phase is presented. It is found that, on the average, there is a 27.3-day and 13.6-day period oscillation in global zonal wind speed, atmospheric geopotential height, and LOD following alternating changes in lunar phase. Every 5-9 days (6.8 days on average), the fields of global atmospheric zonal wind and geopotential height and LOD undergo a sudden change in rela- tion to a change in lunar declination. The observed atmospheric oscillation with this time period may be viewed as a type of atmospheric tide. Ten atmospheric tidal cases have been analyzed by comparing changes in LOD, global zonal wind speed and atmospheric geopotential height versus change in lunar declination. Taken together these cases reveal prominent 27.3-day and 13.6-day tides. The lunar forcing on the earth's atmosphere is great and obvious changes occur in global fields of zonal wind speed and atmospheric geopotential height over the equatorial and low latitude areas. The driving force for the 27.3-day and 13.6-day atmospheric tides is the periodic change in lunar forcing during the moon's revolution around the earth. When the moon is located on the celestial equator the lunar declination equals zero and the lunar tidal forcing on the atmosphere reaches its maximum, at this time the global zonal wind speed increases and the earth's rotation rate decreases and LOD increases. Conversely, when the moon reaches its most northern or southern positions the lunar declination is maximized, lunar tidal forcing decreases, global zonal wind speed decreases, earth's rotation rate increases and LOD decreases. 27.3-day and 13.6-day period atmospheric tides deserve deeper study. Lunar tidal forcing should be considered in models of atmospheric circulation and in short and medium range weather forecasting.     

Interdecadal change of the linkage between the North Atlantic Oscillation and the tropical cyclone frequency over the western North Pacific

The relationship between the North Atlantic Oscillation(NAO) and the tropical cyclone frequency over the western North Pacific(WNPTCF) in summer is investigated by use of observation data. It is found that their linkage appears to have an interdecadal change from weak connection to strong connection. During the period of 1948–1977, the NAO was insignificantly correlated to the WNPTCF. However, during the period of 1980–2009, they were significantly correlated with stronger(weaker) NAO corresponding to more(fewer) tropical cyclones in the western North Pacific. The possible reason for such a different relationship between the NAO and the WNPTCF during the former and latter periods is further analyzed from the perspective of large-scale atmospheric circulations. When the NAO was stronger than normal in the latter period, an anomalous cyclonic circulation prevailed in the lower troposphere of the western North Pacific and the monsoon trough was intensified, concurrent with the eastward-shifting western Pacific subtropical high as well as anomalous low-level convergence and high-level divergence over the western North Pacific. These conditions favor the genesis and development of tropical cyclones, and thus more tropical cyclones appeared over the western North Pacific. In contrast, in the former period, the impact of the NAO on the aforementioned atmospheric circulations became insignificant, thereby weakening its linkage to the WNPTCF. Further study shows that the change of the wave activity flux associated with the NAO during the former and latter periods may account for such an interdecadal shift of the NAO–WNPTCF relationship.     

Analysis on the decadal scale variation of the dust storm in North China

Dust storm is a disastrous weather that can cause serious environmental consequences and hazards. It causes excessive soil mass and nutrient loss in source areas, and air pollution in deposition area, which result in bad influence on agriculture, industry, traffic, and peoples’ daily life[1-4]. Dust storm can also affect the thermal balance of planetary radiation and then lead to meso- to macroscale climatic modification[5-7]. North- west China and North China are two high-frequency centers …     

2008年和2012年冬季欧洲气候的差异及成因

2008年冬季（1月和2月）和2012年冬季均发生了较强的拉尼娜事件,但欧洲气候,尤其是西欧在这两年差异较大,2008年异常偏暖,而2012年却出现了极寒事件.诊断表明,大气环流异常是造成气候差异的直接原因.2008年冬季,北大西洋上空大气环流异常呈正位相的北大西洋涛动,有利于欧洲异常偏暖;2012年冬季,北大西洋和欧亚高纬阻塞的长期维持是西欧发生极端严寒的重要原因.通过数值试验,研究了前期海表热状况异常对大气的影响.结果表明：北大西洋海温异常能在一定程度上解释这两年欧洲各自的气候异常;尽管热带海温异常对2012年冬季的北大西洋环流形势和欧洲气候异常起一定的贡献,但不能解释2008年的情形;靠近欧洲的北极海冰异常偏少使得欧洲气候偏冷,对2008年的偏暖气候贡献为负,对2012年则有正贡献.     

Atmospheric eddy anomalies associated with the wintertime North Pacific subtropical front strength and their influences on the seasonal-mean atmosphere

This study investigates transient eddy activity anomalies in the mid-latitude upper troposphere associated with intensity variability of the wintertime North Pacific subtropical front. Our results show that the meridional gradient of air temperature and baroclinic instability in the mid-latitude atmosphere become stronger as the subtropical front intensifies, and the mid-latitude westerly jet accelerates with barotropic structure. We further divide the mid-latitude atmospheric eddy activities into high-(2–7 days) and low-frequency(10–90 days) eddy activities according to their life periods. We find that, when the oceanic subtropical front intensifies, the high-frequency atmospheric eddy activity in the mid-latitudes strengthens while the low-frequency eddy activity weakens. The stronger high-frequency eddy activity tends to moderate the air temperature gradient and baroclinicity in the mid-latitudes. High-frequency eddy anomalies accelerate the westerly jet on the northern side and downstream of the westerly jet, and enhance the jet with equivalent barotropic structure. In contrast, the weaker low-frequency eddy activity has a negative contribution to zonal wind speed tendency and attenuates the zonal homogenization of the jet. The anomalous thermodynamic forcing of the low-frequency eddy activity helps maintain the meridional gradient of air temperature in the mid-troposphere.     

外热带大气扰动对ENSO的影响

合成分析了20世纪80年代以来5次主要的ENSO事件,发现外热带大气扰动通过经向风异常不仅对ENSO的发生起到重要的触发作用,而且影响到ENSO的发展和衰减. 因此,尽管ENSO对外热带大气扰动有影响,但同时外热带大气扰动又与ENSO有相互作用. 在ENSO发生前,南印度洋中纬度为反气旋异常,并通过Rossby波的频散作用加强了澳大利亚附近的反气旋异常;同时,澳大利亚东部沿海的南风异常与菲律宾附近的北风异常在赤道辐合,促进了赤道西太平洋西风异常的爆发和其后ENSO的发生. 在ENSO发生之后,东南太平洋上的气旋异常及相关的南风异常进一步增强了赤道中东太平洋的西风异常和ENSO的发展. 当ENSO达到成熟时,澳大利亚东部的反气旋异常东移,使东南太平洋的气旋异常减弱,南方涛动型环流异常亦随之减弱;同时,阿留申气旋异常加强,尤其是副热带北太平洋的风场异常可加强赤道中东太平洋海水的涌升,使该地区海表温度降低,加速ENSO的消亡.