自然灾害的周期研究及其成因探讨

2018-01-29杨冬红杨学祥

黑龙江气象 2017年4期

关键词：潮汐气温月亮

杨冬红,杨学祥

(1.吉林大学古生物学与地层学研究中心,吉林长春130026;2.吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，吉林长春130026;3.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026)

1 地球的章动及其原因

章动是在行星或陀螺仪的自转运动中，轴在进动中的一种轻微不规则运动，使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象（图1）。

图1 日月引潮力产生的地球章动

行星的章动来自于潮汐力所引起的进动，使得岁差的速度不是常数，而会随着时间改变。这种现象是英国的天文学家詹姆斯·布拉德利在1728年发现的，但直到20 a后才得到解释。

在地球，潮汐力主要来自太阳和月球，两者持续的改变彼此间相对的位置，造成的地球自转轴的章动。地球章动最大分量的周期是18.6 a，与月球轨道交点的进动周期相同，然而，在更精确的计算中还有其他值得注意的周期项目需要被加入。

章动的主要项目来自于月球交点的退行，两者有相同的周期，都是6798 d（18.6 a），在黄道上的黄经章动分量是17.24″，垂直于黄道的斜章动是9.21″。另一个较明显的周期是183 d（0.5 a），章动分量分别是1.3″和0.6″，是黄赤交角造成的。

2 日月引力对地球自转的影响

受日月引潮力的影响，地球自转也有明显的0.5 a和18.6 a周期。前者与地球赤道和地球轨道面（黄道面）的夹角，即黄赤交角有关，后者与地球赤道面和月球轨道面（白道面）的夹角，即白赤交角（亦称为月亮赤纬角）有关。

冬至时太阳光直射南回归线，白天太阳潮在南回归线达到最高潮，夜间太阳潮在南回归线达到最低潮，地球自转造成太阳高潮在南北回归线之间南北摆动，地球扁率也相应变小，导致地球自转加速，夏至也有类似变化。相反，在春分和秋分，太阳在赤道，太阳潮南北摆动消失，地球扁率变为最大，地球自转速度变为最小。18.6 a周期的月亮赤纬角变化对这一过程起到增强或减弱作用，不同年份有所不同。

实际上，每年4月9日-7月28日（110 d）及11月18日-1月23日（66 d）为地球自转加速阶段；1月25日-4月 7日（72 d）及 7月 30日-11月 6日（109 d）为地球自转减速阶段。以此形成地球自转的0.5 a周期。

月亮赤纬角极大值在18.6°-28.6°变化，从而导致地球自转变化的18.6 a周期。

黄道面和白道面赤道面的夹角分别为23.5°和28.6°，它们之间的夹角约为 5°。

应用三轴椭球壳转动惯量计算公式的计算结果表明，地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为465 m，海洋圈的起伏大约为0.60 m，固体地球的起伏约为0.20 m，比例为2326：3：1，速度增量比也为 2326：3：1。可以对比的是，空气、水、地壳的密度比为 3：1：0.00129,是 2326：3：1 的倒数。当太阳的位置由南北回归线移向赤道，岩石圈的日长增量dT=0.00027 s,海洋圈的日长增量为0.00081 s，大气圈的日长增量为0.628 s（表1）。大气潮振幅是海洋潮振幅的775倍，这是平流层高速气流产生的原因，即汹涌的大气潮是海洋潮规模的近800倍[1]。

表1 物质密度、潮汐振幅和日长变化

3 旱涝灾害的18.6 a周期

在澳大利亚气象学家E.布赖恩特编著的《气候过程和气候变化》中，有关气候现象循环的记录75项，与潮汐周期相同的有66项，占88%，表明潮汐是影响气候现象循环的主要因素。其中，有5项的周期为 18.6 a，1 项的周期为 19 a[2]。

4 全球地震的18.6 a周期

胡辉和杜品仁分别指出地震存在18.6 a周期。杨冬红和杨学祥[3]指出，全球8级以上地震存在9 a和18.6 a周期。

解朝娣等人采用1850—2012年期间USGS全球M≥5.0地震目录资料,构成全球地震能量-时间序列,进行小波变换和准周期分析。结果表明(图2),全球地震能量释放的时间序列存在9 a、19 a和45 a的3个准周期,其中,45 a准周期最为突出。结合起潮力周期的物理背景,对长周期潮汐起潮力与地震能量释放准周期的关系进行了探讨,没有发现全球地震活动的能量释放与潮汐短周期相关的准周期[4]。

图2 1895-1977年8级以上地震的9 a和19 a周期[4]

全球地震的9 a和19 a周期得到证实。这两个周期就是18.6 a周期及其半周期。45 a周期也是9 a周期的倍周期。

5 全球气温的18.6 a周期

2014年，全球平均气温为14.6℃，比20世纪的平均水平高出0.69℃，成为1880年有记录以来的最暖年。2015年又突破了这一纪录。我们在2008年撰文指出，2014-2016年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡有利于气温相对升高，将迎来最热年新纪录。2014-2016年月亮赤纬角最小值使2014年和2015年成为1880年以来有气象记录的最热年，验证了在2008年的预测。在2014年的撰文指出，全球气温变化存在18.6 a变化周期[3-5]。

5.1 全球气温变化的18.6 a周期的成因

月亮赤纬角极大值在18.6°-28.6°变化，从而导致地球自转变化和全球气温变化的18.6 a周期。

在极大值时期，月亮在南（北）纬28.6°（月亮赤纬角最大值），高潮区在12 h后从南（北）纬28.6°向北（南）纬28.6°震荡一次，潮汐南北震荡的振幅为57.2°，大气和海洋的潮汐南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面，降低气温，导致全球气候变冷[3-5]。

5.2 青藏高原气温变化的18.6 a周期

刘国华等人基于青藏高原五道梁气象站1957-2012年56 a的温度、降水和湿度数据,利用M-K检验、Morlet小波分析进行非参数检验,以诊断其变化趋势,同时利用R/S分析法预测未来一段时间内气候变化趋势,结果表明：过去的56 a间,青藏高原五道梁地区气温、降水变化呈上升趋势,湿度变化呈下降趋势,其趋势自20世纪80年代初以来逐渐增强。在长时间序列中,温度呈现30 a/18-19 a/10 a/5 a变化周期,降水呈现20-30 a/14 a/8-9 a变化周期,湿度呈现30 a/5 a/15 a变化周期。未来气候变化预测显示,气温将延续过去的变化有持续升高趋势,降水变化与过去一致呈上升趋势,但趋势将有所减缓,未来湿度变化呈下降趋势（表 2）[6]。

表2 青藏高原五道梁气象站1957-2012年56 a的气温、降水、湿度变化周期

6 中国雾霾的18.6 a周期

雾霾天气的出现主要受两个条件的影响：一是大气颗粒物浓度，二是气象条件。

2013年1月中国雾霾高发，研究发现雾霾的频发和清除与两种特殊的潮汐组合类型相关，这种相关性在2013年12月和2014年1月又重复出现。这与吴兑等根据1951-2005年中国大陆霾的时空分布特征研究得出同样的结论，对中国大陆而言，12月、1月霾天气日数明显偏多，这两个月霾日数的总和达到了全年的30%；9月霾天气日数最少，约占全年的5%。这一研究结果与潮汐类型的划分完全一致。2013年的中国雾霾首发在1月，并于12月进入高潮。

2014-2016年月亮赤纬角最小值导致2013年雾霾高发，并将在今后三年持续高发。52 a前，1959-1960年月亮赤纬角最小值导致前一周期的雾霾高发。上述初步的研究结果表明，利用不同的潮汐变化组合规律研究雾霾的集聚和扩散规律是完全可行的[7-8]。