魏 鳴，歐陽首承

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044;2.成都信息工程學(xué)院，成都 610041)

2008年冬季—2009年春季干旱的大氣結(jié)構(gòu)與地球轉(zhuǎn)動特征

魏 鳴1，歐陽首承2

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點實驗室，南京 210044;2.成都信息工程學(xué)院，成都 610041)

針對干旱預(yù)測的難題，利用揭示大氣熱結(jié)構(gòu)垂直特征的V－3θ圖，分析影響旱區(qū)的氣流特征。根據(jù)國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)的數(shù)據(jù)，分析地球極移、章動和轉(zhuǎn)速的變化與大氣熱結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，基于地氣動量守恒原理，將大氣熱結(jié)構(gòu)與地球轉(zhuǎn)動特征變化進行了制約性分析。結(jié)果表明，大氣熱結(jié)構(gòu)異常和地球轉(zhuǎn)動特征引起的冷空氣路徑變化與大范圍干旱有關(guān)。

干旱;冷空氣路徑;回流;章動;極移

1 前言

自2008年10月下旬至2009年2月上中旬，我國中部和北部約15個省區(qū)100多天缺少有效降水而導(dǎo)致了嚴重干旱。這次旱災(zāi)持續(xù)時間長、受旱范圍廣、程度較重。重旱區(qū)和特旱區(qū)主要是在華北、黃淮以及西北地區(qū)東部等地。此外，在西藏中南部和東南部以及四川西部、云南西部等地，旱情也有所加劇。國家氣候中心公布的我國北方地區(qū)干旱的進展報告顯示:2008年10月下旬以來，北方冬麥區(qū)降水量普遍較常年同期偏少5～8成，降水量之少為30年一遇，特旱區(qū)達50年一遇。由于來自南海太平洋的水汽輸送以及從印度洋、孟加拉灣過來的水汽輸送比較弱，所以造成中南半島、印度次大陸出現(xiàn)比較嚴重的少雨和干旱情況。相反，在西半球、北美等地暴風(fēng)雨比較強。

針對此次干旱發(fā)生的原因，預(yù)報專家認為是大氣環(huán)流異常所致。干旱是一段時間內(nèi)緩慢積累的結(jié)果，其預(yù)測問題被現(xiàn)行分析體系列為世界性難題。

2 問題的提出

氣象科學(xué)是大氣演化的預(yù)測科學(xué)［1～3］，也是使用信息最多的學(xué)科之一。正確認識、深入發(fā)掘觀測信息是氣象科學(xué)的重要任務(wù)。整個大氣系統(tǒng)是一個有機的整體，中長期天氣是短期、短時天氣的背景，后者是前者在一個短時期內(nèi)的具體體現(xiàn)。觀測信息是研究問題的基礎(chǔ)，極端天氣的觀測信息需要從微觀到宏觀的整體認識。信息是確定性的，現(xiàn)象背后必有機理。由于地氣系統(tǒng)是相互關(guān)聯(lián)和制約的，所以文章基于信息的確定性將研究的視野拓展，以地球轉(zhuǎn)動特征的變化探索大氣環(huán)流異常的可能機理。

除了目前預(yù)報業(yè)務(wù)上常用的天氣圖分析及數(shù)值模式方法以外，充分利用觀測資料揭示大氣運動規(guī)律，預(yù)測災(zāi)害性天氣的發(fā)展，是氣象學(xué)啟蒙時期到現(xiàn)在面臨的重要問題。鑒于氣象行業(yè)流行將大氣環(huán)流異常作為氣象災(zāi)害的終極原因，所以重大災(zāi)害天氣的有效預(yù)測依然困難。嚴重干旱也必然引起人們的思考和追問:干旱的大氣環(huán)流異常原因是什么?怎樣拓展思路認識頻發(fā)的天氣災(zāi)害?

關(guān)于地球轉(zhuǎn)動參數(shù)與自然災(zāi)害的關(guān)系，已有研究涉及了洪水及氣候變化等問題，許厚澤等發(fā)現(xiàn)大氣環(huán)流與地球轉(zhuǎn)動參數(shù)(極移、地球轉(zhuǎn)速)有相互作用［4］;李明志等認為氣候變化要考慮地球轉(zhuǎn)速的影響［5］;馮利華總結(jié)了地球轉(zhuǎn)速和極移與洪水的可能關(guān)系［6］。這些成果均說明地球轉(zhuǎn)動參數(shù)在自然災(zāi)害研究中的重要性，但目前仍缺乏對災(zāi)害性天氣與地球轉(zhuǎn)動參數(shù)之間關(guān)系的定量分析與機理研究。

為此，近年來筆者利用大氣熱結(jié)構(gòu)的數(shù)字化分析［1～3］與地球轉(zhuǎn)動特征，對2006年重慶干旱進行了跨尺度跨學(xué)科跨行業(yè)的研究［7～10］，從將副熱帶高壓系統(tǒng)作為預(yù)測原因的傳統(tǒng)方法深化到東風(fēng)層變化的大氣熱結(jié)構(gòu)分析，既追溯到西風(fēng)帶的變化，也涉及東風(fēng)帶的來源。結(jié)果揭示:與目前的氣壓系統(tǒng)跟蹤式外推的預(yù)報方式相比，這種預(yù)測方法提前了預(yù)見期。鑒于大氣結(jié)構(gòu)的調(diào)整相對于地球轉(zhuǎn)動參數(shù)具有滯后性，因此可將地球轉(zhuǎn)動參數(shù)的變化作為大氣變化的超前信息，對于提前預(yù)測期至少向前探索了兩步，在此認識上曾經(jīng)實踐了預(yù)知未然的預(yù)測。

利用揭示大氣熱結(jié)構(gòu)垂直分布的 V－3θ圖［1～3］，分析干旱發(fā)生期間影響旱區(qū)的氣流特征，并根據(jù)國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)的數(shù)據(jù)，將大氣熱結(jié)構(gòu)異常與地球轉(zhuǎn)動特征(極移、章動和轉(zhuǎn)速)的變化進行了制約性分析，核心觀點就是將長期氣象災(zāi)害的原因不局限于大氣自身，盡可能地提前預(yù)見期。用地氣動量守恒原理揭示大氣環(huán)流呈經(jīng)向性或緯向性的機理，計算極移發(fā)生的位置、幅度和影響范圍，從而對災(zāi)害性天氣的背景提出合理解釋。

3 天氣背景分析

亞洲冬季風(fēng)多來自于西伯利亞高壓，它的向南移動與寒潮爆發(fā)密切相關(guān)，其路徑主要有3條:西北路徑、西方路徑與東北路徑［11］，按大氣熱結(jié)構(gòu)分析還存在新疆南部到西藏高原北坡的路徑(如2008年1月份雪災(zāi)的氣流路徑)。圖1是2008年12月3日至5日強冷空氣過程中5日08時500 hPa天氣圖，可看出東亞冷渦的位置明顯偏東，強盛西北氣流的干冷空氣影響了我國大部分地區(qū)。

值得注意的是冷空氣自2008年10月中下旬至2009年2月上旬在東亞地區(qū)較穩(wěn)定地維持。僅以我國中部地區(qū)的河南省為例，連續(xù)百日無雨的河南成為受災(zāi)嚴重的省份，受旱面積超過6成，為1951年以來之最。顯然在只有干冷空氣的情況下不可能形成有效降水，致使干旱維持和發(fā)展。

圖1 2008年12月5日08時500 hPa天氣圖Fig.1 Synoptic chart of 500 hPa at 8:00 on Dec.5，2008

4 大氣熱結(jié)構(gòu)的V－3θ圖分析

V －3θ圖［1～3］根據(jù)大氣熱結(jié)構(gòu)的不均勻性分析其垂直特征，不同于傳統(tǒng)分析體系的是啟用了非規(guī)則的特性層信息，以風(fēng)向要素為核心，突出對流層垂直方向的風(fēng)向轉(zhuǎn)換及含有水汽作用的不穩(wěn)定能量的演變特征，對災(zāi)害性天氣有明顯的預(yù)測能力。

圖2是2008年12月5日08時南京的Stuve圖，可見到邊界層以上溫度露點差較大(相差30～40℃)，存在下沉逆溫，空氣干燥。圖3是2008年12月5日08時南京的V－3θ圖，500 hPa以上主要是強勁西風(fēng)，其下受西北氣流控制，表示大氣中水汽含量的θsed廓線(位于三條線的中間)貼近左側(cè)，與圖2相互印證揭示了對流層干燥的特征。低層干冷的西北氣流阻隔了東海洋面上含有水汽的東北風(fēng)回流，此種狀況持續(xù)積累必然造成干旱。

圖2 2008年12月5日08時南京Stuve圖Fig.2 Stuve diagram of Nanjing at 8:00 on Dec.5，2008

實際上沿90°E至120°E附近一帶自2009年

圖3 2008年12月5日08時南京V－3θ圖Fig.3 V －3θ diagram of Nanjing at 8:00 on Dec.5，2008

10月下旬起已經(jīng)多次呈現(xiàn)冷空氣沿北京至南京一帶南下。例如，圖4(a)～圖4(f)均可見冷空氣從90°E～120°E附近一帶南下。我國中緯度以北地區(qū)冬季降水(雨或雪)的水汽主要是來自海洋及其臨近地區(qū)的西風(fēng)帶系統(tǒng)的逆滾流回流，這是日常預(yù)報天氣值得注意的問題(見圖5和圖6)?；蛘哒f將我國中緯度以北的北方地區(qū)的降水也像夏季一樣地尋求副熱帶高壓或熱帶系統(tǒng)提供水汽的看法是不切實際的。強調(diào)此問題是因為分析2008年1月雪災(zāi)時仍存在尋找副熱帶高壓位置的現(xiàn)象。圖5和圖6就是以實際降雪(暴雪)時的大氣結(jié)構(gòu)特征說明東北風(fēng)逆滾流回流的意義和作用(注意圖5和圖6的逆滾流東北風(fēng)回流與圖4(a)～圖4(f)西北風(fēng)的差別)。

圖4 2008年從北向南不同城市的V－3θ圖Fig.4 V －3θ diagram of cities from the north to the south in 2008

5 地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的變化與大氣環(huán)流異常

為探索導(dǎo)致此次干旱大氣環(huán)流異常的原因，筆者開拓視野，利用地球轉(zhuǎn)動特征(轉(zhuǎn)速、章動、極移等)的演變與地氣動量的守恒原理，分析大氣結(jié)構(gòu)的機理及特點，不僅可研究此次干旱過程，更有助于理解其他災(zāi)害性天氣的大氣環(huán)流背景信息。

5.1 地球轉(zhuǎn)動特征

地球轉(zhuǎn)動特征［12］包括三方面的內(nèi)容:a.地球繞瞬時軸的轉(zhuǎn)速率變化，用日長表示;b.天球參考軸方向相對于地球本體的變化，稱為極移;c.天球參考軸方向相對于慣性空間的變化，稱為歲差章動，其中變化的長期部分稱為歲差，周期部分稱為章動。作為整體轉(zhuǎn)動的地球，其三方面特征相互關(guān)聯(lián)［13］。它們影響著地球的整體運動狀況以及地球各圈層之間的相互作用，在維持總角動量守恒的前提下形成了地球的動力學(xué)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中地球各圈層的力學(xué)過程和耦合作用是以角動量交換的形式進行的，因此這個系統(tǒng)是一個典型的守恒系統(tǒng)，也是一個相互反饋的系統(tǒng)［12］。

圖5 2008年01月12日20時南京V－3θ圖Fig.5 V －3θ diagram of Nanjing at 20:00 on Jan.12，2008

圖6 2009年02月13日08時沈陽V－3θ圖Fig.6 V －3θ diagram of Shenyang at 08:00 on Feb.13，2009

大氣層是地球的氣體圈層，地氣之間的運動會受到地球轉(zhuǎn)動及總角動量守恒的制約。當考慮固體地球(包括海洋)與大氣的相互作用時，在地球瞬時角速度為ω的地球固定坐標系中，設(shè)地球角動量為H，則描述其動力學(xué)模型的Euler方程［14］為:

式(1)中，L為作用于固體地球上的力矩之和;Latm為大氣對固體地球的力矩。由式(1)可知，在總角動量守恒的制約下，地球自轉(zhuǎn)角速度ω的變化會引起Latm的變化，所以地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的變化與大氣環(huán)流的變化密切相關(guān)。應(yīng)注意到式(1)是非適定性問題，實質(zhì)上為非慣性系方程，真正的物理含義在于揭示了天體運行中存在演化的物理因素。

在地球固定參考系中，瞬時地球自轉(zhuǎn)角速度的定義式［12］如下:

式(2)中，Ω為地球平均角速度(7.292115×10－5rad/s);ii(i=1，2，3)為地球固定坐標參考系的直角坐標基;mi(i=1，2，3)為無量綱的參量，是時間的函數(shù)，量級為10－8～10－6，其中 m3表示地球自轉(zhuǎn)角速度的變化，m1和m2表示地球自轉(zhuǎn)軸方向的變化即自轉(zhuǎn)軸的極移，表示為復(fù)數(shù)形式:

由式(2)可知，極移與自轉(zhuǎn)角速度的變化均會影響瞬時地球自轉(zhuǎn)角速度，在研究地氣系統(tǒng)的變化及大氣環(huán)流異常時值得注意。

5.2 章動(DX，DY)

章動是天極相對黃極的若即若離的點頭式的運動，并具有短周期運動［15］。當?shù)厍虻恼聞臃群皖l率改變時，必然通過角動量守恒原理影響大氣緯向風(fēng)或經(jīng)向風(fēng)的改變。例如，當章動幅度大時，地球本身沿著經(jīng)線方向的搖擺幅度增強，而大氣在動量守恒的制約下也將隨之做經(jīng)向運動，必然導(dǎo)致大氣環(huán)流的經(jīng)向性增強。當大氣的經(jīng)向動量進一步增強時，在大氣總動量守恒的制約下，其緯向動量相應(yīng)地削弱，使大氣西風(fēng)風(fēng)速有所減小。反之，章動幅度較小時，西風(fēng)風(fēng)速受其干擾較小。

圖7是2008年12月1日—2009年2月28日章動幅度在x和y方向上的變化。圖7(a)上DX是x方向，其章動在 －0.362 mas(毫弧度秒)至－0.229 mas之間呈現(xiàn)小幅度起伏。2008年12月至2009年2月間出現(xiàn)多次突然減小的情況，總體趨向減小。圖7(b)上DY是y方向，其章動的數(shù)值正逐步減小，趨近于零。

因此這期間總體章動幅度很小，較強勁的西風(fēng)在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，使緯向環(huán)流多呈現(xiàn)為西北風(fēng)。這個分析結(jié)果可以從圖2～圖6系列的風(fēng)向垂直分布上得到印證，持續(xù)的干冷西北風(fēng)引導(dǎo)了我國2008年冬季至2009年春季的持續(xù)干旱。

5.3 日長(LOD)

日長與地球自轉(zhuǎn)速度呈反比關(guān)系，其計算公式為［16］:

圖7 2008年12月1日—2009年2月28日的章動幅度Fig.7 Nutation variation from Dec.1，2008 to Feb.28，2009

日長的變化反映了地球自轉(zhuǎn)速度的變化，當日長增加時，地球自轉(zhuǎn)速度相應(yīng)減小，受地氣系統(tǒng)總動量守恒的制約，大氣緯向環(huán)流在調(diào)整適應(yīng)中仍保持一個較快的速度以平衡總角動量，因此大氣的緯向風(fēng)速相應(yīng)增加。反之，日長減小，地球的自轉(zhuǎn)速度增加，緯向氣流的速度也相應(yīng)減小。圖8是2008年12月1日至2009年2月28日日長的變化。由圖可知，日長的變化均大于平均日長(86400 s/24 h)，有大致的月周期和半月周期。日長的振蕩使大氣的緯向氣流速度或快或慢，大約7 d有一次或增或減的調(diào)整，所以理論上對應(yīng)的大氣西風(fēng)也會有相應(yīng)的快慢變化，當緯向風(fēng)速減弱時，在大氣總動量的制約下會有經(jīng)向方向動量的增加，使大氣的經(jīng)向環(huán)流加強。所以日長的變化對大氣環(huán)流的變化具有影響。

圖8 2008年12月1日至2009年2月28日LOD的變化Fig.8 LOD variation from Dec.1，2008 to Feb.28，2009

5.4 極移(XPol，YPol)

極移是地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)部作周期性擺動而引起的地球自轉(zhuǎn)極在地球表面上移動的現(xiàn)象［15］。極移包括兩個主要周期成分:一個是近14個月的周期稱為錢德勒項，是彈性地球的自由擺動;另一個是周年周期稱為周年項，是由大氣環(huán)流引起的受迫擺動。地極的位置可用直角坐標系的兩個坐標分量表示，這個坐標系取在地球北極，坐標系的X軸為本初子午線，Y軸為西經(jīng)90°子午線。極移使地面上各點的緯度、經(jīng)度和方位角都發(fā)生變化。影響極移的因素包括太陽、月球、大氣和海洋等作用，因此極移與大氣的流動有密切聯(lián)系。

圖9是2008年12月1日至2009年5月底極移在x和y方向的變化曲線。分析可知在x，y兩個方向上自2008年12月至2009年2月底的3個月內(nèi)均有較大變化，x方向上極移為負值增大，y方向上則趨于正值增大。利用式(3)計算2008年12月1日至2009年2月28日共90 d的極移經(jīng)度變化和振幅變化(見圖10)。圖10(a)是極移的經(jīng)度變化，在56.90°W和117.00°W之間變化，對應(yīng)的經(jīng)度從美國東部到美國西部。圖10(b)是極移的振幅變化，從2008年12月1日至12月20日極移幅度逐漸減小，此后則逐漸增加。

圖9 2008年12月1日至2009年5月31日極移的變化Fig.9 Polar motion variation from Dec.1，2008 to May 31，2009

地球轉(zhuǎn)動理論［15］表明，極移可以改變各地的緯度。如地極移向90°W時，可使其附近的緯度增加，而相反方向即90°E附近則緯度降低。因此2008年12月1日至2009年2月28日極移的變化就使北美地區(qū)緯度增加，相對應(yīng)的中國東部到伊朗高原則緯度降低。極移的位置會影響大氣極渦的位置，引導(dǎo)大氣結(jié)構(gòu)和環(huán)流的變化。2008年12月5日500 hPa天氣圖(見圖1)上東亞冷渦位置偏東似乎與極移的影響有關(guān)，有待深入研究。對應(yīng)期間全球災(zāi)害性天氣的觀測事實或為緯度改變的現(xiàn)象提供了印證。例如北美地區(qū)的暴雪嚴寒以及中國中東部地區(qū)雨雪少的現(xiàn)象，中國中緯度地區(qū)2009年1月的嚴重干旱與2008年1月的嚴重雨雪形成了明顯對比。緯度的變化對南半球的天氣也有影響，使90°E～120°E附近緯度有所增加，這期間澳大利亞東北部由大風(fēng)和氣旋引發(fā)的暴雨以及東南部因干旱大風(fēng)而助長的森林大火或許給予啟示:緯度及方位的變化信息可以成為探索大氣環(huán)流異常的重要線索。

圖10 2008年12月1日至2009年2月28日極移的經(jīng)度和振幅變化Fig.10 Polar motion variation on longitude and intensity from Dec.1，2008 to Feb.28，2009

6 結(jié)語

1)大氣熱結(jié)構(gòu)的V－3θ圖含有非規(guī)則信息和風(fēng)向轉(zhuǎn)換，所以2008年10月中旬就顯示了黃河流域臨近地區(qū)的西北氣流強盛，表現(xiàn)出2008年冬季或2009年早春季節(jié)西北風(fēng)與東北氣流的差別。

2)冷空氣南下路徑頻繁地選擇90°E～120°E一帶，實質(zhì)上是此次干旱的直接原因。它涉及了大氣結(jié)構(gòu)配置并可追溯到地球轉(zhuǎn)動特征，由此認識的深入可延長預(yù)測期。

3)再次展示了地球轉(zhuǎn)動特征與大氣結(jié)構(gòu)變化的對應(yīng)關(guān)系，為提前預(yù)測期提供了可繼續(xù)探索的途徑。目前大氣環(huán)流分析依據(jù)的是等壓面體系，來自人為插值處理的規(guī)定層。天氣圖運用了大氣動力學(xué)的靜力近似處理的結(jié)果，消除了變化信息，故大氣環(huán)流在預(yù)測中存在滯后性。有經(jīng)驗的預(yù)報員可以根據(jù)2008年10月中旬到11月中旬幾次持續(xù)的近低空西北風(fēng)給出干旱預(yù)警。文章是在文獻［7～10］研究基礎(chǔ)上的探索性工作，未來還需進行更多的研究。

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Characteristics of atmospheric structure and earth rotation of drought from winter in 2008 to spring in 2009

Wei Ming1，Ouyang Shoucheng2

(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，Nanjing University of Information Science＆ Technology，Nanjing 210044，China;2.Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610041，China)

The airflow characteristics impacted on the drought areas were analyzed with V －3θ plot which revealed characteristics of the atmospheric thermal structure.The relationship between the atmospheric thermal structure and the variation of earth rotation(length of day，nutation，polar motion)was analyzed with the update data of IERS.Based on the total momentum conservation of earth and atmosphere，the variations between the atmospheric thermal structure and the earth rotation were restricted to each other.The research results showed that large scale drought was related to the air path change caused by characteristics of atmospheric structure and the earth rotation.

drought;cold air path;circumfluence;nutation;polar motion

P429;P434;P127

A

1009－1742(2011)01－0049－07

2009－04－16;

2010－04－15

國家自然科學(xué)基金項目(60674074);高校博士點專項科研基金聯(lián)合資助課題(20093228110002);江蘇省高校自然科學(xué)研究重大基礎(chǔ)研究項目(10KJA170030);災(zāi)害天氣國家重點實驗室開發(fā)課題(2010LASW－A01)

魏 鳴(1957—)，女，天津市人，南京信息工程大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要從事災(zāi)害性天氣的遙感監(jiān)測與預(yù)報研究;E －mail:njueducn@126.com