大气对地球自转季节性变化的贡献

� 第 41 卷 第 2 期 � 2000年 5 月 天 � 文 � 学 � 报 ACTA ASTRONOMICA SINICA Vol. 41, No. 2 � May, 2000 � 大气对地球自转季节性变化的贡献 虞南华 � 郑大伟 (中国科学院上海天文台 � 上海 200030) 摘要 � � 采用 1979- 1995 年期间新的大气角动量资料,研究了大气在季节性时间尺度上 对日长变化和极移的贡献.结果明, 考虑了风和大气压的贡献后, 大气在周年和半年时间尺 度上对日长变化的贡献分别可达 95%和 88% . 同时还给出了大气对极移激发的定量结果. 其 中,大气在周年尺度上对极移 X 分量的贡献为 16% ,对 Y 分量的贡献为43% ; 在半年尺度上 对极移 X 分量的贡献为 9% ,对 Y 分量的贡献为 30% .根据以上的研究结果, 表明还需考虑 海洋的贡献,才能进一步解决地球自转激发的问题. 关键词 � � 大气角动量,地球自转变化, 季节性时间尺度 中图分类号: P183 1998- 11- 23收到原稿, 1999- 04- 15收到修改稿 1 � 引言 大气在季节性时间尺度上是地球自转变化(日长变化和极移)的主要激发素[ 1- 4] ,尤 其是日长变化. 精确计算大气对日长变化的贡献有多大,对确定是否有必要引入新的激发 源,以及新的激发源对日长变化的贡献量都是有重要意义的.目前用空间天文技术测定日 长变化精度的空间尺度上已达亚厘米级[ 5] ,这就基本上有赖于大气角动量计算的气象资 料和模型更趋精确. 过去,大气对季节性极移的激发量没有定论[ 1] ,有必要用新的大气角 动量资料来定量研究大气对季节性极移的激发量. 美国国家环境预测中心和美国国家大气研究中心( NCEP/ NCAR)用同化后的全球气 象资料重新归算得到了全球有效大气角动量函数( EAAMF)的资料序列,它们与原来美国 国家气象中心( NMC)的资料序列相比具有系统均匀化、噪声小、分辨率高的特点[ 6] , 这将 激励人们重新进一步研究大气与地球自转的关系.为此,我们将利用这一新的大气角动量 资料和由空间技术测量得到的高精度的日长变化和极移资料, 重新分析和研究大气在季 节性时间尺度上对地球自转变化的贡献,期望能得到一些新的研究结果. 2 � 资料分析和预处理 本文所采用的日长、极移和大气角动量资料的情况列在表 1中.表中的 Space 96资料 是由 LLR、SLR、VLBI、GPS等空间大地测量技术综合得到的[ 5] ,以一天为间隔的地球自 转参数序列, 包括 UT 1�U TC 和极移的序列. 表中的大气角动量数据是由 NCEP/ NCAR 用全球气象资料归算的有效大气角动量函数资料[ 6] , 每天 4个值, 积分至大气的 10 百帕 ( hPa)高度. 表 1� 本文采用的 �LOD和 AAM的资料源 Table 1� The data sources of �LOD and AAM used in this paper 技术 序列 时间跨度 取样间隔(天) 空间技术 Space 96 1976. 9. 28- 1997. 2. 7 1 大 � � 气 AAM 10hPa 1979. 1. 1- 1997. 1. 30 0. 25 � � 表征地球自转速率变化的日长变化 �LOD可用世界时 U T1的测量求得 �LOD( t ) = ( UT1 - U TC) t - ( UT1 - UTC) t+ �t�t , (1) 式中, �t 是相邻两次 UT1�UT C观测的时间间隔. 由表 1中 Space 96 的 UT 1�UT C资料 按上式可算得本文分析中所采用的以一天为间隔的日长变化 �LOD序列. NCEP/ NCAR 提供的 EAAMF 资料源中的值是采用全球风和气压的气象资料用 Barnes等[ 7]的公式计算得到的,其第 3个分量经过换算可得到与 �LOD有关的轴向分量 m 3的大气角动量序列, 并用简单平均化算为日平均序列. 表 1中的极移资料通过离散的刘维方程[ 8] �t = ie - i�F c T �cT ( mt+ T / 2- e i� c T m t- T / 2) (2) (其中,复钱德勒频率 �c为 2�F c( 1+ i/ 2Q c ) . )可以化到以一天为间隔的极移激发函数序 列,然后就可以和大气、海洋的激发函数序列直接进行比较. 再经过简单平均得到本文分 析中所采用的月平均极移激发函数序列. 图 1 � 本文中采用的日长变化和大气角动量序列 Fig. 1 � T he �LOD and AAM series used in this paper 3 � 大气对季节性地球自转变化的贡献 用 NCEP/ NCAR的大气角动量资料重新研究和确定大气对地球自转的激发是十分 必要的.这部分采用了数据处理技术和方法,分 析了日长变化、极移激发和大气角动量序列,以 揭示大气对季节性 �LOD和极移的贡献. 3. 1 � AAM对季节性日长变化的激发 按 Yoder[ 9]的潮汐理论扣除所有带谐潮汐 项后[ 10] ,得到 �LOD的非潮汐变化序列,与由 表1中大气资料归算得到的 AAM 序列一起绘 于图 1中. 图中的 AAM 序列综合考虑了风项 和大气压项(作了反变气压计假设)的贡献. � � 为了分析和估计大气对季节性 �LOD的 贡献量,我们采用 Housholder 变换的周期拟合 最小二乘法,估计了 �LOD和 NCEP/ NCAR的 149� 1期 虞南华等: 大气对地球自转季节性变化的贡献 AAM 的周年和半年分量的振幅. 通过上述分析处理后,可得到 NCEP/ NCAR的大气角动 量在季节性时间尺度上对 �LOD激发贡献量的估计,它们的结果列于表 2 中. 表中各个 分量 AAM 的相位差是分别对应于 �LOD的相位计算的.从表中大气对日长变化的激发 贡献的估计值可见, 对 �LOD中的周年变化大气的作用达到了 95%, 对半年变化达到了 88% . 另外,比较表 2和我们以前的结论可以发现[ 11] ,在半年和周年时间尺度上,考虑大气 压的贡献后,能更好地解释日长变化,而且日长变化和大气角动量序列之间的相位差也不 同程度地变小了. 表 2� 大气对 �LOD 非潮汐变化在季节性时间尺度上激发量的估计 (单位:%)及 AAM 相对于 �LOD 的相位差估计(单位:天) Table 2 � Estimation of the excitation of �LOD changes by the atmosphere on seasonal time scale ( in %) and the phase difference of AAM relative to �LOD changes ( in days) 序列 ( NCEP/ NCAR) 半年 激发量 相位差 周年 激发量 相位差 AAM 10 hPa 88 - 3. 6 95 - 1. 3 � � 在此,我们还要指出的是,虽然由重新分析得到的 NCEP/ NCAR大气资料计算的大 气角动量明显地改善了大气对日长变化的激发估计,但观察图 2和表 2可见,大气仍不能 解释对 �LOD的全部激发作用,在这些时间尺度上仍然存在着其他激发源, 有待进一步 研究. 图 2a � 本文中采用的极移激发和大气角动量的 X 分量的序列 Fig. 2a� T he X�component of polar mot ion and AAM series used in this paper 3. 2 � 大气对季节性极移的贡献 由表 1中Space 96资料和各种大气资料归算得到观测极移的激发序列和大气激发序 列,绘于图 2中. 图中的观测极移序列已扣除了长趋势变化, AAM 序列考虑了风项和大气 压项(作了反变气压计假设) . 从图中可见, NCEP/ NCAR 的重新归算后的大气激发序列 要比原来的 NMC序列精度高, 尤其是 1984年 以前的那段序列, 这主要是因为 NMC 的大气 风的激发序列在 1984年以前的那段误差较大. 大气激发序列和极移序列的符合度,和日长变 化相比, 没有那么高. 这说明用 NCEP/ NCAR 的大气角动量资料重新研究和确定大气对极移 的激发是十分必要的. 这部分采用了数据处理 技术和方法,分析了极移和大气角动量序列,以 揭示大气对极移的贡献. � � 为了准确地估计出这一激发量,我们将计 算大气对极移的 rms贡献.从图 2可以发现,极 移和大气角动量各序列都存在较强的高频噪 声,且各序列的时变性也不同.在此我们把极移 和大气角动量的日平均序列都化为月平均序 150 天 � � 文 � � 学 � � 报 41 卷 � 图 2b � 本文中采用的极移激发和大气角动量的 Y 分量的序列 Fig. 2b � The Y�component of polar mot ion and AAM series used in this paper 列. 对极移两个分量的时间序列, 作带通滤 波[ 12] ,分别得到周年和半年时间尺度的时间序 列,在进行相位调整后,扣除相应的大气序列,再 计算剩余序列的 rms. 所得结果见表 3. � � 从表 3 中可见, 在周年尺度上, 大气对极移 X 分量的 rms贡献为 16% , 对 Y 分量的贡献为 43% .在半年尺度上, 大气对极移 X 分量的 rms 贡献为 9%, 对 Y 分量的贡献为 30%. 在此, 我们还要指出的是, 虽然由重新分析 得到的 NCEP/ NCAR大气资料计算的大气角动 量改善了大气对极移的激发估计, 但从表 3 可 见,大气仍不能解释对极移的全部激发作用, 在 这些时间尺度上仍然存在着其他激发源, 如海 洋,需要进一步探索研究. 表 3 � 大气对极移的 X 和 Y 分量在季节性时间尺度上的贡献 Table 3 � Contribution of the atmosphere to the X and Y components of polar motion 分量 序列 半年 周年 X 分量 PM PM�AAM 0. 0097 0. 0088 0. 0079 0. 0076 Y 分量 PM PM�AAM 0. 0154 0. 0108 0. 0172 0. 0098 4 � 小结和讨论 本文采用 1979- 1995年期间的空间大地测量的日长、极移序列和 NCEP/ NCAR重 新归算的大气角动量资料序列,分析了大气角动量在季节性尺度上对地球自转变化的激 发,得到如下的主要结果: ( 1) 重新归算的大气角动量改善了对日长变化的贡献, 日长变化在季节性尺度上来 自大气的激发可达 85%以上.在半年和周年时间尺度上,考虑大气压的贡献后,能更好地 解释日长变化. ( 2) 用求均方根误差的方法得到: 在周年尺度上, 大气对极移 X 分量的贡献在周年 尺度上为 16% ,在半年尺度上为 9%, 对 Y 分量的贡献在周年尺度上为43%,在半年尺度 上为 30%. 此外, 本文的分析结果还表明,虽然由重新分析得到的 NCEP/ NCAR的大气角动量 显著地改善了大气对地球自转变化激发的贡献, 但是看来大气不是季节性尺度上地球自 转变化唯一的激发源.我们认为,进一步解决这一问题,需要考虑大气 10百帕以上高度的 风的贡献以及其他激发源,例如海洋的贡献[ 13] . 151� 1期 虞南华等: 大气对地球自转季节性变化的贡献 参 考 文 献 [ 1 ] � Eubanks T M. Geodynamics, 1993, 24: 1 [ 2 ] � Dickey J O. Geodynamics, 1993, 24: 55 [ 3 ] � Rosen R D, Salstein D A, Wood T M. J Geophys Res, 1991, 96: 5145 [ 4 ] � Naito I, Kikuchi N. Geophys Res Lett , 1990, 17: 631 [ 5 ] � Gross R S. J Geophys Res, 1996, 101: 8729 [ 6 ] � Kalnay E, et al. Bull Am Meteorological Soc, 1996, 77: 437 [ 7 ] � Barnes R T H, Hide R, White A A, et al. Proc R Soc Lond, 1983, 387: 31 [ 8 ] � Wilson C R. Geophys J R astr Soc, 1985, 80: 551 [ 9 ] � Yoder C F, W illiames J G, Parkes M E. J Geophys Res, 1981, 86: 881 [ 10] � IERS Convent ion, 1996 [ 11] � 虞南华,郑大伟.天文学报, 1998, 39: 122 [ 12] � 郑大伟,董大南.天文学报, 1986, 27: 368 [ 13] � 虞南华,郑大伟.天文学进展, 1998, 16: 35 CONTRIBUTION OF THE ATMOSPHERE TO THE SEASONAL EARTH ROTATION CHANGES YU Nan�Hua � ZHENG Da�Wei ( S hanghai Astronomical Obser vatory , Chinese A cademy of S ciences, Shanghai 200030) ABSTRACT � The contribut ion of AAM to earth rotat ion changes on seasonal time scale is studied in this paper. The new reanalysis of AAM data during 1979 - 1995 provided by NCEP/ NCAR is used. The results show that the contribut ions of the atmosphere to the annual and sem i�annual LOD changes are 95% and 88%, respect ively, including the contributions of atmospheric w ind and pressure. The results of the excitat ion to polar mot ion are also presented. On annual t ime scale, the contribut ions to X and Y components of polar mot ion are 16% and 43% , respect ively, w hile on semi�annual t ime scale, the contribut ions are 9% and 30% . It is pointed out that the oceans and w ind above 10mbar should be considered in the research of earth rotation changes. Key words � atmospheric angular momentum, earth rotation change, seasonal t ime scale 152 天 � � 文 � � 学 � � 报 41 卷 �