厄尔尼诺的季节性特征：与潮汐形变和地球自转有关

杨冬红^1,2, 杨学祥³

     1. 吉林大学古生物学与地层学研究中心, 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, 长春  130026;

   3. 吉林大学地球探测科学与技术学院, 长春 130026）

摘要：本文计算了潮汐变化引起的大气圈、海洋圈和岩石圈差异旋转。在地球扁率变大时，赤道面的高速气流和洋流产生与地球自转方向相反的由东向西运动，类似赤道东风带；在地球扁率变小时，大气和海洋赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，南北纬62度线为最高值，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，类似中纬度地区的西风带。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。计算结果与全球风带分布完全符合。综合分析表明，太阳在赤道面，赤道东风加强，海洋南北赤道暖流加强，有利于拉尼娜现象的形成；太阳在南北回归线，35度线以上的西风带加强，纬度60^o左右南北两个多风暴带活动强烈，海洋的中纬度西风漂流带加强，有利于厄尔尼诺现象的形成。这就是厄尔尼诺的季节性特征，月亮潮增强或减弱了这一效应。日食引起的大气、海洋和固体地球的差异旋转是日食多次发生在赤道引发拉尼娜事件产生和日食多次发生在两极应发厄尔尼诺事件产生的动力学机制。

关键词：厄尔尼诺，拉尼娜，潮汐，地球自转，差异旋转，潮汐形变

1999年林振山等人提出日食造成的大气热环流机制：日食多次发生在赤道产生的大气热对流有利拉尼娜的形成，日食多次发生在两极产生的大气热对流有利于厄尔尼诺的形成，日食与厄尔尼诺现象之间存在12-24个月的位相差。根据天文数据，预测2000年、2005年、2008年、2011年、2015年和2018年发生厄尔尼诺事件^[1，2]。

实际的情况是，2002年和2006年发生了弱厄尔尼诺事件，2009年发生了中等强度的厄尔尼诺事件，与预测年份在估计的误差范围之内。

计算表明，日食发生在赤道会增大地球的扁率，使地球自转变慢，有利于拉尼娜事件的形成；日食发生在中纬度会减小地球的扁率，使地球自转变快，有利于厄尔尼诺事件的形成。这一理论结果为林振山等人提出的厄尔尼诺的日食热环流机制增加了新的动力机制。

1 潮汐形变引发地球各圈层差异旋转

计算结果表明，一个旋转速度不断增大的气体星球，在扁率不断变大的过程中，被削平的两极突起通过35^o不变圈向赤道流动，形成一个几乎静止的（相对星球自转方向相反的快速旋转）大气环流。在星球外部看来，加速旋转的气体星球象一个层层包裹的洋葱，每层的旋转速度不同，中心转速快，外层转速逐渐减小（见图1）。这非常符合木星环的旋转特征：美国学院公园市马里兰大学的DouglasHamilton和德国海德尔堡马普学会核物理研究所的Harald Krüger发现，行星环中的微粒缓慢围绕木星运转，其形成机制尚不清楚^[4]。理论计算结果给出了一个合理的行星环形成机制：变速旋转的气体星球，赤道有慢速旋转的环，两极有快速旋转的帽。

根据这一变化规律，在引潮力使地球扁率变大时，赤道上空的高速气流，产生与地球自转方向相反的由东向西运动，加大赤道东风带的风速，在外空间看来几乎静止不动；在引潮力使地球扁率变小时，大气赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度线以上的中高纬度地区，形成两极突起，旋转方向与地球自转方向相同，速度加快，加大中纬度地区的西风带风速。这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。

图1  地球变扁南北纬35度线长度不变（杨冬红，2009）

天气变化主要与对流层气体运动有关。吸收太阳辐射热量所在空间的温度和高度控制了对流层的气体密度和气压。一般在空气受热强的地区，形成低密度的低压区；而在受热弱的地区，形成高密度的高压区。在近地面水平方向上，赤道地区为低压区，两极地区为高压区；在垂直方向上，靠近地面的热空气为低压区，高空冷空气为高压区。气压的不均匀性导致气体运动，形成大气环流。受这一规律控制，一般空气在地面从两极流向赤道，在高空则从赤道流向两极。实际的气流分布并不这样简单，除赤道和两极外，还出现了30^o、35^o和60^o三个特征纬度，表明太阳能量分布差异不是大气环流形成的唯一因素^[5]。上述计算表明，气流分布出现了0 ^o、30^o、35^o、60^o和90^o五个特征纬度，与潮汐形变引起的地球扁率变化以及相关纬度大气的自转速度变化相关。

月亮潮的强度是太阳潮的2.17倍。据李国庆等人的研究，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到天赤道上空时，月球视赤纬角等于0度，这时月亮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，地球自转角速度增加，日长减小^[6]。计算值与实际测量值有很好的对应关系。日食发生时，太阳潮和月亮潮相互加强，可以产生最大的潮汐形变和显著的圈层差异旋转运动。

全球性地表风带和气压带由赤道向两极依次为：赤道无风带（低压带）、纬度0^o~30^o的南北两个信风带（贸易风带）、纬度30^o~35^o南北两个亚热带无风带（高压带）、纬度35^o~60^o左右南北两个盛行西风带、纬度60^o左右南北两个多风暴带（低压带）、纬度60^o以上南北两个寒带东风带与极地高压带。特别值得重视的是相邻两个风带之间的过渡带，即纬度0^o、±（30^o~35^o）、±60^o的5个纬度带，其两侧空气水平运动方向明显不同，故称之为大气临界纬度。全球不同纬度的气压带、风带空气运动速度变化很大，量级达m/s。这表明，大气运动与地球自转、地理纬度密切相关^[5]。本文的计算表明，潮汐引起的地球扁率变化和不同纬度大气差异旋转与大气运动有关，特别是与纬度35^o~60^o左右南北两个盛行西风带、纬度60^o左右南北两个多风暴带（低压带）的风暴形成机制有关。

以上规律也适用于没有大陆阻挡的海洋，如南半球的海洋寒流——西风漂流带。南极海冰有120个月、60个月、48个月、26.7个月周期^[6]，与潮汐10年、9.8年、5年、4年、2.2274年周期一一对应，表明潮汐对南极海冰的影响。准两年振荡是地球系统内部的一种固有振荡^[7]。纬向风、海温、南极海冰、地转速度、臭氧变化、气候振动和大气环流都有准2年周期变化，与潮汐的准两年周期相对应^[7-9]。尽管有大陆阻断，大西洋，印度洋，特别是覆盖半个地球的太平洋，也受到这一规律的影响。因此，潮汐形变对大气环流和海洋环流的影响不可忽视。

2 厄尔尼诺的季节性特征

模型建立和理论推导表明，星球自转周期与其增量比值等于负的星球极半径与其增量的比值。该公式对三轴椭球体和三轴椭球壳都适用。

当太阳的位置由南北回归线移向赤道，可算得日长增量dT =0.27ms，相当于1/3704s，它是春分和秋分时的地球自转速度小于夏至和冬至时的自转速度的原因。当地球由远日点运动到近日点时，太阳引潮力的强度增加10%，可算得日长增量dT= 0.07ms，相当于1/14286s。这使远日点的地球自转速度大于近日点的自转速度，从而使远日点处的增减速时间变长，近日点处的增减速时间变短。实际上，每年4月9日-7月28日及11月18日-1月23日为地球自转加速阶段；1月25日-4月7日及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段^{[10, 11]}。快慢时段的昼夜时间（日长）长短的差别不超过几千分之几秒，但是这种变化可以影响到气象事件，与计算值量级完全相符。

由于物质的密度不同，地球各圈层潮汐形变的规模不相同。大气圈的起伏约为46512厘米，海洋圈的起伏大约为60厘米，固体地球的起伏约为20厘米，比值为2326：3：1。当日食在赤道，日月大潮在赤道处形成最大潮汐高潮区，地球的大气圈、水圈和岩石圈的扁率变大，自转变慢。

以赤道长半径a的增量da为 2厘米（岩石圈）、6厘米(水圈)、4651厘米（大气圈）计算，日月大潮在赤道可使岩石圈日长增加0.27ms，水圈日长增加0.81ms，大气圈日长增加628ms。

赤道处的地表线速度为v = 465m/s，日长T=24小时=86400s，地球的岩石圈、水圈和大气圈的线速度增量dv分别为-0.00000145m/s、-0.00000435m/s和-0.00348m/s，即地球各圈层自转减慢。以岩石圈为参照，水圈相对减慢最少，气圈相对减慢最多。这导致赤道东风增强，赤道太平洋热水集中在西太平洋。所以，日食在赤道有利于拉尼娜事件的形成，对应时间为3月末或9月末（春分3月20-22日，秋分9月22-24日，太阳在赤道面上）。这与厄尔尼诺日食说的结论是一致的，既提供了新的动力机制。

表1 季节性地球自转变化导致的地球各圈层日长、潮汐振幅、自转速度变化对比

3        日食引起的圈层差异旋转导致厄尔尼诺事件或拉尼娜事件的产生

地球潮汐形变引起的地球自转速度变化，是中短期地球自转变化的主要原因。当地球由远日点运动到近日点时，太阳引潮力的强度增加10%，日长增量0.07ms，这使地球自转具有一年的变化周期。太阳相对地球在南北回归线之间的摆动，使地球扁率在秋分和春分变为最大，自转速度最慢，日长增量0.27ms。实际上，每年4月9日-7月28日及11月18日-1月23日为地球自转加速阶段，有利于厄尔尼诺的形成；1月25日-4月7日及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段，有利于拉尼娜的形成。计算表明，由于气圈、水圈和固体地球扁率变化不同，所以产生不同圈层的差异旋转^{[1, 31-33]}。月亮赤纬角最大值变化的18.6年周期增强或减弱这一效应。

当月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值）时，高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，大气和海洋的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。这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动。1998年是最热的年份，1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是原因之一；自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡是原因之一。2014-2016年月亮赤纬角最小值有利于全球变暖。

在6月末或12月末（夏至6月21或22日，冬至12月21-23日）日月大潮发生在南北回归线附近，地球各圈层自转加快。以岩石圈为参照，水圈相对加快最少，气圈相对加快最多。这导致赤道东风减弱，赤道太平洋热水回流到东太平洋，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应时间为6月末或12月末，与季节性厄尔尼诺现象发生在12月25日圣诞节附近的季节性特征相符。

在6月末或12月末（夏至6月21或22日，冬至12月21-23日）日月大潮发生在南北回归线附近，地球各圈层自转加快。以岩石圈为参照，水圈相对加快最少，气圈相对加快最多。这导致赤道东风减弱，赤道太平洋热水回流到东太平洋，有利于厄尔尼诺事件的形成，对应时间为6月末或12月末，与季节性厄尔尼诺现象发生在12月25日圣诞节附近的季节性特征相符^[12]。季节性厄尔尼诺现象发生在12月末的原因还在于，每年1月3日或4日为地球轨道近日点，太阳引潮力增大10.2%，与11月18日—1月23日（66天）地球自转加速阶段相对应。冬至为12月22日或23日，离地球轨道近日点1月3日或4日很近，太阳潮最强。引起地球扁率变化也最显著。日食发生时，日、地、月成一线排列，潮汐强度最大，对厄尔尼诺和拉尼娜的影响也最大。

月亮引潮力的强度是太阳引潮力的2.17倍，黄赤交角为23.5^o，白赤交角（亦称月亮赤纬角）是变化的，最大值为28.6度，最小值为18.6度。月亮潮南北震荡可以增强或减弱太阳潮的季节性作用。

综合上述分析，由潮汐形变引起的地球自转减慢有利于拉尼娜事件发生，由潮汐形变引起的地球自转加快有利于厄尔尼诺事件发生。

4 检验和结论

2006年、2009年厄尔尼诺的预测和2007年拉尼娜事件的预测表明，用地球自转速度减慢、海温两年振荡和日食-厄尔尼诺系数预测厄尔尼诺事件是有效的和准确的，这三个现象之间有本质的联系^[9、15]。大气和海温振荡准两年周期是日食与El Nino之间存在12—24个月的位相差的原因，可以提前两年准确预测厄尔尼诺事件，大大缩小预测误差。赤道东太平洋表层海水的冷暖极大值由日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制和海温准两年周期的叠加来决定。日食在赤道形成的圈层差异旋转有利于拉尼娜事件的形成，日食在两极形成的圈层差异旋转有利于厄尔尼诺事件的形成，这与厄尔尼诺日食说的结论是一致的，即提供了新的动力机制。

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