地球上的天灾中最严重的是旱、涝、震三种，旱灾造成的经济损失最大，地震造成的人员伤亡最重，是人类历史上最重的两个天灾.关于地震的成因，100年前Reid提出了“弹性回跳”说，将地震的原因局限在岩石圈中，基于此学说，至今未找到预测地震三要素的有效方法.气象学家们一直认为旱涝的原因是气圈和水圈活动的结果，并在这方面进行了近百年的研究，提出了不少预测方法，但月季预测的准确率却未见有本质性提高，这表明仅从气圈和水圈方面来研究旱涝成因没有抓住其主要矛盾.

2 010年我们正式提出了地震成因的外核强对流“顶托说”(汤懋苍等，2010)，随即提出了预测地震的三步法(汤懋苍等，2012a；汤懋苍等，2012b)，在2010-2011年间共预测了4次地震，结果表明地震的时、空、强三要素中总有两项符合预测要求，另一项的误差较大，表明地震的成因很可能是外核强对流顶托地壳的结果，此预测方法值得继续试验.

我们曾指出，旱涝灾害也是外核强对流(可称为“地下霹雳”(冯锐，2009))造成的结果(汤懋苍等，2005；郭俊琴等，2011；廖留峰等，2012).形成洪灾的直接原因是“拍涡”(郭俊琴等，2011)，它由两个(或两个以上)“震源涡”(有地震相伴的地热涡)共振作用而形成，故涝灾与“地下霹雳”直接相关.除了干热涡之外，旱灾总是大地冷涡活动的结果(汤懋苍等，2005；廖留峰等，2012)，而大地冷涡的成因是强震后地壳的拉张复原，导致地温降低之故，因此旱灾与“地下霹雳”也紧密相连，所以地球上的主要天灾总是“地下霹雳”活动的结果.本文拟就外核强对流(“地下霹雳”)的基本特征及其在地表层的表现形式等问题进行讨论.

1 外核的基本特征

地球表面有四个圈层：大气圈，水圈(含冰雪圈)、生物圈和地壳(厚约100 km)，它们的质量约占地球系统总质量的1%，故不是地球系统的主要成员.地球内部有三个圈层：地幔，外核和内核，其中外核为流体，其质量占地球系统总质量的1/3以上(滕吉文，2003)，粘滞系数与水差不多.同时外核还是一个雷诺数高达3×10⁸(滕吉文，2003)的强热力对流不稳定体，常有Benard对流泡从内外核边界升起，穿过外核2200 km的厚度做加速运动.Benard对流泡的上升速度是地球物理学中一个重要的参数，至今未见有人对其进行过估算，本文拟用时纬残差的观测结果对它进行估算.

张国栋提出(张国栋，1981)时纬残差的形成原因是地下水运动的结果，这种观点基本解释了时纬残差的现象，但若将“地下水”换成“外核对流体”，则其普适性要宽得多.强震之前，在其附近的天文台总可以依次记录到一个时纬残差的极大值和一个极小值通过，二者之间的时间间隔维持在3~5个月之间(杜品仁等，1989)，如1976年7月唐山大地震，北京天文台记录到的时纬残差极小值出现在5月上旬，极大值出现在7月下旬(杜品仁等，1989)，两者相差80天.

根据外核对流的设想，一个Benard对流泡从内外核边界开始上升到达核幔边界，再返回到内外核边界，它经过的路程是H×2+L，其中H为外核厚度(约为2200 km)，L是从上升点到下沉点之间的距离(约为1000 km左右).于是外核对流的平均速度是5400 km/90 day≈0.6 m/s.考虑到外核对流是一种加速运动，初始状态在内外核边界时，速度几乎为零，到核幔边界时，其速度至少比平均速度高一倍以上，故可认为外核对流速度应在1 m/s以上.这比板块运动的速度(10^-1 m/a≈10^-8 m/s)要快8个量级，它应该是地球内部最快的物质运动. 2 外核流体与对流层大气垂直上升速度的类比

外核与对流层均为旋转地球上热力极不稳定的对流体，对流层大气的雷诺数达10⁴的量级，外核流体的雷诺数更达3×10⁸.可以将两者的运动特征进行类比.对流层大气的垂直运动根据实测结果可以分为两类，一是强对流运动，其速度可达10¹ m/s，一是平流运动，其垂直运动速度仅为10^-2 m/s，两者相差达三个量级.外核的垂直运动速度有多大尚无实测资料，不过从上述类比，可认为外核也存在两类垂直运动：强对流与平流运动，两者之间的垂直速度相差3个量级.强对流运动因上升速度很大，会对地壳造成顶托，从而酝酿地震；平流运动因垂直速度很小，对地壳的作用也就很小. 3 地气系统分类及其成因探索

地气系统是指地下流体运动引起气候变化的热动系统.绝大部分地下流体存在于外核之中，其质量占地球系统总质量的1/3，因而是地气系统的主要源地.次要的地气系统源自地壳和地幔的裂隙之中，被称为渗流体，其总质量据估计约是大气圈质量的1/10，大气圈质量仅是地球系统总质量的1/10⁶.存在于外核中的地气系统被称为“深地气系统”，存在于壳幔裂隙中的地气系统被称为“浅地气系统”.旱、涝等 天灾主要是深地气系统活动的结果，浅地气系统对其贡献很小.

我们现在用于天灾预测的基本工具是：3.2 m旬(月、季)际变温图和降水距平百分率图，合称为地气图，根据地温的升与降，以及降水的多与少两两组合，可以将地气图上的地气系统分为四类：(1)干热涡：3.2 m地温升高但降水少；(2)湿冷涡：3.2 m地温降低但降水多；(3)湿热涡：3.2 m地温升高且降水多；(4)干冷涡：3.2 m地温降低且降水少.

外核的两类运动与表层四类地气系统之间存在着很好的相关：强对流上升区导致干热涡，强对流下沉区导致湿冷涡，平流上升区导致湿热涡，平流下沉区则导致干冷涡.

3.1 干热涡

强对流运动是一种典型的Benerd对流，可称它为“地下霹雳”(冯锐，2009)，对流泡的典型长宽比是11，也就是说其最优水平尺度是2200 km，若假定对流泡是一个半径为1100 km的球体，外核的密度可取为10 g/cm³，它平均以1 m/s的速度上升，则其产生的动能达4×10²² J，这些动能将用来顶托其上层的地幔和地壳，使地壳脆性层中应力积累酝酿地震，与此同时，地壳被压缩，必然伴随着地温升高，这可看成是一条定则(陈顺云等，2009)；同时因岩石圈中裂隙变小，对流热传导系数K变小，使地气间热通量Q变小，降水减少，在地表层出现干热涡.耿庆国所说的“旱震关系”(耿庆国，1985)实际上就是干热涡，但出现干旱并不是地震的充分条件，必须伴有地温的升高，才会发生地震. 3.2 湿冷涡

外核强对流的下沉支中，对其上地壳的拉张使地温降低，且裂隙增大，热传导系数变大，使降水增多，形成湿冷涡. 3.3 湿热涡

外核中存在弱的上升运动，它使地壳抬升，地温升高，但因速度较小，使地壳压缩不明显，地气热通量(Q)因地温升高而增大，降水自然增多，湿热涡中最强者是两个震源涡连线的中点附近因为拍和共振作用而形成的“拍涡”(廖留峰等，2012；滕吉文，2003)，它是我国水灾的主要制造者. 3.4 干冷涡

地震发生后，地壳要从原来的被压缩的状态进入复原(拉张)引起地温降低，使地气热通量减小，降水减小，形成干冷涡，我国多数有名的大旱年，其原因属此(汤懋苍等，2005). 4 地震3要素中期(月季)预测的三步法(汤懋苍等，2010)

从强对流过程(“地下霹雳”)开始顶托地壳即可认为是孕震过程的开始.

4.1 孕震第一步-干热异常

强对流过程开始数个月之后，地表层的干热面积达到极大，定义为孕震到了第一步—干热异常.利用历史资料可得干热面积与震级的线性相关方程(汤懋苍等，2010；汤懋苍等，2012a)，由此可以推算出，未来地震的震级. 4.2 孕震第二步-应变波始现

孕震第一步结束后，准经向的地温波和降水应变波开始出现，表明此时地壳已被压缩到了极致状态，外核的继续顶托只会使应力增加，孕震三步曲的第二步—应变波始现开始，此时地气图上将会出现湿冷涡，它反映的是外核对流下沉支的中心所在，未来震中将出现在干热涡与湿冷涡连线的中点附近，此处是外核垂直速度的水平切变最大处. 4.3 孕震第三步-顶托撤销

此前，关于孕震第三步我们都用“应变弱停”4个字来概括(应变波减弱).这虽然没错，但未抓住事物的本质.本质性的过程是外核对流上升体对幔壳层的顶托减弱甚至顶托撤销，才使得应变弱停，地震发生.自1970年代开始，我国的地应力观测大大增加，1972年以来我国大陆境内发生的7级以上地震有11次可以收集到地震前后的地应力资料.图 1给出了我们收集到的7次“强地震的震中及附近地应力的时间变化曲线”，可见在地震发生前，地应力确有一个从逐渐增大到突然下降的过程.此“突然下降”就可以用“顶托撤销”来解释.

图 1

图 1 强地震的震中及附近地应力的时间变化曲线 Fig. 1 The epicenter and curves of ground stress for strong earthquakes

我们于2009年年底开始利用已总结出的孕震三步曲对地震三要素做中期(月季)预测，2010年和2011年共作了4次预报(见表 1)，可见预报的3要素总有1~2项是基本正确的，另一项误差较大，表明此地震预报方法具有一定的科学性，值得继续进行试验.

表 1(Table 1)

表 1 2010年和2011年地震三要素与预报值对照表 Table 1 Comparison for predicted value with three factors of earthquake from 2010 to 2011 发布时间 三要素 发震时间 震中 震级 °N °E 2009年 1 1月 预测值 2009年12月26日 39 75 7.1 实况值 2010年4月14日 33 97 7.1 误差 ＞4个月 +6 -22 0 2010年11月 预测值 2010年4季 40 119~120 5.5 实况值 2010年12月28日 39.5 119.3 3.2 误差 0 ＜100 km ＜100 km 2.3 2011年 3 月7日 预测值 2011年5-6月 东北深震区 6.0 实况值 2011年5月10日 43 131 6.1 误差 0 0 0 0.1 2011年 8月29日 预测值 2011年9-11月 32 111 4.5 实况值 2011年9月10日 35 115 4.6 误差 0 500 km 0.1

表 12010年和2011年地震三要素与预报值对照表 Table 1 Comparison for predicted value with three factors of earthquake from 2010 to 2011

水灾是大量地下气体通过地气界面涌入大气圈的结果，但是最强的地下运动—“地下霹雳”因会使地壳被压缩，而阻碍了地气热交换，使最强地气热交换出现在两个震源涡共振点的“拍涡”之中(郭俊琴等，2011；汤懋苍等，2012b)，故拍涡往往是大雨区，下面根据2012年3月以前已经出现的拍涡来预测今年汛期我国的多雨区会落在何处.

2 012年1月18日，在日本东发生了7.2级强震(震中位于31.4°N，138.3°E)，2月26日西伯利亚出现了7.0级震(震中51.7°N，96°E)，可算得拍涡位于41.5°N，117°E(华北北部，东北南部)，该地区3月已经开始多雨，根据准5个月韵律，该地区8月份还将多雨.另一个震源涡已于2012年2月份出现，中心在28°N，90°E，它与1月18日日本东的强震组成的拍涡中心在29.5°N，115°E.该地区1-3月已经多雨，根据准5个月的韵律，本地区于今年6-7月份还将多雨，所以2012年汛期我国东部应该会出现两条多雨带，一条在41°N附近，另一条在30°N附近.

6 旱灾与干冷涡及干热涡

地震发生过后，原来被压缩的地壳要复原(被拉张)，但是此时复原的速度要比“地下霹雳”的速度小得多.此时的地壳复原只会使地温降低，而不会使岩石中的裂隙度增大，致使地气热交换减小，降水减小，形成干冷涡.绝大多数地震后形成的干旱都是干冷涡形成的，而震前旱的形成原因是干热涡，它是“地下霹雳”产生的后果. 7 结 论

7.1    地球表层有气圈，水圈(含冰雪圈)，生物圈和地壳，其质量约占地球系统总质量的1%，因此地球上的天灾虽然都表现在地球表层，但其原因主要不在地球表层而在地球内部.

7.2    地球内部有三圈层：地幔，外核和内核，只有外核为液态，其质量占到地球系统总质量的1/3以上，粘滞系数与水差不多，而雷诺数高达3×10⁸，是极强的Benerd对流体(被称为“地下霹雳”).它应该是地球上天灾(旱涝震)的主要制造者.

7.3    将外核中流体运动与对流层大气运动进行类比之后可得出，外核中也存在强对流和平流(层流)两种运动，两者之间垂直运动的速度可差3个数量级.强对流(“地下霹雳”)的速度为10⁰ m/s，这是引发各种天灾的罪魁祸首，平流的垂直速度约为10^-3 m/s(≈10⁰ mm/s)，此种速度对地壳的顶托作用很小，不会引发地震及旱涝灾害.

7.4    表层四类地气系统的形成原因，均有深刻的外核环流背景： (1)干热涡是外核强上升运动支在地表的反映； (2)湿冷涡是外核强下沉运动支在地表层的反映； (3)湿热涡是外核中的弱上升运动在地表层中的反映； (4)干冷涡是外核中弱下沉运动在地表层的反映.

7.5    地震形成的原因是外核强对流上升体对壳幔层的顶托.地震形成的过程可分为三步： (1)干热异常，地温升高降水减少； (2)地温降水波(应变波)始现； (3)顶托撤销，地应力突降.

7.6    “拍涡”是涝灾的主要制造者，它总出现在两个震源涡连线的中点附近，是外核强对流过程的直接产物.

7.7    形成旱灾的一种主要地气系统是大地冷涡，它是强震后地壳拉张复原而形成的，故是强对流过程(“地下霹雳”)的间接产物.

7.8    综合以上分析，我们可以说，旱、涝、震等天灾形成的根本原因均是外核强对流.