地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (6): 2380-2388   PDF    
引用本文
彭小桐, 张霞, 孙桂云 . 2016. 西太平洋气旋频数、强度与地球日长、章动的相关性探索. 地球物理学进展, 2016, 31(6): 2380-2388, doi: 10.6038/pg20160604  
PENG Xiao-tong, ZHANG Xia, SUN Gui-yun . 2016. Correlation between the frequency、intensity of cyclone west Pacific and LOD、nutation of earth. Progress in Geophysics (in Chinese), 31(6): 2380-2388, doi: 10.6038/pg20160604   
西太平洋气旋频数、强度与地球日长、章动的相关性探索
彭小桐1, 张霞2, 孙桂云3     
1. 海南61936部队, 海口 571100
2. 中国科学院大气物理研究所, 东亚区域气候环境重点实验室, 北京 100029
3. 海南92810部队气象台, 三亚 572000
收稿日期: 2015-10-27; 修回日期: 2016-09-16.
基金项目: 国家自然科学基金（41275090）资助.
作者简介: 彭小桐,女,1975年生,硕士,现从事天气预报工作.(E-mail:hnskygirl@sina.com)
摘要: 地球自转参数变化引发大气、洋流变化，因此本文试图探索西太平洋气旋频数、强度与地球自转参数的相关性，结果表明：日长月平均值与下一月气旋频数呈正比，章动月标准差与下一月气旋强度相关性较好；频数与强度极端年份的日长、章动逐日变化有显著差异，频数最大值年与最小值年对应的日长位相呈明显的反相，相位若接近同步，则大值年对应的日长明显大于小值年；频数极端年份4-6月章动的位相差异明显，7-9月章动幅度差异明显；强度极端年对应的前30天逐日日长呈非常显著的反相关系，x方向章动具有明显差异，大值年的x方向章动值均偏小.
关键词： 气旋频数     气旋强度     日长     章动     相关性    
Correlation between the frequency、intensity of cyclone west Pacific and LOD、nutation of earth
PENG Xiao-tong1 , ZHANG Xia2 , SUN Gui-yun3     
1. PLA 61936 army, Hainan Haikou 571100, China
2. Key Laboratory of Regional Climate-Environment Research for Temperate East Asia, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
3. PLA Unite 92810 meteorological office, Sanya 572000, China
Abstract: Change of the earth rotation parameters leads to change of atmospheric and ocean currents, based on theory, the paper attempts to study the correlation between frequency、intensity of cyclone in West Pacific and the earth rotation parameters, results show that:monthly mean LOD is proportional to cyclone frequency next month, the correlation is significant between nutation standard difference and cyclone intensity; the divergence of the daily LOD、nutation variation is significant in extreme years of frequency and intensity. Phase of LOD is opposition in maximum frequency years and in minimum frequency years, the value of LOD is higher in maximum frequency years if phase is synchronous; the difference of nutation phase is significant from Apr to Jun in extreme value years, and the amplitude difference of nutation is evident from Jul to Sept; The daily LOD phase is inverse in 30 days before the very day of the extreme intensity value, and the nutation value of X direction in maximum years is less.
Key words: cyclone frequency     cyclone intensity     LOD     nutation     correlation    
0 引 言

地球自转参数的变化，会对大气环流、洋流产生重大影响，虽然地球的章动很小，但是由于地球半径很大，所以章动力矩很大，其可变化的力矩不可抗拒.当地球平稳于某一角度会利于转速加快；欧阳首承等(2009)认为频繁改变则会使转速减慢，导致或引发大气、海洋乃至于地壳的非规则运动，或气流、海流或地壳的非正常变化；若持续某种运动方式也会引发某种持续形式的非正常自然现象.钱维宏(1997)曾对全球气候与地球自转速度进行过研究，另外厄尔尼诺现象与地球自转的相关性，成为多学科的研究热潮，由于地球自转与海气存在相互作用，从而对气候产生影响，如王会军和范可(2006)发现西北太平洋台风生成频次与南极涛动存在一定相关性，鉴于西太平洋气旋预测是气象学界重要的研究内容，具有本文据此观点，试图发现西太平洋气旋频数、强度与地球自转参数间的相关性，以此为气旋的长期预测提供新的思路.

1 资料选取及研究方法

本文选取1962-2014年逐日LOD(length of day日长)观测资料，1984-2014年逐日x方向、y方向章动观测资料，该资料源于国际地球自转和参考体系工作机构(IERS)，以上资料均为时间序列最长的资料，章动资料仅从1984起始.西太平洋气旋频数及强度资料源于上海台风研究所，时间序列为1949-2014年.由于日长、章动参数能够反映地球自转的速度变化，所以本文将对日长、章动与气旋频数及强度进行相关性分析及置信度检验，并对极端年份对应的日长、章动逐日变化进行对比，以此发现日长、章动与气旋频数、强度的相关性.

2 日长、章动与气旋强度及频数的相关性及置信度检验

由于大气环流变化滞后于地球自转参数的变化，在此将日长、章动与下一月西太平洋气旋频数及强度进行相关性分析，将1962-2014年月平均日长与下一月气旋频数、强度进行统计分析，由于标准差能够反映地球章动的幅度和频率，本文将1984-2014年月章动标准差与下一月气旋频数、强度进行相关性分析，结果见表 1、2，由于日长与气旋强度相关性很弱，章动与气旋频数相关性亦很弱，此两个图表在此略去.从表 1可以看出，日长基本与气旋频数呈正比，通过95%置信度检验的月份有6、7、8、9月，也即上述月份日长与7、8、9、10月的气旋频数呈正比，由于7-10月亦是气旋生成集中的月份，因此可以认为日长与西太平洋气旋频数具有很好的正相关性，当日长偏大时，气旋频数偏多，否则偏少.

表 1 月平均Lod与下一月西太平洋气旋频数的相关性及置信度检验 Table 1 Correlation and confidence level between monthly mean LOD and the cyclone frequency in West Pacific next month

表 2 月章动标准差与下一月西太平洋气旋强度的相关性及置信度检验 Table 2 Correlation and confidence level between monthly mean standard deviation of nutation and the cyclone intensity in West Pacific next month

以上相关性可能的物理机制是，当日长偏大，地球自转将变慢，(Ω=72921151.467064-0.843994809LOD，其中Ω为地球转速，LOD为日长)由于速度增量比不同，大气圈最慢，水圈其次，固体地球第三，形成赤道大气和海水相对固体地球向西的差异旋转运动，所以，大气和海洋相对固体地球向西运动，使赤道太平洋暖水由东向西运动，致使西太平洋海温偏高，有利于气旋的生成，频数增加.

表 2为月章动标准差与气旋强度的相关性及置信度检验，由表 2可以看出，x方向章动与气旋强度在1、3、5、8、9、10、12月相关性较好，均通过95%的置信度检验，3、5、10月呈正相关，1、8、9、12月呈负相关；y方向章动与气旋强度在1、5、8、9、10、12月相关性较好，5、10月呈正相关，1、8、9、12月呈负相关.3、5、10月为季节转换时节，说明季节转换时，地球章动越大，则气旋强度越强，可能的物理机制是，章动幅度大，不利于纬向气流盛行，经向气流将有所发展，冷暖交汇，有利于气旋的发展加强.而在夏季、冬季，章动与气旋强度呈反比，说明此季节章动幅度越小，则气旋强度越强，可能的物理机制为，章动较弱，地球自转加速，配合地球-大气、海洋系统角动量准守恒原理，大气、海洋向西的运动增强，亦使西太平洋海温偏高，有利于气旋强度增强.

3 极端年份的逐日日长、章动变化对比分析

本节对频数、强度极端年份对应的日长、章动变化，做对比分析，更进一步认识两者的相关性，由于章动资料起始于1984年，日长资料起始于1962年，故极端年份选取不同，由于影响我国的西太平洋气旋主要集中在5-10月，在此选取此6个月对应的频数极端年份，见下表 3，左栏为1984-2014年频数极端年份，右栏为1962-2014年频数极端年份，以此对该年份前一个月的日长、章动进行逐日分析，分析结果见图 1、2.图 1为频数极端年份对应的前一个月(共30天)逐日日长变化，图 2为章动逐日变化，其中蓝线(空心点)为最大值年，实心点为最小值年，可以看出频数极端年份对应的日长变化具有明显的差异，其中5、6、7月对应前一月日长位相基本为反相，8、9、10月对应的前一月日长位相基本同相，但是最大值年对应的日长值明显大于最小值年，说明前一月日长越大，后一月气旋频数偏多，与上一节统计分析结果相一致，即日长与频数呈正比.

表 3 1984-2014年、1962-2014年5-10月分别对应的频数极端年份 Table 3 The extreme frequency years from May to Oct during 1984-2014、1962-2014

图 1 频数极端年份5-10月对应的前一月逐日日长变化 Figure 1 The daily LOD from Apr to Sept during the extreme frequency years

图 2 频极端年份5-10月前一月的x方向、y方向章动逐日变化 Figure 2 The daily nutation from Apr to Sept during the extreme frequency years

由图 2可以看出5、6月前一月中下旬章动位相基本反相，7月前一月y方向章动中上旬相位基本反相，下旬基本同相，而x方向章动相位基本同相，8、9、10月极端年份对应的章动变化差异很明显，8、10月最大值年份对应前一月章动较最小值年份震荡剧烈，9月则相反，最大值年对应的章动震荡相对平直.说明4-6月章动的位相差异明显，对应的5-7月气旋频数有明显差异，而7-9月章动幅度差异明显，将使对应的下一月8-10月气旋频数差异很大.

表 4为强度极端年份，同样选取1984-2014年、1962-2014年最大值年与最小值年，分别对比最大值出现的第一日的前30天的日长、章动逐日变化，如图 3、图 4所示，由图 3为日长对比，图 4为章动对比，可以看出5-10月最大值年与最小值年对应的前30天日长呈非常显著的反相关系，由图 4可以看出最大值年与最小值年对应的前30天x方向章动具有明显差异，首先大值年的x方向章动值均偏小，其次5月x章动下旬呈反相，6月中下旬呈反相，7月中旬位相呈反相，8月下旬呈反相，9月中下旬呈反相，10月基本反相，也即中下旬位相差异较显著；y方向章动对比，差异不明显，仅10月下旬位相呈显著的反相.说明x方向章动的差异，与气旋强度强度相关性强，章动值偏小，则气旋强度偏大.

表 4 1984-2014年、1962-2014年分别对应的强度极端年份 Table 4 The extreme intensity years from May to Oct during 1984-2014、1962-2014

图 3 强度极端年份5-10月最大值日对应的前30天逐日日长变化 Figure 3 The daily LOD in 30 days before the very day of the max intensity from May to Oct during the extreme frequency years

图 4 强度极端年份各月最大值日前30天x方向、y方向章动逐日变化 Figure 4 The daily LOD in 30 days before the very day of the max intensity from May to Oct during the extreme frequency years
4 小 结 4.1  

地球自转参数的异常变化，将引起洋流、大气的异常变化，从而影响气候，其中包括气旋的频数、强度的变化.

4.2  

通过分析地球日长、章动变化与西太平洋气旋频数、强度的相关性，可以发现，日长月平均值与下一月气旋频数具有较好的正相关性，也即日长均值偏大，则下一月气旋频数偏大，其中 6、7、8、9月的日长与7-10月气旋频数呈显著的正相关性，均通过95%置信度检验.

4.3  

日长月均值与气旋频数正相关性可能的物理机制为：当日长偏大，地球自转将变慢，由于地球三圈(岩石圈、水圈、大气圈)速度增量比不同，形成赤道大气和海水相对固体地球向西的差异旋转运动，所以大气和海洋相对固体地球向西运动，使赤道太平洋暖水由东向西运动，致使西太平洋海温偏高，有利于气旋的生成，频数增加.

4.4  

章动月标准差与下一月气旋强度呈较好的相关性，x方向章动与气旋强度在1、3、5、8、9、10、12月相关性较好，均通过95%的置信度检验，3、5、10月呈正相关，1、8、9、12月呈负相关；y方向章动与气旋强度在1、5、8、9、10、12月相关性较好，5、10月呈正相关，1、8、9、12月呈负相关，亦通过95%的置信度检验.

4.5  

季节转换时节，地球章动越大，则气旋强度越强，可能的物理机制是，章动幅度大，不利于纬向气流盛行，经向气流将有所发展，冷暖交汇，有利于气旋的发展加强.而在夏季、冬季，章动与气旋强度呈反比，说明此季节章动幅度越小，则气旋强度越强，可能的物理机制为，章动较弱，地球岩石圈自转加速，配合地球-大气、海洋系统角动量准守恒原理，大气、海洋向西的运动增强，亦使西太平洋海温偏高，有利于气旋强度增强.

4.6  

频数极端年份对应的日长变化具有明显的差异，其中5、6、7月对应前一月日长位相基本为反相，8、9、10月对应的前一月日长位相基本同相，但是最大值年对应的日长值明显大于最小值年，说明前一月日长越大，后一月气旋频数偏多.4-6月章动的极端年份位相差异明显；7-9月章动幅度差异明显.

4.7  

气旋强度最大值年与最小值年对应的前30天逐日日长呈非常显著的反相关系，x方向章动具有明显差异，大值年的x方向章动值均偏小；y方向章动对比，差异不明显.

致谢 感谢匿名审稿专家的支持和帮助.
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