大气圈的潮汐振幅计算值及其对厄尔尼诺形成的影响

                        杨学祥，杨冬红

根据林振山等人的日食-厄尔尼诺系数理论，多次日食发生在两极可激发两极下沉气流的发生，有利于厄尔尼诺的形成；多次日食发生在赤道，有利于拉尼娜的发生。

当日月在赤道，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，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，赤道信风加强，有利于拉尼娜事件形成；反之，月亮在南北纬28.6度和太阳在南北回归线时情况正好相反，形成赤道大气和海水相对固体地球向东的差异旋转运动，有利于厄尔尼诺的形成。

我们的计算表明，多次日食发生在两极，导致地球扁率变小，地球自转加快，有利于厄尔尼诺的形成；多次日食发生在赤道，导致地球扁率变大，地球自转变慢，有利于拉尼娜的发生。

实际上，春分（3月20-22日）和秋分（9月22-24日）时，太阳在赤道，太阳潮使地球各圈层扁率变大，每年1月25日-4月7日（72天）及7月30日-11月6日（109天）为地球自转减速阶段；夏至（6月21日或22日）和冬至（12月21-23日）时，太阳在南北回归线，太阳潮使地球各圈层扁率变小，每年4月9日-7月28日（110天）及11月18日-1月23日（66天）为地球自转加速阶段。快慢时段的昼夜时间（日长）长短的差别不超过几千分之一秒，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。

每年发生的季节性厄尔尼诺现象在12月25日圣诞节前后，与12月22日冬至以及1月3日或4日地球轨道近日点对应，与11月18日-1月23日（66天）的地球自转加速阶段对应，验证了潮汐形变导致的地球自转加速有利于季节性厄尔尼诺现象形成的结论，是季节性西太平洋暖水东移和赤道东风减弱西风加强的原因。

由于潮汐形变，地球各圈层的转动惯量是不断变化的，由此引起各圈层的差异旋转。地球各圈层潮汐形变的规模不相同，在2010年，我们根据潮汐振幅在大气圈约为80米，在水圈约为60厘米，在岩石圈为约20厘米的观测值，得出大气潮、海洋潮、固体潮的振幅比例为400：3：1。

由三轴椭球体和三轴椭球体壳的自转周期T及其增量dT与极半径c及其增量dc的关系式，有近似估计式：

dT/T = - dc/c                                

据此计算，大气圈、海洋圈、固体地球的旋转速度增量比也为400：3：1。当日月在赤道，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，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，赤道信风加强，有利于拉尼娜事件形成；反之，月亮在南北纬28.6度和太阳在南北回归线时情况正好相反，形成赤道大气和海水相对固体地球向东的差异旋转运动，有利于厄尔尼诺的形成。

表1 物质密度、潮汐振幅和日长变化

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后来发现，大气圈潮汐振幅被低估。其根据是，大气圈、水圈和岩石圈的密度比与潮汐振幅比相同（见表1）。

应用三轴椭球壳转动惯量计算公式的计算结果表明，地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为465m，海洋圈的起伏大约为0.60m，固体地球的起伏约为0.20m，比例为2326：3：1，速度增量比也为2326：3：1。可以对比的是，空气、水、地壳的密度比为3：1：0.00129,是2326：3：1的倒数。当太阳的位置由南北回归线移向赤道，岩石圈的日长增量dT =0.00027s,海洋圈的日长增量为0.00081s，大气圈的日长增量为0.628s。

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-0.00337m/s，即地球各圈层自转减慢（见表1）。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，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）。

而在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。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。引起的地球扁率变化也最显著。季节性厄尔尼诺现象发生在每年的12月25日圣诞节附近，就是潮汐改变地球扁率，影响地球自转、大气环流和海洋环流的最好证明。

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圈层差异旋转可以激发赤道东风或西风增强，导致大气环流模式相对海洋和大陆的位置改变（见图1），激发西太平洋暖池东西移动，引发厄尔尼诺或拉尼娜发生（见图2）。

图1 大气圈和海洋圈差异旋转导致大气环流位置相对海洋和岩石圈的改变，激发环流方向改变

图2 海洋圈相对岩石圈的东移导致西太平洋暖池东移（图为网上资料）

理论计算和实际测量对比表明，大气潮振幅的估计数据在过去被低估，理论计算值是过去估计值的6倍。这为地球各圈层差异旋转提供了足够的动力，也为大气圈相对海洋圈和岩石圈差异旋转提供了可靠机制。

参考文献

杨冬红，杨学祥. 厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的成因与预测. 沙漠与绿洲气象. 2008,2(5): 1-10

杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008 Vol. 23 (6): 1813～1818

杨冬红。潮汐周期性及其在灾害预测中应用。博士论文，吉林大学，2009.

杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934.