厄尔尼诺的成因：章动、地球自转和圈层差异旋转

                                杨学祥，杨冬红

摘要：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，有利于拉尼娜的形成；太阳在南北回归线（22.5度），赤道东风减弱，赤道和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，有利于厄尔尼诺的形成。月亮潮周期地增强或减弱了这一效应，形成厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生^[16]。

地球圈层差异旋转对厄尔尼诺影响有三种模式：激发东西风转换，改变大气环流位置，导致西太平洋暖池东移。

一、地球的章动及其原因

据搜维基百科，章动是在行星或陀螺仪的自转运动中，轴在进动中的一种轻微不规则运动，使自转轴在方向的改变中出现如“点头”般的摇晃现象。

行星的章动来自于潮汐力所引起的进动，并使得岁差的速度不是常数，而会随着时间改变。这种现象是英国的天文学家詹姆斯·布拉德利在1728年发现的，但直到20年后才得到解释。

在地球，潮汐力主要来自太阳和月球，两者持续的改变彼此间相对的位置，造成的地球自转轴的章动。地球章动最大分量的周期是18.6年，与月球轨道交点的进动周期相同，然而，在更精确的的计算中还有其他值得注意的周期项目需要被加入。

章动的主要项目来自于月球交点的退行，两者有相同的周期，都是6798天（18.6年），在黄道上的黄经章动分量是17.24"，垂直于黄道的斜章动是9.21"。另一个较明显的周期是183天（0.5年），章动分量分别是1.3"和0.6"。

二、日月引力对地球自转的影响

   图1 黄道面、白道面和天球（网上资料）

图1 给出了黄道面和白道面在天球中的位置，它们与赤道面的夹角分别为23.5度和28.6度，它们之间的夹角约为5度。

图2 地球在冬至时太阳潮南北震荡

受日月引潮力的影响，地球自转也有明显的0.5年和18.6年周期。前者与地球赤道和地球轨道面（黄道面）的夹角，即黄赤交角有关，后者与地球赤道面和月球轨道面（白道面）的夹角，即白赤交角（亦称为月亮赤纬角）有关。

冬至时太阳光直射南回归线，白天太阳潮在南回归线达到最高潮，夜间太阳潮在南回归线达到最低潮，地球自转造成太阳高潮在南北回归线之间南北摆动，地球扁率也相应变小，导致地球自转加速，夏至也有类似变化。相反，在春分和秋分，太阳在赤道米难，太阳潮南北摆动消失，地球扁率变为最大，地球自转速度变为最小。18.6年周期的月亮赤纬角变化对这一过程起到增强或减弱作用，不同年份有所不同。

实际上，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；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。以此形成地球自转的0.5年周期。

月亮赤纬角极大值在18.6度至28.6度之间变化，从而导致地球自转变化的18.6年周期。

如果把大气圈和海洋圈作为一个整体来计算，而不仅仅是其表层流动，那么，应用三轴椭球体转动惯量计算公式的计算结果表明，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,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，太阳引潮力增加10%，得日长增量dT= 0.00007s，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（110天）及11月18日-1月23日（66天）为地球自转加速阶段；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。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^{[15, 16]}。

月亮引潮力是太阳引潮力的2.17倍，月亮赤纬角（即白赤交角）为18.6度（最小值时期）或28.6度（最大值时期），黄赤交角为23.5^o。所以，月亮赤纬角变化可使日长发生0.6 ms的变化，在受到太阳干扰或增强时，日长变化振幅可达0.3-0.9 ms。在图5中，从月亮赤纬角最大值到最小值引起的地球形变，使地球自转加速，日长产生2.5ms（毫秒）的变化。计算值与测量值完全相符。

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1163000px，海洋圈的起伏大约为1500px，固体地球的起伏约为500px，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-0.003625px/s、-0.010875px/s和-8.425px/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。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-805253.html

表1  物质密度、潮汐振幅和日长变化

一个最明显的证据是，在月亮赤纬角最大值时期，潮汐南北摆动幅度最大，形成大气圈、海洋圈和岩石圈的差异旋转的规模也最大，厄尔尼诺和拉尼娜形成的可能性也最大。

表2 月亮赤纬角最大值与厄尔尼诺和拉尼娜对比

三、地球圈层差异旋转对厄尔尼诺影响的三种模式

模式一：激发赤道东风或西风增强

模式二：圈层差异旋转导致大气环流模式的位置改变

图3 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

模式三：圈层差异旋转导致海洋和岩石圈的位置改变，激发西太平洋暖池东移

图4 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）

四、结论

潮汐变化引起的地球各圈层扁率变化是地球各圈层差异旋转的原因，对大气环流和海洋环流的分布和变化有明显的影响。大气环流和海洋环流分布的纬度特征与地球扁率变化的纬度特征完全一致。

南北纬35^o线不随扁率变化而伸缩，由于其固定不变的特性而称为临界纬度。相反，南北纬62^o与赤道纬度，当地球扁率发生变化时，互为消长，称为共轭纬度^[2]。这也是大气环流和海洋环流最基本的纬度特征。根据这一规律，太阳的纬度位置对大气环流和海洋环流变化至关重要，春分、秋分、夏至、冬至是太阳潮引起地球扁率变化的极值点，因而也是大气环流和海洋环流的异常变化时期，月亮潮增强或减弱这一过程。这是强潮汐组合激发异常气候的理论根据^[3-5，7-8]。

由于流体的流动性，如果把大气圈和海洋圈的扁率变化看作是表层的部分流体流动过程，那么，在地球扁率变大时，赤道上空的高速气流，应该与地球自转方向相反的由东向西运动，类似赤道东风带，在外空间看来几乎静止不动；在地球扁率变小时，大气赤道突起减小并向两极流动，在南北纬35度不变线以外的中高纬度地区，形成两极突起，在南北纬62度线达到最高值，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。赤道高空风相对固体地球向西的最大速度为442m/s，中纬度高空风向东的最大速度为339m/s。实际上，由于流体间的角动量交换和阻力，高空风的实际速度要远远小于这个数值，但方向与实际状况有很好的对应性。

如果把大气圈和海洋圈作为一个整体来计算，而不仅仅是其表层流动，那么，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。地球的岩石圈、水圈和大气圈的线速度增量dv分别为 -0.003625px/s、-0.010875px/s和-8.425px/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。

实际状况可能是以上两种情况的一个加权平均，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^[3-5]。

综合分析表明，太阳在赤道面，赤道东风加强，海洋赤道暖流加强；太阳在南北回归线，35度线以上的西风带加强，海洋的中纬度西风漂流带加强，在南北纬62度线达到最高值。月亮潮增强或减弱了这一效应。如德雷克海峡就在南纬60度线，南极海冰有120个月、60个月、48个月、26.7个月的变化周期，与潮汐10年、9.8年、5年、4年、2.2274年周期一一对应，表明潮汐变化引起的海流变化对南极海冰的影响^[3,5,7,8]。

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，有利于拉尼娜的形成；太阳在南北回归线（22.5度），赤道东风减弱，赤道和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，有利于厄尔尼诺的形成。月亮潮周期地增强或减弱了这一效应，形成厄尔尼诺和拉尼娜的交替发生^[16]。

地球圈层差异旋转对厄尔尼诺影响有三种模式：激发东西风转换，改变大气环流位置，导致西太平洋暖池东移。

下次月亮赤纬角最大值时期2024-2025年发生厄尔尼诺和拉尼娜的可能性非常大。

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