厄尔尼诺和拉尼娜与地球自转的关系

                             杨学祥，杨冬红

根据转动惯量守恒地理，地球的扁率受日月引潮力作用而发生周期变化，并使地球自转速度发生相应的变化：

地球扁率变大，自转速度变小；地球扁率变小，自转速度变大。

黄赤交角为23.5^o，当太阳的位置由南北回归线移向赤道，地球扁率变大，由此造成地球自转速度的半年周期变化。

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%，由此造成地球自转速度的年变化。

白赤交角，即月亮赤纬角在18.6-28.6度之间变动，由此引发地球自转速度的18.6年、27.3天、13.6天变化周期。

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。

地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为480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，比例为2400：3：1。

计算表明，地球各圈层潮汐形变的规模不同，引发的自转速度变化也不同，大气圈、海洋圈、岩石圈自转速度变化的比例为2400：3：1。

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为最大，自转变为最慢。按比例，地球的岩石圈、水圈和大气圈的线速度增量dv分别为 -0.000145厘米/秒、-0.000435厘米/秒和-0.464厘米/秒，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，提供了新的动力机制。

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。

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。

图1  地球变扁南北纬35度线长度不变（杨冬红，2009）

根据这一变化规律，在引潮力使地球扁率变大时，两极流向赤道的大气和海洋在科里奥利力的作用下向西偏转，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；有利于拉尼娜的形成。

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。有利于厄尔尼诺的形成。

这一变化规律与星体大小以及形变规模无关。

以前的研究认为，厄尔尼诺与地球自转速减慢对应。在这样的对应关系中，地球自转变化的原因尚不清楚。

郑大伟等的研究表明，地球自转的年际变化与表征El Nino事件的东太平洋赤道带（180^o-80^oW，5^oS-5^oN）海面水温（SST）的月距平曲线存在相当好的一致性^[13]。分析表明，当地球自西向东旋转加速时，由于惯性作用，海洋和大气仍保持静止状态不变，因此，赤道带附近自东向西流动的洋流和信风加强，把太平洋表面暖水吹向西太平洋，东太平洋深层冷水必然会上涌补充，海面温度自然下降而形成拉尼娜现象；当地球自转减速时，“刹车效应”使赤道带大气和海水获得一个向东惯性力，赤道洋流和信风减弱，西太平洋暖水向东流动，东太平洋冷水上翻受阻，因为暖水堆积而发生海水增温、海面抬高的厄尔尼诺现象^[14]。以上讨论是在地球不受外力作用下，由角动量守恒定律导出大气、海洋和固体地球角动量交换导致的结果。

任振球的研究发现，厄尔尼诺与地球自转速减慢对应。当地球自西向东旋转加速时，赤道信风加强，把太平洋表面暖水吹向西太平洋，东太平洋海面温度下降而形成拉尼娜事件；当地球自转减速时，赤道太平洋一带大气和海水在惯性力的作用下向东运动，赤道信风减弱转为西风，西太平洋暖水向东流动，因为暖水堆积而发生海水增温、海面抬高的厄尔尼诺事件^[8]。计算表明，南大洋的海洋环流，即环南极西风漂流速度的增加与减少是地球自转速度异常减慢与加快的原因^[8,39]。郑大伟等的研究表明，在赤道带海温增暖时期（称为El Nino形成时期），地球自转年际速率减慢；海温减暖时期（称为非El Nino时期），地球自转速率加快。每次El Nino事件几乎都发生在地球自转年际速率由加速变为减慢之后^[5-7]。在这一变化过程中，计算排除了潮汐变化的影响。

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；与此相反，由大气和固体地球角动量交换引起的地球自转减慢有利于厄尔尼诺事件的发生，由大气和固体地球角动量交化引起的地球自转加快有利于拉尼娜事件发生。如果两种情况同时发生，则发生相互干扰作用。

一个比较合理的解释是，地球潮汐形变在地球扁率变小时地球各圈层自转速度加快，引起赤道东风减弱，西风增强，形成厄尔尼诺事件。厄尔尼诺事件导致赤道太平洋堆积大量热水，赤道太平洋海平面升高，地球扁率变大，因而导致地球自转速度变慢。所以，每次El Nino事件几乎都发生在地球自转年际速率由加速变为减慢之后^[5-7]。

参考文献

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.