自然变化真奇妙潮汐组合早知道

                    ——气温变化、雾霾和地震的18.6年周期

                               杨学祥，杨冬红

                                  (吉林大学)

摘要：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。受日月引潮力的影响，地球自转也有明显的13.6天、0.5年和18.6年周期，与地球赤道和地球轨道面（黄道面）的夹角，即黄赤交角有关，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。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。由此引起的潮汐南北震荡对气温变化、气候变化、冷空气活动、雾霾、地震有重要的影响。

关键词：月亮赤纬角，黄赤交角，潮汐南北震荡，18.6 年周期，13.6天周期

一、地球的章动及其原因

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（见图1）。

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"，是黄赤交角造成的。

图1 日月引潮力产生的地球章动（网上资料）

二、日月引力对地球自转的影响

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（见图2）。

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。

图2  黄道面、白道面和天球（网上资料）

图2 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。

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。

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。

表1 物质密度、潮汐振幅和日长变化

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（见表1）。

图3 地球在冬至时太阳潮南北震荡

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

地球潮汐形变引起的地球自转速度变化，是中短期地球自转变化的主要原因。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%，日长增量0.07ms，这使地球自转具有一年的变化周期。太阳相对地球在南北回归线之间的摆动，使地球扁率在秋分和春分变为最大，自转速度最慢，日长增量0.27ms。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。计算表明，由于气圈、水圈和固体地球扁率变化不同，所以产生不同圈层的差异旋转。月亮赤纬角最大值变化的18.6年周期增强或减弱这一效应。

表2  地球自转变化的长周期与天文周期的关系

注：带*号者为作者计算得出。

三、旱涝灾害的18.6年周期

蓝永超根据代表黄河上游流域径流动态变化的唐乃亥水文站1920年至2004年的径流系列统计资料得出结论，黄河上游每个丰、枯水周期平均持续时间基本相同，一个完整的丰枯循环周期大约在十八年左右。18年是日月食的沙罗周期，18.6年也是典型的潮汐周期，月亮轨道与地球赤道之间的夹角称为月亮赤纬角，最大值为28.6°，最小值为18.6°，变化周期为18.6年。

郭增建等人在1991年提出月亮潮迫使地球放气的观点，当月亮赤纬角最小时，它的直下点远离中国主大陆，所以在主大陆引起的地壳鼓起就小，因之地下放出的携热水汽就少，这样就不易诱使热带气团与高纬冷气团在中国大陆上相碰，因之雨量减少，会形成干旱，历史上，月亮赤纬角最小时的1941-1943年（河南大旱）、1959-1960年（山西大旱）、1977-1978年(山西、长江中下游大旱)、1995-1997年（华北、辽宁、吉林等地连续4-5年大旱）中国北方都发生了大旱；月亮赤纬角最大时的1932年（松花江大水）、1933年和1935年（黄河特大水）、1951年（辽河大水）、1969年（松花江大水）、1986年（辽河大水）中国北方都发生了大水。

在澳大利亚气象学家E. 布赖恩特编著的《气候过程和气候变化》中，有关气候现象循环的记录75项，与潮汐周期相同的有66项，占88%，表明潮汐是影响气候现象循环的主要因素。其中，有5项的周期为18.6年，1项的周期为19年（见表3）。

表3 气候现象循环的18.6年周期

三、全球地震的18.6年周期

胡辉和杜品仁分别指出地震存在18.6年周期。杨冬红和杨学祥指出，全球8级以上地震存在9年和18.6年周期。

图4  1895-1977年8级以上地震的9年和19年周期

图5（a, b)1850-2012年全球5级以上地震能量-时间序列小波变换图及其准周期分析图；（c, d) 1850-2012年全球7级以上地震能量-时间序列小波变换图及其准周期分析图

解朝娣等人采用1850—2012年期间USGS全球M≥5.0地震目录资料,构成全球地震能量-时间序列,进行小波变换和准周期分析.结果表明,全球地震能量释放的时间序列存在9年、19年和45年的3个准周期,其中,45年准周期最为突出.结合起潮力周期的物理背景,对长周期潮汐起潮力与地震能量释放准周期的关系进行了探讨,没有发现全球地震活动的能量释放与潮汐短周期相关的准周期。

全球地震的9年和19周期得到证实。这两个周期就是18.6年周期及其半周期。45年周期也是9年周期的倍周期。

五、全球气温的18.6年周期

2014年，全球平均气温为14.6℃，比20世纪的平均水平高出0.69℃，成为1880年有记录以来的最暖年。2015年又突破了这一纪录。我们在2008年撰文指出，2014-2016年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡有利于气温相对升高，我们将迎来最热年新纪录。2014-2016年月亮赤纬角最小值使2014年和2015年成为1880年以来有气象记录的最热年，验证了我们在2008年的预测。我们在2014年撰文指出，全球气温变化存在18.6年变化周期。

1.      全球气温变化的18.6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和全球气温变化的18.6年周期。

在极大值时期，月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值），高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，潮汐南北震荡的振幅为57.2度，大气和海洋的潮汐南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面，降低气温，导致全球气候变冷。

在极小值时期，月亮在南（北）纬18.6度（月亮赤纬角极大值），高潮区在12小时后从南（北）纬18.6度向北（南）纬18.6度震荡一次，潮汐南北震荡的振幅只有37.2度，比极大值时期的潮汐南北震荡振幅减少三分之一，导致海洋和大气变冷程度减弱

这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动。

我们在2008年指出，1998年是最热的年份，1997-1998年20世纪最强的厄尔尼诺事件和1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是主要原因。自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡、1998年6月至2000年8月的强拉尼娜事件（1999年全球强震频发）和2004-2007年印尼苏门答腊3次8.5级以上地震是主要原因。下一次月亮赤纬角最小值2014-2016年产生的弱潮汐南北震荡有利于气温相对升高和中国北方的干旱；而2009-2018年特大地震集中爆发却可能使气温下降。

我们在2014年撰文指出，强潮汐把海洋深处的冷水带到海面，使全球气候变冷，形成的全球气候波动周期为1800、200、55、18.6年。在15-17世纪小冰期时期，潮汐强度为最大值，以后开始减弱，直到3100年潮汐强度又将达到最大值。潮汐调温效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪，而后随着潮汐的增强，地球的气候将逐渐变冷。从长期周期来看，全球变暖还能持续400年，3100年将进入变冷高峰。16年前气候变暖间断的原因之一是月亮赤纬角由1995-1997年的最小值时期变为2005-2007年的最大值时期（1997年最强的厄尔尼诺事件，1998-2000年、2007年、2010年最强的拉尼娜事件也是重要原因，见：杨冬红等，2008），2014-2016年月亮赤纬角最小值时期变暖增强，2023-2025年月亮赤纬角最大值时期变冷达到高潮。气候的长期趋势和短期变化都表明，气候变冷是对人类最大的威胁。

2.      青藏高原气温变化的18.6年周期

刘国华等人基于青藏高原五道梁气象站1957-2012年56年的温度、降水和湿度数据,利用M-K检验、Morlet小波分析进行非参数检验,以诊断其变化趋势,同时利用R/S分析法预测未来一段时间内气候变化趋势.结果表明:过去的56年间,青藏高原五道梁地区气温、降水变化呈上升趋势,湿度变化呈下降趋势,其趋势自20世纪80年代初以来逐渐增强.在长时间序列中,温度呈现30年/18～19年/10年/5年变化周期,降水呈现20～30年/14年/8～9年变化周期,湿度呈现30年/5年/15年变化周期.未来气候变化预测显示,气温将延续过去的变化有持续升高趋势,降水变化与过去一致呈上升趋势,但趋势将有所减缓,未来湿度变化呈下降趋势（见表4）.

表4 青藏高原五道梁气象站1957-2012年56年的气温、降水、湿度变化周期

表5 1947-1999年拉马德雷现象与月亮赤纬角的叠加对气温变化影响

注：？表示预测，厄尔尼诺和拉尼娜来自赵得秀教授的预测。

表6 2000-2052年拉马德雷现象与月亮赤纬角的叠加对气温变化影响

注：？表示预测，厄尔尼诺和拉尼娜来自赵得秀教授的预测。

    图6 1890-2014年全球气温、拉马德雷、厄尔尼诺、拉尼娜关系对比

六、中国雾霾的18.6年周期

雾霾天气的出现主要受两个条件的影响：一是大气颗粒物浓度，二是气象条件

2013年1月中国雾霾高发，我们研究发现雾霾的频发和清除与两种特殊的潮汐组合类型相关，这种相关性在2013年12月和2014年1月又重复出现。这与吴兑等根据1951-2005年中国大陆霾的时空分布特征研究得出同样的结论，对中国大陆而言，12月、1月霾天气日数明显偏多，这两个月霾日数的总和达到了全年的30%；9月霾天气日数最少，约占全年的5%。这一研究结果与潮汐类型的划分完全一致。2013年的中国雾霾首发在1月，并于12月进入高潮。

2014-2016年月亮赤纬角最小值导致2013年雾霾高发，并将在今后三年持续高发。52年前，1959-1960年月亮赤纬角最小值导致前一周期的雾霾高发。上述初步的研究结果表明，利用不同的潮汐变化组合规律研究雾霾的集聚和扩散规律是完全可行的。

参考文献

1．  杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(2): 610-615.

2．  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

3．  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.

4．  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.

5．  杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

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