大氣角動量的研究進展

石文靜楊萍肖子牛

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 南京信息工程大學大氣科學學院，南京 210044）

大氣角動量的研究進展

石文靜1,2楊萍1肖子牛1,2

（1 中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2 南京信息工程大學大氣科學學院，南京 210044）

地球系統由固體地球、大氣和海洋等流體層組成。在自轉的地球上相對于地球表面運動的空氣，因受到摩擦和山脈的作用，與轉動地球之間產生轉動力矩，即為大氣角動量（Atmospheric angular momentum，AAM）。早期有關AAM的研究主要用于解釋大氣環流中信風和盛行西風得以維持的原因，而近些年來研究者更注重研究AAM的變化問題，包括山脈和摩擦力矩、角動量及其輸送的季節、年際和年代際等多時間尺度的變化問題，并將其與日長（Long of day，LOD）變化、厄爾尼諾和南方濤動等地球、海洋和大氣現象聯系起來。作為一個描述大氣環流的基本變量，AAM的平衡和異常反映了大氣活動與固體地球、海洋在多時空尺度上的耦合過程。比如，大氣的季節性質量重新分布（大氣壓）和運動（緯向風）的驅動（也就意味著AAM發生了變化）可導致LOD隨之發生相應的季節性變化；從角動量守恒的角度來講，當大氣自西向東的角動量增加時，固體地球的角動量必然減小，地球自轉速度減慢，LOD增大，反之亦然。因此，AAM的研究一直以來都受到氣象學家、天文學家和地球科學家等的青睞。主要總結了20世紀80年代以來在地氣系統角動量交換和平衡、AAM的變化及其與大氣、海洋活動、地球自轉的聯系等方面的相關研究進展，并指出了當前研究中所存在的一些問題，為未來的科學研究提供參考。

大氣角動量，收支平衡，ENSO，研究進展

1 引言

早期的大氣角動量(atmospheric angular momentum,AAM)作為研究大氣環流的主要工具之一而被人們熟知,它將大氣與地球相聯系,用以闡明大氣環流中的機制問題。以Ferrel[1]于1856 年引進一個在他以前不為任何氣象工作者所認識的“新”的力(即科氏力的南北分量)為界,在這之前,人們更多

地認為大氣在運動中是角速度在守恒,而沒有認識到角動量這個概念。早在17世紀30年代,Hadley在絕對速度而不是絕對角動量守恒的假設下就得出結論：如果一空氣質點開始流向赤道時沒有向東或向西的相對運動,由于低緯地區地球向東運動得快,要保持質點的絕對速度,在到達較低緯度時質點就會具有相對于地球的向西運動。但他發現,當空氣向南運動了很大一段距離后所應有的向西的風速要比實際觀測到的大得多。這里明顯的一個錯誤就是在沒有東西向力存在的情況下,向赤道或極地運動的空氣不保持其絕對速度,而保持其絕對角動量。之后,Thomson[2]和Oberbeck[3]等氣象學家在研究大氣環流圖案時,陸續開始關注了角動量平衡的問題。直到1926年, Jeffreys[4]在研究氣旋的作用時,才真正把角動量的觀念應用起來。

由于地球自轉,相對地球表面運動的空氣受到摩擦和山脈作用,與轉動地球之間產生轉動力矩(即角動量)。因而,繞地軸旋轉的單位質量空氣的絕對角動量可表示為[5]：

式中,相對角動量Mr=aucosφ, 地球角動量MΩ=a2Ωcos2φ, u為空氣的緯向風速,Ω為地球自轉角速度,a是地球半徑,φ是緯度。

單位體積氣塊的絕對角動量的個別變化又取決于沿緯圈的壓力差(由于山脈作用產生的壓力矩)和摩擦力矩：

山脈力矩的物理意義又是怎樣的呢?比如,在西風帶的某一緯圈上有一座山,在西風氣流的作用下,山脈西側迎風坡處氣壓值比東側背風坡處氣壓值高(即存在向東的氣壓梯度力),氣壓力矩將使地球加速向東轉動,因而大氣損耗了西風角動量,絕對AAM將減弱。對于摩擦力矩,東風的情況下,Fλ＞0,摩擦力矩是正的,使得絕對AAM增加。

長期以來,地球表面上不停環繞地球做相對運動的東西風帶平均而言維持不變的事實,說明在沒有外力矩和不考慮海洋的作用下,地球和大氣閉合系統中絕對角動量是守恒的。到20世紀50年代,有關地氣系統角動量交換和平衡及其物理機制等問題已出現大量研究[6-9]。對角動量平衡的研究經常涉及到山脈力矩、摩擦力矩以及大氣自身對大氣內部角動量的水平和垂直輸送[6,9]。早在20世紀60年代,Bjerknes[10]就把太平洋上發生的增溫現象看成是大尺度海氣相互作用的結果。到20世紀80年代初,Stefanick[11]發現AAM的年際變化與南方濤動聯系密切,同時,研究者還發現了AAM的季節和季節內變化及其與一些季節內氣候振蕩的可能聯系。從此,這一領域逐漸得到重視。隨著觀測儀器和觀測手段的進步,長時間序列觀測資料的獲取成為可能,近些年研究者又開始致力于探索AAM的年代際變化及其與年代際氣候振蕩的聯系,包括其內在的物理機制等問題。

在討論地氣系統絕對角動量平衡時,必須要清楚大氣與地球之間的角動量交換,這可以由兩種方式得到：一種是通過計算大氣與地球之間的摩擦應力得到,另一種是間接地由晝夜長度年變化來計算。可見,AAM和地球日長(length of day,LOD)變化之間也存在密不可分的聯系。20世紀80年代以來,研究者對AAM的變化與LOD的聯系給予了很多關注,最具有代表性的就是Langley等[12]給出了AAM變化與LOD變化之間的定量關系。

本文基于對已有關于AAM研究的回顧,從角動量平衡(包括大氣內部角動量輸送、摩擦力矩、山脈力矩)、AAM的變化(包括季節和季節內、年際、年代際甚至更長周期的變化)及其與大氣、海洋活動、地球自轉的聯系等幾個方面,梳理了近期國內外在該領域的研究成果,為更好地開展該領域的研究工作提供一定的參考。

2 角動量交換及收支平衡

2.1 角動量輸送

眾所周知,大氣在東風帶通過摩擦和山脈作用獲得地球給予的西風角動量,在西風帶里又通過摩擦和山脈的作用失去得到的西風角動量。長期以來,東風帶并沒有因獲得西風角動量而使東風減弱,西風帶也沒有因失去西風角動量而使西風減弱,為維持東西風帶,全球范圍內的AAM必須是守恒的,這就意味著大氣內部必須有角動量的輸送,包括水平輸送和垂直輸送[5]。

大氣內部角動量的水平輸送主要包括平均經圈環流、定常渦旋以及瞬變渦旋的相對AAM輸送[5]。通過計算大氣內部角動量水平輸送的各項,可以發現與瞬變渦旋相比,定常渦旋和平均經圈環流導致的AAM水平輸送的總垂直積分值要小很多,尤其是北半球夏季,這說明AAM的水平輸送主要依賴于瞬變渦旋來完成。瞬變渦旋對AAM輸送的峰值不論冬、夏季還是南、北半球均出現在30°緯度附近。然而,冬季低緯

度平均經圈環流對AAM的輸送比較顯著,這說明冬季低緯地區Hadley環流很重要。

要維持大氣內部角動量守恒,除了角動量水平輸送以外,必須有垂直輸送的協同才能完成[5]。由于最大的AAM水平輸送出現在對流層上部,而AAM的源匯分布在地面,與地表風帶的分布一致,因此熱帶東風帶里就有向上的AAM輸送,中高緯西風帶里就有向下的AAM輸送,從而維持整個大氣內部角動量的平衡[13]。

20世紀20年代,Jeffreys[4]就指出地球和大氣之間存在系統的角動量交換,強調了角動量水平輸送的必要性及輸送機制。葉篤正等[6]進一步指出AAM通過大氣環流槽脊的南北輸送保持絕對角動量守恒。Starr[14]闡述了大氣中大型渦旋對角動量輸送的重要作用。葉篤正等[15]認為經圈環流對AAM的輸送作用也很重要,在中高緯度地區大型渦旋是角動量的主要輸送者,而在低緯度地區經圈環流的作用將大大增加。吳國雄等[16]也贊同平均經圈環流對AAM平衡有重要作用的觀點。

Feldstein[17]對季節內尺度上相對AAM的向極傳播現象做了深入研究,指出相對AAM的向極傳播現象在兩半球冬、夏季均存在。與中緯度相比,副熱帶和高緯度的向極傳播更快、更均一,并指出高緯度相對AAM的向赤道傳播發生在向極傳播之后。通過研究AAM的收支平衡,他還發現相對AAM的變化主要取決于渦旋角動量通量散度和摩擦力矩,而摩擦力矩主要起到削弱相對AAM的作用。在副熱帶和中緯度地區,相對AAM的向極傳播受到高頻渦旋(＜10d)角動量通量散度的影響；而在高緯度地區,相對AAM的傳播主要受到高低頻交叉渦旋和低頻(＞10d)渦旋角動量通量散度之和的影響。相對AAM首先受到高頻瞬變渦旋的反饋作用,向極傳播并不斷加強,一旦相對AAM獲得最大振幅,就轉換成受到高低頻交叉渦旋和低頻渦旋共同的反饋作用,加之摩擦力矩的作用,導致相對AAM衰減。此外,他還指出,副熱帶和中緯度相對AAM的向極傳播主要受到高頻瞬變渦旋角動量輻合的作用,而高緯度則是高低頻交叉渦旋和低頻瞬變渦旋角動量輻合的作用。然而,對于北半球冬季而言,由定常渦旋和瞬變渦旋相互作用而導致的渦旋角動量通量的異常對相對AAM向極傳播的變化也有一定影響。James等[18]則認為相對AAM的向極傳播很可能以類似平流層爆發性增溫的方式導致波—流相互作用。Huang等[19]的研究則表明在年際變化尺度上,熱帶地區角動量的向極傳播將熱帶和極區的氣候變化聯系起來,這種角動量的向極傳播和一些氣候振蕩(比如ENSO、PNA、NAO、AO、AAO和PSA等)的聯系密切。

2.2 山脈力矩、摩擦力矩的作用

摩擦和山脈力矩是地球和大氣之間角動量交換的兩種主要途徑,它的變化和異常在AAM交換中起著重要作用。早在1950年左右,摩擦和山脈力矩在地氣系統角動量交換中的相對作用及與一些天氣尺度系統的關系等研究已經得以重視和開展。

在氣候態平均上,摩擦力矩主要來自南、北緯60°以內地區,極區摩擦力矩很小。具體而言,兩半球中低緯度(南北緯30°以內)地區多為正值,表明低緯度地區大氣通過摩擦力矩獲得地球給予的角動量；中高緯度(南北緯30°—60°)地區摩擦力矩為負值,表明大氣通過摩擦力矩失去角動量。中低緯度和中高緯度地區摩擦力矩于半球冬季達到極值,中心分別位于15°和45°附近；而夏季最小。北半球山脈力矩主要集中在60°N以南,南半球山脈力矩主要集中在35°S以北。30°—43°N、0°—11°S、15°S和30°S附近山脈力矩常年為正,即大氣通過山脈力矩獲得角動量。22°—30°N及15°S南北兩側山脈力矩常年為負,即大氣通過山脈力矩失去角動量。由于地形的復雜性,山脈力矩的季節變化比摩擦力矩復雜。

早期研究中,White[8]認為摩擦力矩和山脈力矩的貢獻相當。Oort等[20]通過計算1958年5月—1963年4月10°S—80°N范圍內的大型山脈力矩的逐月數據,發現山脈力矩的年際變化非常顯著,尤其是冬半年。他還強調對于整個北半球而言,山脈力矩和摩擦力矩同等重要,兩個力矩均是夏季為角動量匯,冬季為角動量源。Swinbank[21]則持不同觀點,認為兩者的相對重要性取決于時間尺度,在不同的時間尺度上兩者的貢獻有所不同。基于包含地形和邊界層方案的UKMO大氣環流模式(GCM),Swinbank[21]計算了全球摩擦力矩和山脈力矩的逐日資料,對數據分析發現山脈力矩是全球AAM短周期變化的主要貢獻者。在AAM年際變化尺度上,山脈力矩的作用相對更為重要,AAM的變化與太平洋上大氣質量相對固體地球的再分布(ENSO)息息相關[10,22]。而在年代際變化尺度上,摩擦力矩的貢獻顯著[23]。Iskenderian等[24]通過高頻濾波處理,發現中緯度山脈(落基山、喜馬拉雅山、安第斯山)力矩對AAM的高頻振蕩(＜14d)貢獻很大,而熱帶和極區山脈力矩、摩擦力矩對這一高頻振蕩的作用要小很多。Weickmann[25]認為在季節內尺度上,全球山脈力矩和摩擦力矩有顯著超前滯后相關,摩擦力矩超前于山脈力矩。這種關系說明了兩種基本

反饋機制,即山脈力矩觸發全球AAM發生變化,而摩擦力矩抑制這種變化；摩擦力矩的變化與中緯度海平面氣壓的變化相聯系,繼而影響山脈力矩異常。

山脈、摩擦力矩與天氣系統的變化關系在近十多年研究較多。王亞非等[26]對1998年5—6月喜馬拉雅山AAM收支與東亞天氣尺度系統變化的聯系進行了考察,發現喜馬拉雅山山脈、摩擦力矩與梅雨鋒區700hPa高度場均有顯著相關,且這種相關存在6d左右的周期。山脈力矩與梅雨鋒區高度場有較高的同時和滯后6d的正相關；而摩擦力矩與梅雨鋒區的高度場有提前3d和滯后3～6d的顯著正相關,這說明喜馬拉雅山摩擦力矩可能影響著其下游的一個6d左右的天氣尺度系統擾動,而下游的這種擾動很可能影響山脈力矩的大小,也就是說假設當東亞區域西風氣流加大時導致了負摩擦力矩加大,從而使得相對AAM減少,3d后在梅雨區域上會出現低壓系統增強。這種增強使得喜馬拉雅山山脈力矩有負增長,導致相對AAM繼續減少,而這種負增長很可能再導致西風氣流的加強,造成負摩擦力矩增強。如果沒有正角動量的平流輸送,這種正反饋效應可能會導致梅雨鋒附近的低壓持續增強。Egger等[27]研究指出,當北大西洋系統東移經過地中海地區的群山時,該地區的山脈力矩會發生相應變化,進而影響經過山脈的氣流的角動量。對于東移的大尺度系統(系統的水平尺度大于山脈),當系統等壓線呈西南—東北走向時,這種作用主要體現在山脈力矩的緯向分量上；當系統等壓線呈西北—東南走向時,這種作用主要體現在山脈力矩的經向分量上。在這種系統氣壓場上的配置下,由于山脈作用,將產生低層(4000m以下)氣壓場上的扭曲,使得經過山脈的氣流的角動量減少。這種低層氣壓場上的扭曲與阿爾卑斯山山脈力矩有滯后t≤0d(t為滯后時間)的正相關,與小亞細亞山脈力矩有滯后-2d＜t＜d天的正相關,與阿特拉斯山脈力矩只存在同期相關。Czarnetzki[28]也曾指出落基山山脈力矩、摩擦力矩與落基山東面的天氣尺度氣旋活動相關密切。

此外,山脈力矩(喜馬拉雅山、落基山)的變化和ENSO及大氣的低頻振蕩(AO、NAO、PNA)也有著密不可分的關系[29-30]。

3 AAM的變化與ENSO等熱帶活動的聯系

實際大氣的變化主要體現在相對AAM的變化上,對AAM的研究多涉及到相對AAM。20世紀80年代,人們開始注意到ENSO與AAM的密切聯系。強的厄爾尼諾(1982—1993年,1997—1998年)發生時,AAM和LOD均出現極大值[31]。Stefanick[11]在研究1963—1973年AAM的年際變化及南方濤動時指出,厄爾尼諾事件發生時,南方濤動指數(SOI)達到負的極大值,在西太平洋存在正的氣壓異常,東太平洋存在負的氣壓異常,從而導致正的向東的氣壓梯度異常,使得東風減弱,相對AAM增加。錢維宏等[32]研究表明地氣系統中的角動量交換是通過地氣(或海氣)界面上的摩擦力矩、山脈力矩來同ENSO相聯系的,地球自轉速率、赤道東太平洋海溫、不同緯帶及全球AAM之間存在著協同變化關系。Dickey等[33]在分析1997—1998年強ENSO事件對地氣系統角動量交換的影響時,指出相對AAM存在自赤道向高緯的向極傳播現象,這種向極傳播在低頻(4.7a)和準兩年(2.4a)周期上最為顯著。del Rio等[34]的研究也曾揭示,AAM準兩年振蕩(QBO)可分為平流層的向下傳播和對流層的向上傳播,當兩種QBO信號處于同位相時,就會產生強的厄爾尼諾現象(比如1982—1983年,1997—1998年)。AAM 3～4年的周期振蕩僅存在對流層自下而上的傳播型,在這一時間尺度上,相對AAM不僅存在赤道的向極傳播,還有極地的向赤道傳播。相對AAM的向赤道傳播對ENSO也有一定影響,比如在1982—1983年和1972—1973年的厄爾尼諾事件發生時,相對AAM出現向赤道傳播。在年際變化上,相對AAM顯著的向極傳播與ENSO息息相關[35]。Chen等[36]探索了年際變化尺度上,引起相對AAM向極傳播的原因。他指出ENSO冷位相期間,西風異常出現在熱帶或者較高緯度,全球相對AAM異常達到最小值；相反,ENSO暖事件期間,副熱帶地區出現西風異常,全球相對AAM異常達到最大值,角動量的向極傳播就是由這種冷、暖事件過渡期間異常環流的突變所引起的。

Paek等[37]借助于CMIP3和CMIP5模式分析了AAM (包括MΩ和Mr)的百年際和多年代際變化趨勢。他在研究中指出,AAM的變化趨勢主要由相對AAM貢獻,在20世紀和21世紀,AAM均存在顯著增加趨勢,但是21世紀的增加趨勢明顯強于20世紀,導致AAM增加的誘因是溫室氣體。在多年代際時間尺度上,相對AAM的變化趨勢并不顯著,由此,溫室氣體對AAM多年代際上的影響并不顯著。del Rio等[38]利用20世紀139年(1870—2008年)的再分析資料研究了AAM的長時間尺度(20a以上周期成分)的變化特征。他的研究表明1950—1985年期間全球AAM有增加趨勢, 20世紀80年代中期以后開始減弱。在年際至十年時間尺度上(25a以下),AAM與ENSO之間存在很高的

相關性,而在更長時間尺度上(30～50a,甚至80a以上),AAM可能對LOD的變化起一定作用。30～50a的時間尺度上,AAM與PDO同步變化,更長時間尺度上(80a以上)AAM滯后于PDO、ENSO。Yang等[39]在對比研究全球、熱帶、副熱帶AAM的變化特征時,發現在AAM從熱帶向副熱帶傳播的過程中存在一個2a左右的循環周期：當熱帶AAM增加時,在隨后的10個月伴隨副熱帶AAM亦增加；而當副熱帶AAM增加時,會伴隨隨后的4～14個月熱帶AAM的減少。這種AAM從熱帶到副熱帶的傳播活動在ENSO事件發生時表現的尤為顯著,比如1982—1983、1997—1998年的厄爾尼諾事件,對應強的熱帶AAM的向副熱帶傳播。

3.2 AAM的季節內振蕩與熱帶對流

全球AAM的季節內振蕩主要通過兩種方式來激發,一種是副熱帶山脈力矩,另一種是熱帶對流活動[39]。Dickey等[40]發現在40d左右時間尺度上,熱帶外AAM有向赤道傳播的現象,并通過對比研究中緯度和熱帶AAM季節內振蕩的可能的不同激發源,認為熱帶地區50d振蕩與MJ波的對流驅動有關聯,而熱帶外40d振蕩與非緯向流和地形的相互作用有關。Marcus等[41]也表示北半球熱帶外地區的AAM存在40d振蕩,這種振蕩由山脈力矩及其與緯向對稱環流的相互作用所激發。AAM與熱帶地區40～50d振蕩(MJO)活動的聯系也很密切。20世紀80年代初期,Langley等[12]就發現LOD和全球AAM均存在50d左右的振蕩。Anderson等[42]將這種AAM季節內尺度的變化與MJO聯系起來,分析了緯向平均緯向風的向極和向下傳播。他表示當緯向平均緯向風到達副熱帶時,全球AAM達到峰值。Madden[43]的研究則表明當MJO對流異常減弱至日界線附近時,全球AAM增至最大值。Weickmann等[44]運用全球尺度的風場和OLR資料研究了熱帶MJO中的AAM循環,指出AAM輸送對AAM-MJO關系而言是很重要的,AAM-MJO聯系的媒介在于熱帶對流加熱所激發的行星羅斯貝波與環境氣流緯向變化、山脈力矩的相互作用。Gutzler等[45]普查了熱帶緯向風、總AAM、LOD及赤道附近海平面之間的關系,發現它們均存在季節內振蕩。熱帶AAM和緯向平均u風與西太平洋(此處的MJO信號很強)對流層上層緯向風40～50d的振蕩的關系很弱,但是與對流層低層的關系很強。與MJO相聯系的太平洋表面風應力振蕩是動量累積進入和耗散離開大氣的主要媒介。

4 AAM與LOD 的聯系

LOD的長周期變化源自于潮汐能量耗散和核幔電磁耦合,而其年際時間尺度上(周年、半年及高頻的飛潮汐變化)可歸因于地球、大氣和海洋之間的角動量交換。LOD變化與AAM變化之間存在定量關系：△LOD=1.68×10-26△M[12]。

Rosen等[46]基于1976—1981年緯向風資料,通過譜分析分析了相對AAM和觀測的固體地球的旋轉速率的時間序列,結果發現AAM和LOD均有明顯的年循環及年以下信號,在周年及以下周期上,AAM在LOD的變化中起到很重要的驅動作用。彭公炳[47]也表示地球自轉角速度的季節變化與全球相對AAM以及兩半球間的大氣溫差有密切聯系,當兩半球溫差加大時,AAM減小,相應地地轉角速度加快,反之亦然。鄭大偉等[48]分析LOD、赤道海溫和AAM之間的相關關系時發現,AAM的年際變化超前于LOD和ENSO 2～3個月,由此他認為地球自轉的年際變化和厄爾尼諾事件可能是固體地球和海洋各自對大氣環流變異的響應。周永宏等[49]運用小波轉換等方法研究了1970年1月—1999年6月期間LOD變化序列、AAM和南方濤動指數的關系,結果表明LOD變化和AAM的年際變化與ENSO具有相似的時變譜結構,從LOD變化和AAM資料中可以檢測到1997—1998年厄爾尼諾和1998—1999年拉尼娜事件的信號。Gross[50]則認為在年代際或更長的時間尺度上,由于幔核角動量的交換逐漸占據主導地位, AAM與LOD之間的同時相關性逐漸消失。楊虎等[51]將表征地球自轉速度變化的日長( LOD) 數據分解為多個尺度的波動,包括以13.6d、27.3d、0.5a、1a為周期的波動以及年際變化和年代際變化。通過對LOD 與相對AAM 的小波相干分析證明,地球自轉速度變化中40d～5a周期(包括0.5a、1a、年際變化)的波動主要受AAM的變化激發,且二者在1～5a尺度的變化相位一致。Yang等[39]研究指出相對AAM與LOD的關系存在多時間尺度變化特征。在去掉LOD線性趨勢之前,全球和熱帶AAM與LOD的相關沒有通過信度檢驗,而在去掉LOD趨勢之后,全球和熱帶AAM與LOD表現出顯著的正相關(相關系數分別為0.365、0.396),超過了95%的信度檢驗。這說明在短時間(年際)尺度上,AAM與LOD有顯著正相關；但在長時間尺度上,二者不存在顯著相關性；但在副熱帶具有不同的表現,去趨勢之前相關顯著,去趨勢之后相關大大減少。

5 結束語

不難發現,在過去的幾十年里,人們對AAM的應用研究越來越廣泛,包括研究相對AAM及其輸送、摩擦和山脈力矩的多時間尺度變化特征,并將這些變化與ENSO、QBO及地球日長等的變化聯系起來,來揭示大氣、海洋活動與固體地球之間的耦合過程,以期

望更好理解地球動力學系統中角動量的交換過程。因此,對這一領域的研究具有很重要的科學意義和價值。

一方面,隨著觀測儀器、研究手段以及多學科交叉知識的不斷發展,使AAM的應用研究得到廣泛而深入的發展,已取得豐富的研究成果,主要有以下幾方面進展：對地氣系統角動量交換及角動量輸送過程的理解已形成一個比較完整和系統性的理論框架：固體地球、大氣和海洋作為一個封閉系統,其總的角動量守恒,當大氣自西向東的角動量增加時,固體地球的角動量必然減小,反之亦然,這種交換過程通常是通過摩擦和山脈力矩來完成的；對AAM與ENSO聯系的物理機制亦有較為統一的認識：通常來講,在El Ni?o事件期間,中太平洋低緯地區的低層大氣由向西流動轉為向東運動,大氣得到了與地球自轉同向的角動量。同時,由于信風減弱,海洋上表面層洋流的自東向西運動也減弱,并且,隨著時間的推移,洋流開始向東流動,太平洋中的洋流也得到了一個與地球自轉方向一致的角動量。這樣,大氣和洋流獲得角動量,固體地球則失去角動量,從而也導致了日長的增加；在AAM與地球自轉變化之間的關系方面也已有突破性進展：在不同時間尺度上二者的因果關系存在較大差異,年際尺度上引起地球自轉異常的激發源來自大氣和海洋的作用,包括相對AAM的變化以及反映海氣相互作用的ENSO,而長時間尺度上(年代際甚至更長)引起地球自轉異常的激發源主要是核幔耦合機制。

另一方面,由于資料所限或其他原因,還有很多基本問題仍未解決,如：(1)對AAM的變化規律尤其是輸送方面的研究還不夠深入和系統,對其變化機理以及對大氣環流異常的影響過程尚不十分清楚；(2)對山脈和摩擦力矩精確地定量計算還存在一定的困難,這給地氣系統角動量的交換和角動量輸送過程的準確理解帶來一定的局限性；(3)如何建立全球大氣、海洋和固體地球耦合的綜合模式,通過考慮山脈力矩和摩擦力矩的作用來揭示地球動力學系統中角動量交換的過程還不是很清楚；(4)從AAM的視角去分析氣候異常和氣候變化的研究工作依然亟待加強。這些因素均影響著對AAM更加全面而深入的認識,還需要通過更多深入和細致的研究來推動該領域的發展。

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會議信息

◆衛星土壤濕度驗證和應用學術會(Satellite soil moisture validation & application workshop),2014年7月10—11日,阿姆斯特丹,荷蘭(http://www.hydrology- amsterdam.nl/ SoilMoistureWS_Adam14/Home.html)

◆第7屆全球能量和水循環國際科學大會(The 7th International Scientific Conference on the Global Energy and Water Cycle), 2014年7月14—17日,海牙,荷蘭(http://gewex.org/2014conf/ info.html)

◆第7屆青年學者地學會議(VII GeoSymposium of Young Researchers),2014年9月17—19日,日維茨,波蘭(http:// geosymp.wnoz.us.edu.pl/index.html)

◆EUMETSAT氣象衛星年會(The annual EUMETSAT Meteorological Satellite Conference),2014年9月22—26日,日內瓦,瑞士(https://www.eumetsat.int/website/home /News/ ConferencesandEvents/DAT_2076129.html)

◆氣候研究和天基地球觀測：決策所需的氣候信息(Climate Research and Earth Observations from Space: Climate Information for Decision Making),2014年10月13—17日,達姆施塔特,德國(https://www.eumetsat.int/)

◆測高技術前沿(New frontiers of altimetry),2014年10月27—31日,康斯坦茨湖,德國(http://www.ostst-altimetry-2014. com/)

◆第3屆國際ENSO會議(III International Conference on ENSO),2014年11月12—14日,瓜亞基爾,厄瓜多爾(http://www.ciifen-int.org)

◆第2屆國際海洋研究大會(2nd International Ocean Research Conference),2014年11月17—21日,巴塞羅那,西班牙(http://www.iocunesco-oneplanetoneocean.fnob.org/)

◆第7界IPWG會議(7th IPWG Workshop),2014年11月17—21日,筑波,日本(http://www.isac.cnr.it/～ipwg/meetings/ tsukuba-2014/Tsukuba2014.html)

◆聯合國降低災害風險世界大會(UN World Conference on Disaster Risk Reduction),2015年3月14—18日,仙臺,日本(http://www.wcdrr.org/)

Progress in Studies on the Atmospheric Angular Momentum

Shi Wenjing1,2, Yang Ping1, Xiao Ziniu1,2
(1 China Meteorological Administration (CMA) Training Centre, Beijing 100081 2 Department of Atmospheric Science, Nanjing University of Information Science & Technology (NUIST), Nanjing 210044)

The earth system is composed of solid Earth, Atmosphere, Oceans and other fl uid layers. On the Earth, the atmospheric angular momentum (AAM) is produced between the Earth and the air moving on its surface due to the friction and the mountains. Early studies on AAM are mainly used to explain why the trade winds and the prevailing westerlies maintain in the atmospheric circulation, but recently scientists have paid more attention to researches on the variation of AAM, including mountains and friction torque, angular momentum and its transportation variations on seasonal, interannual, decadal and multi-time scales, and connected these variations with length of day (LOD), ENSO and other Earth, Atmosphere and Oceans activities. As a basic variable to describe the atmospheric circulation, the balance of AAM and its anomalies ref l ects the coupling process between solid Earth, Atmosphere and Oceans on multi-temporal and spatial scales, for example, the seasonal atmospheric mass redistribution (atmospheric pressure) and the driven atmospheric motion (zonal wind) (which means AAM changes) can cause LOD seasonal changes. From the perspective of the law of the angular momentum conservation, when the AAM increases, the angular momentum of the solid Earth inevitably decreases with the Earth's rotation speed slowing down and LOD increases, and vice versa. Therefore, the research on AAM has always been favored by meteorologists, astronomers and Earth scientists. This paper mainly summarizes the research progress about the exchange of momentum in the Earth-Atmosphere system and its balance, the AAM’s changes and its relation to the Atmosphere, Ocean activities, and Earth's rotation since the 1980s, and points out some problems existing in current researches in order to provide

for future studies.

atmospheric angular momentum (AAM), budget and equilibrium, ENSO, research progress

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.002

2013年12月12日；

2014年4月22日

石文靜（1986—），Email: shiwenjing_005@163.com

肖子牛（1965—），Email: xiaozn@cma.gov.cn

資助信息：國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB957804）；國家自然科學基金資助項目（41375069，41175051）；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃（CXZZ13_0517）