基于地球自轉變化和時變重力場研究全球氣候變化

閆昊明

（中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077）

基于地球自轉變化和時變重力場研究全球氣候變化

閆昊明

（中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077）

全球氣候變化引起大氣、海洋、陸地水、冰川等地表流體質量在地球表面的重新分布，并引起地球自轉變化和地球重力場變化。通過空間大地測量技術，可以高精度獲取地球自轉變化數據和地球重力場時變數據，反演地表流體質量在全球和區域的變化情況，揭示地表流體質量變化與全球氣候變化的關系。地球自轉變化也和厄爾尼諾、北大西洋濤動等氣候濤動密切相關，并與地表流體質量的長期變化相關。因此，利用地球自轉變化和時變重力場變化觀測數據，可以更好地研究全球氣候變化。

地球自轉變化，時變重力場，氣候變化

1 引言

近年來,全球氣溫升高、極端氣候災害頻發、臭氧層破壞、南極和格陵蘭島冰川融化、山岳冰川凍土變化等全球氣候變化現象,引起了科學界和社會界的極大關注。全球氣候變化自20世紀80年代作為一個科學問題已然出現,目前更是成為影響當今世界發展的重大問題。在全球氣候變化中,全球氣候變暖是目前最迫切的問題。

引起氣候系統變化的原因有多種,概括起來可分成自然氣候變化與人類活動影響兩大類。前者包括太陽輻射的變化、地球軌道變化、火山爆發等；后者包括人類燃燒化石燃料以及毀林引起的大氣中溫室氣體濃度的增加,硫化物氣溶膠濃度的變化,陸面覆蓋和土地利用變化等。

氣候系統所有的能量基本上來自太陽,所以太陽能量輸出的變化被認為是導致氣候變化的原因之一,也可以說太陽輻射的變化是引起氣候系統變化的外因。在非常長的時間周期上,引起太陽輻射變化的主要原因是地球軌道的變化,也被稱為米蘭科維奇周期(Milankovitch cycles),主要包括橢圓形地球軌道的偏心率(長軸與短軸之比)、地球自轉軸相對于地球軌道的傾角變化以及地球軌道的進動變化。這3種地球軌道變化引起太陽輻射變化,導致地球氣候變化,并被第四紀冰川時期的巖芯觀測數據(約50萬年)所

記錄。因地球軌道偏心率的變化,出現了以10萬年為周期的冰期變化,其對整個氣候變化的影響可以占到50%；地球自轉軸和軌道平面的夾角在22.1°～24.5°間(目前此值為23.44°,并在不斷減小)來回變化,產生了一個41000年的周期,其對整個氣候變化的影響可以占到25%；而地球軌道的進動,產生了周期約為21000年的變化,其對整個氣候變化的影響可以占到10%[1]。另一個影響氣候變化的自然因素是火山爆發。火山爆發之后,向高空噴放出大量硫化物氣溶膠和塵埃,可以到達平流層高度,它們可以顯著反射太陽輻射,從而使其下層的大氣冷卻,進而影響氣候變化。此外,人類活動引起的全球氣候變化進程加速,主要體現在二氧化碳的排放上,并引起全球變暖。全球變暖的最直接表現就是南極和格陵蘭島甚至北極的冰川迅速融化,從而引起全球海平面上升。

由于近幾十年的全球氣候變暖是目前全球氣候變化的主要特征,也是我們主要關注的問題,其時間尺度主要從季節尺度到年際和十年際尺度。全球變暖主要影響固體地球上面的大氣圈、海洋圈和冰雪圈等,引起地球各圈層之間的相互作用,從而造成全球地表流體質量的重新分布,以及全球地表流體速度場的變化,譬如風速改變、洋流改變等(圖1)。近地表流體質量的運移和分布既受全球動力過程的驅動,同時也具備反饋作用,可以用來監測和研究全球變暖,如海平面上升、陸地冰川和極地冰蓋冰雪融化、大范圍的干旱和洪災等氣候變化。對近地表流體質量的運移和分布的深入了解,在區域尺度有助于飲用水、農業用水和工業用水等水資源的規劃,保護沿海經濟發達地區的財產安全等,具有重要的社會、經濟意義。

從科學角度看,在地球這個系統中,地球各圈層的動力學過程和耦合過程是以角動量交換的模式進行的,大氣、海洋、陸地水和冰雪圈的角動量變化將引起固體地球自轉的變化,反之亦然。這既是一個典型的守恒系統,也是一個相互激發和反饋的系統。因此,當前的全球氣候變化在較短的時間尺度上(亞季節到十年際尺度)也是與地球自轉變化密切相關的。同時,由于地球各圈層的質量會在角動量交換的過程中重新分布,而全球質量重新分布將引起地球重力場的變化,因此全球氣候變化也與地球重力場變化密切相關(圖1)。

對全球氣候變化的研究,除了傳統的遙感衛星、地面觀測等方式,在空間大地測量領域,則有多種空間觀測技術,如GPS、衛星激光測距(SLR)、衛星集成的多普勒定軌和無線電定位系統(DORIS)、甚長基線干涉測量(VLBI)等,其中最引人注目的是2002年發射的“重力恢復和氣候實驗”(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)衛星。GRACE衛星通過觀測兩顆相距220km的共軌衛星直接的距離變化和加速度變化,反推地球的重力場變化,并進而可以轉化為地表流體質量的變化情況,從而實現對大尺度陸地水質量變化的監測[2]。從GRACE發射到目前的十多年時間內,借助其全球首次監測地球質量變化的手段,使得我們對全球水循環有了更加深刻的理解,并成功監測到格陵蘭島、南極、北極以及山岳冰川的時變特征,為深入理解全球海平面變化、全球水資源變化,乃至全球氣候變化,提供了獨特的空間技術手段(圖1)。

地球自轉變化,時變重力場變化與全球氣候變化緊密相關。為此,本文主要介紹了利用空間大地測量手段觀測到的地球自轉變化及時變重力場變化與全球氣候變化之間關系的相關研究成果。

2 地球自轉變化與氣候變化

地球自轉變化在地固坐標系中的變化可用3個分量來描述。前兩個是極移分量,主要描述地球自轉軸瞬時北極相對平均極軸在地球表面位置的變化, X軸指向格林威治子午線方向,Y軸指向西經90°子午線方向；另外一個分量是地球自轉速率變化,即日長變化。

圖1 全球地表質量變化與地球自轉、時變重力場和氣候濤動示意圖

對地球自轉變化的研究從19世紀開始興起,到目前已有一百多年的歷史。地球自轉變化的研究從一開始就與氣候變化和技術革命緊密相關。首先是20世紀70—80年代,新的觀測技術,如SLR、GPS、VLBI等

能夠以cm級的精度測定地球自轉和局部運動(目前已經達到了mm級精度),使得地球自轉參數的觀測精度達到了空前高度。這也促使我們思考,到底是什么引起了地球自轉變化?在不考慮潮汐影響的前提下,最初的答案認為地球自轉變化主要是全球大氣變化的結果,其他諸如海洋、陸地水、地震、火山爆發等激發源也被列入,但限于當時的科技和觀測水平,只有大氣變化對地球自轉變化的影響得到了很好的研究和認同[3]。隨著科技的進步,尤其是氣候模式的不斷進步和空間大地測量觀測技術的不斷創新,目前已經知道,在亞季節到年際尺度上,大氣、海洋、陸地水和冰川消融等氣候變化是引起地球自轉變化的主要因素。高精度的地球自轉參數變化可以很好地反映出全球的大氣、海洋、冰川、陸地水等運動結果,因而可以對這些氣候環流模式給出整體約束,并促進大氣科學、海洋科學、水文學、冰川學以及全球氣候變化的研究[4]。

2.1 極移變化與氣候變化

地表流體質量的變化(質量在地球表面重新分布)和風速、洋流變化等,都可以導致極移變化。引起極移變化的主要因素是地表流體質量的重新分布。地球上不同區域的流體質量變化,引起極移不同分量的變化。例如,經度0°和180°區域的質量重新分布(主要對應于海洋區域的質量重新分布)主要引起極移X分量的變化；而經度為90°和270°處的質量重新分布(主要對應于陸地區域的質量重新分布)主要引起極移Y分量的變化[4]。一個例子是,隨著近年來格陵蘭島和南極冰川融化的加速(接近0°或180°區域), 2005年開始,極移的長期漂移從70°W方向(接近于―Y方向)明顯轉向了X方向[5]。通過應用GRACE數據進行詳盡分析顯示,極移的這種變化與冰川消融直接聯系,因此,極移觀測可以為今后更準確地解釋早期氣候變化(此期間,缺乏全球氣候變化的實際觀測數據)提供可能。

極移變化主要包括周年項和(Chandler)項(約14個月周期),此外還包括長期極移、年際極移、十年尺度的極移和亞季節快速極移等。周年極移主要是由于大氣、海洋、陸地水和冰川的運動和質量再分布的季節性變化所激發的受迫運動；Chandler極移是地球的一種自由擺動,受到地球內外阻尼與激發因子交織一起的復雜相互作用,它的激發源目前還不清楚[6-7]；極移的長期變化可能來自第四紀冰川期后的冰后回彈[8],也與氣候快速變化相關[5]；對于極移中是否存在十年尺度的波動,目前還存在爭議,如果存在的話,其激發源可能與全球陸地水的儲量變化有關(由于目前陸地水的全球觀測數據只有GRACE觀測的大尺度數據,時長較短,只有10年左右,因此還不能很好地確定極移的十年尺度波動)；年際極移是指幾年尺度上的地極運動,主要有準兩年分量和4～6年的周期分量,在大氣角動量中不能準確解釋極移中存在的年際變化；20世紀80年代末、90年代初高精度的極移資料中發現的亞季節快速變化,大部分是大氣壓變化和風激發的結果,部分為海潮的影響[9-11]。

極移變化還與氣候濤動存在聯系,其中最可能相關的氣候濤動是北大西洋濤動。北大西洋濤動與地極運動激發序列存在著非準周期性的年際波動和十年尺度的起伏,北大西洋濤動可能是地極運動年際和十年尺度上的一種新的激發源[12-14]。最新研究顯示,由GRACE觀測的全球地表質量變化在2008年和2010年出現反相,在亞歐大陸上呈現明顯的南北振蕩,這一振蕩無疑受到了北大西洋濤動的影響,也明顯對極移產生影響。關于氣候濤動與極移變化之間的關系,還需要進一步的深入研究和探討。

2.2 日長變化與氣候變化

日長變化即地球自轉速率的變化。日長變化有極寬的頻譜,包括從幾小時到地質年代時間尺度的變化[3,15]。目前,觀測日長的精度達到了20μs/d(等價于3.6μs/月)。天文觀測中通常以相對標準日長86400s的日長偏差來表示日長變化。古生物化石生長周期、古天象觀測記載(日食、月食、掩星)、近代光學天文觀測以及現代空間天文觀測(VLBI、SLR、GPS等)資料表明,地球自轉速率是不均勻的,存在長期減速變化(日長變長)、規則性變化和不規則性變化等多種周期成分[3,16]。主要包括：

(1)海潮、固體潮和大氣潮汐都會引起地球角動量的變化,從而引起地球自轉速率的變化,最重要的是半日潮和周日潮以及長期潮[17]。

(2)在地球自轉速率變化及大氣角動量的頻譜中,都存在有近50天的準周期震蕩,其振幅變化不定,最大時可以達到幾個ms。對地球自轉速率的小波分析表明,除了近50天的周期外,在120天、75天周期附近也有頻譜變化分量[18]。氣象學研究表明,地面上許多氣象現象存在這種周期變化,其動力學原因仍有爭論。

(3)地球自轉速率的周年和半年變化,主要是由地球中緯度高空急流的變化引起的。這種高空急流的方向由西向東,與地球自轉方向一致,冬季12月和1月時風速達到最大,可達100m/s。夏季7月和

8月風速最小,此外同溫層高空風的變化還有準兩年震蕩現象[19]。

(4)地球自轉的年際變化主要與各種氣候濤動現象,如ENSO、準兩年振蕩(QBO),存在比較密切的關系[20-23]。ENSO和QBO的時變過程對日長年際變化激發具有綜合效應,二者可以解釋絕大部分的日長年際變化。其中,ENSO對日長年際變化的貢獻較強一些,ENSO和QBO是地球自轉速率年際變化的主要激發源。20世紀以來的ENSO和地極運動的相干譜研究表明,它們在不同頻段上的相關性都不夠顯著。所以,盡管ENSO對地球自轉速率的年際變化具有相當強的貢獻,但是它對地極運動的影響要弱得多。近年的研究還表明,大氣角動量與ENSO存在明顯相關性。在厄爾尼諾出現前,往往先在中高緯度出現大氣角動量增大,然后逐漸向赤道發展。

(5)地球自轉長期變化的主要原因有潮汐摩擦、冰后回彈、核幔耦合、環境和海面變化以及板塊運動等[3,16,19,24]。地球自轉速率不規則變化的最典型表現是其十年尺度波動現象和日長的長期變化。

日月潮汐引起的日長增加為2.3ms/cy,而從近三千年的古氣象(日食、月食和行星交會等)觀測記錄分析表明,日長約以1.7ms/cy的速率在增加。潮汐摩擦的結果與古氣象等觀測結果存在0.6ms/cy的差別,這個差別應該源于非潮汐現象,且最大可能是冰川均衡調整(GIA)的影響[8]。根據最新SLR得到的地球2階帶諧重力場系數可以預估到冰川均衡調整對日長變化的影響為―0.45ms/cy,這一數值使得長期地球自轉速率的變化得以大部分很好的解釋[8]。

應用地球自轉變化數據研究氣候變化的好處是,其從1846年開始就有觀測數據,且1980年以后達到了非常高的觀測精度,至今已有近200年的歷史記錄。此外,關于日月食的古代記錄、深海鉆探獲取的巖芯數據等則更加長久,從而使得我們可以研究古氣候以及近代比較長時間內的氣候變化。但應用地球自轉變化數據研究氣候變化也存在明顯不足,即地球自轉變化表征的是地球總的氣候變化對固體地球的影響,不能給出全球各個區域氣候變化的結果。這一情況在21世紀出現轉機,全球高精度高時空分辨率時變重力場的出現,在一定程度上彌補了這一不足。

3 時變重力場變化與氣候變化

重力衛星可以檢測到全球和區域的重力場時變特征,而這些時變特征是由于地球表面和地球內部的質量變化直接引起的。所以,通過衛星時變重力場反演,就可以獲取地球表面和地球內部物質的遷移,直接獲取地球區域和整體質量變化信息,從而定量研究地表流體質量變化等對氣候變化的影響。這是有別于傳統成像遙感的非成像手段,具有不可替代性。

國際上第一個時變重力衛星GRACE在2002年的成功運行,為定量獲取全球高精度時變重力場提供了有效技術手段。目前,國際上3大衛星重力數據處理核心機構(GFZ、JPL和CSR)利用GRACE觀測數據發布了完全階次為120或60、時間分辨率約1個月(或10天)的時變重力場模型序列。GRACE時變重力場已被廣泛應用于全球及局部水文循環、冰川質量變化及全球海平面變化等科學問題的研究。目前利用GRACE時變重力場模型反演質量遷移,已經成功地應用在了大尺度豐水流域的陸地水處理變化研究和比對上,如密西西比河區域地下水儲量變化結果與該區域58口地下水測井觀測數據十分吻合[25]；中國長江流域的水儲量變化,與目前全球水文模型GLDAS和CPC計算結果均吻合[26]；在中國典型區域,華北京津冀地區、青藏高原區域、三峽庫區、青川甘交界區域以及新疆阿爾金山自然保護區,重力衛星觀測的中長空間尺度陸地水儲量變化趨勢與GLDAS水文模式結果相一致[27-28]。衛星重力觀測,還更多的被應用于南北兩極及格陵蘭島冰蓋變化的研究,如Chen等[29]利用7年GRACE數據研究南極地區冰蓋消融速率,發現南極部分冰蓋存在明顯加速消融,與InSAR研究結果一致；楊元德等[30]利用GRGS提供的10天間隔數據采用位系數法估算了2002年4月—2009年4月南極地區冰蓋質量變化,結果表明南極地區的質量變化主要由西南極質量變化引起,并發現南極冰蓋可能存在加速消融趨勢等。

值得注意的是,直接由衛星重力觀測數據,譬如說GRACE的LEVEL 1B數據來解算時變重力場的時候,必須考慮地球潮汐等對衛星軌道的影響。也就是說,要想解算出準確的陸地水變化,必須把時變重力場中的地球潮汐信號首先去除。時變重力場中的潮汐信號,是由于日月等天體的引潮力引起地球內部質量分布發生變化,導致地球引力位的改變,進而對圍繞地球運轉的衛星軌道產生攝動,最終影響時變重力場。地球的潮汐信號主要為固體潮、海潮和大氣潮。研究表明,海潮對時變重力場的影響比固體潮要小5～10倍,而大氣潮影響比海潮還要小100倍[31]。因此,在GRACE衛星數據的處理中,只采用了固體潮和海潮改正,忽略了大氣潮汐的影響。對于固體潮改正,一般采用IERS給出的彈性地球的標準固體潮模型[32-35]；對于海洋潮汐,一般也是采用固定的海洋潮汐模型來扣除其影響[32-35]。地球潮汐信號主要集中在

周日和半日周期上,目前很多模型也考慮了半年和周年潮汐的影響。

在GRACE數據處理中,還需要考慮極移變化引起的極潮。極潮是由于地球瞬時旋轉軸相對于平均軸有微小變化,從而引起地球的離心力位產生變化,進而引起固體地球和海洋等對其響應,稱為極潮[36]。極潮對應于球諧二階展開系數,因此,只對二階球諧系數有顯著影響；對其他球諧系數的影響,可以忽略不計[33]。對于固體地球極潮來講,其引起的固體地球最大的垂直形變為25mm,水平形變為7mm;對于海洋極潮來講,其引起的海洋垂直形變最大為1.8mm,水平形變為0.5mm,只有固體地球極潮的1/10；但這一影響已經可以被現代空間大地測量技術檢測到,因此必須考慮[33,37]。例如,在GRACE數據初期處理時,只考慮了固體地球極潮,而沒有考慮到海洋極潮的影響,從而引起了2階球諧系數存在誤差,與地球自轉觀測數據存在差別[38]。極潮的頻段主要是Chandler周期(433天)和周年信號。

通過上述論述可以看到,時變重力場中,不僅僅包含陸地水變化信號,還包括地球潮汐,極潮,大氣、海洋乃至地球深內部質量變化的影響。地球深內部質量變化的影響一般為長周期變化,在季節和年際尺度上可以忽略。而大氣和海洋的信號與陸地水的信號周期是類似的,目前采用觀測和模擬的大氣和海洋數據來扣除。只有去除這些已知信號,才能獲得準確的陸地水變化信號,進而進行氣候變化的相關研究。

對于我國而言,氣候變化引起的水資源變化情況,必須非常重視。我國水資源的科學、合理規劃與利用,對民生和社會經濟發展,也是一個非常緊迫的問題。我國的長江、黃河、瀾滄江、怒江和雅魯藏布江等河流均發源于被稱為亞洲水塔的青藏高原地區。該地區的水資源,滋潤著東亞和南亞30億(約占世界43%)人口。近幾十年來,在全球氣候變化背景下,青藏高原山岳冰川不斷退縮,變化與遷移明顯。這一變化除了對全球氣候變化的影響外,還對該區域的區域氣候、水資源、生態環境產生了重大影響,進而制約我國的經濟和社會發展。此外,對于青藏高原區域的多個國家而言,水資源利用更是重中之重。為此,必須對該區域的水資源情況進行詳細的觀測,并掌握其變遷規律。但該區域自然條件十分惡劣,人工觀測等不具備實施條件(或非常難以實施)。因此,這一區域的水資源情況,大部分只能通過空間衛星來觀測。遙感衛星很難獲取水體質量變化信息,但可以通過先進的空間大地測量觀測技術手段,如GRACE時變重力衛星,高精度動態監測該區域地表流體質量分布和變化,并研究其質量變化和遷移規律,從而建立其與全球變化的響應關系,為我國制定氣候變化和水資源利用的長期戰略,確保國家的水資源安全、社會和經濟可持續發展,提供科學依據。

在科學的意義上,國內外學者普遍認為,青藏區域的能量和水循環過程是全球能量和水循環的主要部分之一,是全球氣候變化的重要響應區域,該區域冰水等物質的質量遷移與區域陸地水變化及地殼運動和變形、地震活動、氣候變化等密切相關。因此,定量揭示該區域冰水等物質質量遷移的時空變化特征與地球物理過程,不僅對水資源合理利用、生態環境保護及防災減災等具有重要的科學意義和應用價值,而且有助于認識全球氣候變化,并有效推動我國全球變化、水資源利用領域乃至地球系統科學的發展。

4 結論

本文從空間大地測量學的角度,主要介紹了地球自轉變化和時變重力場變化與全球氣候變化之間的聯系。指出地球自轉變化不但可以表征近期從亞季節到年際尺度的全球氣候變化特征,對于近200年乃至上萬年尺度的氣候變化,也有其獨特作用。2002年開始的GRACE時變重力衛星監測,第一次以非成像遙感的手段,監測地表流體的質量變化與遷移,尤其是可以監測到地表大尺度的陸地水、冰川消融等近年區域氣候變化的重要特征,為研究全球氣候變化提供了新的技術手段。

全球氣候變化是目前科學界和大眾都十分關心的問題,與人類的發展息息相關。只有綜合多種科技手段,展開廣泛的多學科合作,才可能對這一問題進行更加深入的研究和理解,也才能提出更合理的應對方法。

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Global Climate Change Detected from Earth’s Rotation and Time-Variable Gravity Field

Yan Haoming
(State Key Laboratory of Geodesy and Earth’s Dynamics, Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077)

The geophysical fl uids, such as the atmosphere, the ocean, the land-water and the ice-sheet etc. are constantly changing on the Earth’s surface, under the condition of global climate change. These geophysical fl uid changes cause the variations of the Earth’s rotation and the Earth’s gravity fi eld. Using the space-geodesy techniques, we can acquire high precision variation data of the Earth’s rotation and the Earth’s gravity fi eld, and then invert the geophysical fl uid changes in the Earth’s surface to explore the relationship between either the Earth’s rotation or the Earth’s gravity fi elds and the global climate change. Otherwise, the Earth’s rotation variations are correlated with the climate oscillation, such as El Ni?o, North Atlantic Oscillation, and also correlated with the long-term change of geophysical fl uid changes on the Earth’s surface. Thus, observing variation data from the Earth’s rotation and the Earth’s gravity fi elds, will help us have a deeper understanding of the global climate change.

Earth’s rotation, time-variable gravity fi eld, global climate change

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.03.003

2013年11月20日；

2014年4月3日

閆昊明（1974— ）， Email：yhm@whigg.ac.cn

資助信息：國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB957802）；國家自然科學基金資助項目（41174065，41374087）