自然災害的周期研究及其成因探討

楊冬紅,楊學祥

(1.吉林大學 古生物學與地層學研究中心,吉林 長春130026;2.吉林大學東北亞生物演化與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林長春130026;3.吉林大學 地球探測科學與技術學院,吉林 長春130026)

1 地球的章動及其原因

章動是在行星或陀螺儀的自轉運動中，軸在進動中的一種輕微不規(guī)則運動，使自轉軸在方向的改變中出現(xiàn)如“點頭”般的搖晃現(xiàn)象（圖1）。

圖1 日月引潮力產(chǎn)生的地球章動

行星的章動來自于潮汐力所引起的進動，使得歲差的速度不是常數(shù)，而會隨著時間改變。這種現(xiàn)象是英國的天文學家詹姆斯·布拉德利在1728年發(fā)現(xiàn)的，但直到20 a后才得到解釋。

在地球，潮汐力主要來自太陽和月球，兩者持續(xù)的改變彼此間相對的位置，造成的地球自轉軸的章動。地球章動最大分量的周期是18.6 a，與月球軌道交點的進動周期相同，然而，在更精確的計算中還有其他值得注意的周期項目需要被加入。

章動的主要項目來自于月球交點的退行，兩者有相同的周期，都是6798 d（18.6 a），在黃道上的黃經(jīng)章動分量是17.24″，垂直于黃道的斜章動是9.21″。另一個較明顯的周期是183 d（0.5 a），章動分量分別是1.3″和0.6″，是黃赤交角造成的。

2 日月引力對地球自轉的影響

受日月引潮力的影響，地球自轉也有明顯的0.5 a和18.6 a周期。前者與地球赤道和地球軌道面（黃道面）的夾角，即黃赤交角有關，后者與地球赤道面和月球軌道面（白道面）的夾角，即白赤交角（亦稱為月亮赤緯角）有關。

冬至時太陽光直射南回歸線，白天太陽潮在南回歸線達到最高潮，夜間太陽潮在南回歸線達到最低潮，地球自轉造成太陽高潮在南北回歸線之間南北擺動，地球扁率也相應變小，導致地球自轉加速，夏至也有類似變化。相反，在春分和秋分，太陽在赤道，太陽潮南北擺動消失，地球扁率變?yōu)樽畲螅厍蜃赞D速度變?yōu)樽钚　?8.6 a周期的月亮赤緯角變化對這一過程起到增強或減弱作用，不同年份有所不同。

實際上，每年4月9日-7月28日（110 d）及11月18日-1月23日（66 d）為地球自轉加速階段；1月25日-4月 7日（72 d）及 7月 30日-11月 6日（109 d）為地球自轉減速階段。以此形成地球自轉的0.5 a周期。

月亮赤緯角極大值在18.6°-28.6°變化，從而導致地球自轉變化的18.6 a周期。

黃道面和白道面赤道面的夾角分別為23.5°和28.6°，它們之間的夾角約為 5°。

應用三軸橢球殼轉動慣量計算公式的計算結果表明，地球各圈層潮汐形變的規(guī)模不相同，大氣圈的起伏約為465 m，海洋圈的起伏大約為0.60 m，固體地球的起伏約為0.20 m，比例為2326：3：1，速度增量比也為 2326：3：1?？梢詫Ρ鹊氖牵諝?、水、地殼的密度比為 3：1：0.00129,是 2326：3：1 的倒數(shù)。 當太陽的位置由南北回歸線移向赤道，巖石圈的日長增量dT=0.00027 s,海洋圈的日長增量為0.00081 s，大氣圈的日長增量為0.628 s（表1）。大氣潮振幅是海洋潮振幅的775倍，這是平流層高速氣流產(chǎn)生的原因，即洶涌的大氣潮是海洋潮規(guī)模的近800倍[1]。

表1 物質(zhì)密度、潮汐振幅和日長變化

3 旱澇災害的18.6 a周期

在澳大利亞氣象學家E.布賴恩特編著的《氣候過程和氣候變化》中，有關氣候現(xiàn)象循環(huán)的記錄75項，與潮汐周期相同的有66項，占88%，表明潮汐是影響氣候現(xiàn)象循環(huán)的主要因素。其中，有5項的周期為 18.6 a，1 項的周期為 19 a[2]。

4 全球地震的18.6 a周期

胡輝和杜品仁分別指出地震存在18.6 a周期。楊冬紅和楊學祥[3]指出，全球8級以上地震存在9 a和18.6 a周期。

解朝娣等人采用1850—2012年期間USGS全球M≥5.0地震目錄資料,構成全球地震能量-時間序列,進行小波變換和準周期分析。結果表明(圖2),全球地震能量釋放的時間序列存在9 a、19 a和45 a的3個準周期,其中,45 a準周期最為突出。結合起潮力周期的物理背景,對長周期潮汐起潮力與地震能量釋放準周期的關系進行了探討,沒有發(fā)現(xiàn)全球地震活動的能量釋放與潮汐短周期相關的準周期[4]。

圖2 1895-1977年8級以上地震的9 a和19 a周期[4]

全球地震的9 a和19 a周期得到證實。這兩個周期就是18.6 a周期及其半周期。45 a周期也是9 a周期的倍周期。

5 全球氣溫的18.6 a周期

2014年，全球平均氣溫為14.6℃，比20世紀的平均水平高出0.69℃，成為1880年有記錄以來的最暖年。2015年又突破了這一紀錄。我們在2008年撰文指出，2014-2016年月亮赤緯角最小值產(chǎn)生的弱潮汐南北震蕩有利于氣溫相對升高，將迎來最熱年新紀錄。2014-2016年月亮赤緯角最小值使2014年和2015年成為1880年以來有氣象記錄的最熱年，驗證了在2008年的預測。在2014年的撰文指出，全球氣溫變化存在18.6 a變化周期[3-5]。

5.1 全球氣溫變化的18.6 a周期的成因

月亮赤緯角極大值在18.6°-28.6°變化，從而導致地球自轉變化和全球氣溫變化的18.6 a周期。

在極大值時期，月亮在南（北）緯28.6°（月亮赤緯角最大值），高潮區(qū)在12 h后從南（北）緯28.6°向北（南）緯28.6°震蕩一次，潮汐南北震蕩的振幅為57.2°，大氣和海洋的潮汐南北震蕩將產(chǎn)生巨大的能量交換并攪動深海冷水上翻到海洋表面，降低氣溫，導致全球氣候變冷[3-5]。

5.2 青藏高原氣溫變化的18.6 a周期

劉國華等人基于青藏高原五道梁氣象站1957-2012年56 a的溫度、降水和濕度數(shù)據(jù),利用M-K檢驗、Morlet小波分析進行非參數(shù)檢驗,以診斷其變化趨勢,同時利用R/S分析法預測未來一段時間內(nèi)氣候變化趨勢,結果表明：過去的56 a間,青藏高原五道梁地區(qū)氣溫、降水變化呈上升趨勢,濕度變化呈下降趨勢,其趨勢自20世紀80年代初以來逐漸增強。在長時間序列中,溫度呈現(xiàn)30 a/18-19 a/10 a/5 a變化周期,降水呈現(xiàn)20-30 a/14 a/8-9 a變化周期,濕度呈現(xiàn)30 a/5 a/15 a變化周期。未來氣候變化預測顯示,氣溫將延續(xù)過去的變化有持續(xù)升高趨勢,降水變化與過去一致呈上升趨勢,但趨勢將有所減緩,未來濕度變化呈下降趨勢（表 2）[6]。

表2 青藏高原五道梁氣象站1957-2012年56 a的氣溫、降水、濕度變化周期

6 中國霧霾的18.6 a周期

霧霾天氣的出現(xiàn)主要受兩個條件的影響：一是大氣顆粒物濃度，二是氣象條件。

2013年1月中國霧霾高發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)霧霾的頻發(fā)和清除與兩種特殊的潮汐組合類型相關，這種相關性在2013年12月和2014年1月又重復出現(xiàn)。這與吳兌等根據(jù)1951-2005年中國大陸霾的時空分布特征研究得出同樣的結論，對中國大陸而言，12月、1月霾天氣日數(shù)明顯偏多，這兩個月霾日數(shù)的總和達到了全年的30%；9月霾天氣日數(shù)最少，約占全年的5%。這一研究結果與潮汐類型的劃分完全一致。2013年的中國霧霾首發(fā)在1月，并于12月進入高潮。

2014-2016年月亮赤緯角最小值導致2013年霧霾高發(fā)，并將在今后三年持續(xù)高發(fā)。52 a前，1959-1960年月亮赤緯角最小值導致前一周期的霧霾高發(fā)。上述初步的研究結果表明，利用不同的潮汐變化組合規(guī)律研究霧霾的集聚和擴散規(guī)律是完全可行的[7-8]。

7 氣溫變化、霧霾、地震和拉尼娜指數(shù)的13.6 d周期

李國慶發(fā)現(xiàn)月亮赤緯角變化周期13.6 d、27.3 d與地球自轉速度變化有明顯的對應關系并影響天氣變化[9]。

2008年以來，我們一直在進行潮汐組合對氣候影響的檢驗對比工作，部分對比結果發(fā)表在2011年第4期的《地球物理學報》[10]。

理論研究結果表明，在2014-2016年月亮赤緯角最小值時期，氣候變暖、強震頻發(fā)、地球自轉變慢、中國霧霾高發(fā)和嚴重旱災高發(fā)。

詳細的霧霾、氣溫、海溫、地震的13.6 d周期對比數(shù)據(jù)可在科學網(wǎng)查找。

13.6 d和18.6 a月亮赤緯角變化周期與地球自轉速度變化有明顯的對應關系并影響地球固體潮、海洋潮和大氣潮，對應地震活動、海溫變化和大氣渦旋的形成（如颶風和臺風）[11-12]。

[1]楊冬紅，楊德彬.日食誘發(fā)厄爾尼諾現(xiàn)象的熱-動力機制[J].世界地質(zhì),2010，29（4）：652-657.

[2]E.布賴恩特.氣候過程和氣候變化[M].北京：科學出版社，2004：1，18，19，109,122，130，158.

[3]楊冬紅，楊學祥.全球變暖減速與郭增建的“海震調(diào)溫假說”[J].地球物理學進展,2008,23(6)：1813-1818.[4]解朝娣，吳小平，雷興林，等.長周期潮汐與全球地震能量釋放[J].地球物理學報,2013，56（10）：3425-3433.

[5]楊冬紅,楊學祥.北半球冰蓋融化與北半球低溫暴雪的相關性 [J].地球物理學進展,2014,29(2)：610-615.

[6]劉國華，王一博，高澤永，等.1957-2012年青藏高原五道梁盆地氣候變化趨勢分析[J].蘭州大學學報(自然科學版),2014 50（3）：410-416.

[7].楊學祥，楊冬紅.2014年1-2月潮汐組合與霧霾對應的檢驗。2014天災預測學術研討會議論文集[C].2014，224-237，萬方數(shù)據(jù)庫.

[8]楊學祥，楊冬紅.2014-2016年月亮赤緯角最小值時期霧霾進入高發(fā)期。2013天災預測總結研討學術會議論文集[J].2013，萬方數(shù)據(jù)庫.

[9]Li Guoqing.27.3-day and 13.6-day atmospheric tide and lunar forcing on atmospheric circulation[J].Adv.Atmos.Sci.2005,22：359-374.

[10]楊冬紅，楊德彬，楊學祥.地震和潮汐對氣候波動變化的影響[J].地球物理學報,2011，54（4）：926-934.

[11]楊冬紅,楊學祥.地球自轉速度變化規(guī)律的研究和計算模型[J].地球物理學進展,2013，28（1）：58-70.

[12]楊學祥，楊冬紅.2013年中國霧霾高發(fā)的氣象原因初探[J].科學家,2014,(3)：90-91.