.2003文章編號(hào)：(2003)大氣角動(dòng)量平衡研究進(jìn)展周春華，(南京氣象學(xué)院大氣科學(xué)系，江蘇南京)分析了20世紀(jì)80年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外研究大氣角動(dòng)量平衡的一些代表著作。總結(jié)了地氣系統(tǒng)中角動(dòng)量交換和角動(dòng)量輸送及其與山脈和摩擦扭矩異常、地轉(zhuǎn)異常、ENSO等關(guān)系的研究成果。指出了一些應(yīng)深入研究的方向。重點(diǎn)研究角動(dòng)量平衡與輸送；大氣角動(dòng)量變化；山脈扭矩與摩擦扭矩； ENSO 在經(jīng)典的大氣環(huán)流研究中，大氣角動(dòng)量平衡的主要研究目的是闡明大氣環(huán)流中的緯向平均西風(fēng)環(huán)流（記為[20世紀(jì)50年代，人們對(duì)??地氣系統(tǒng)中角動(dòng)量的交換、平衡、輸送及其物理機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，這些工作為氣候緯向環(huán)流的維持和季節(jié)變化提供了合理的解釋。大氣角動(dòng)量平衡涉及山脈扭矩（山脈緯向氣壓差引起的軸向扭矩）、摩擦扭矩（地-氣或海-氣界面上緯向摩擦應(yīng)力引起的軸向扭矩）以及大氣環(huán)流本身對(duì)大氣角動(dòng)量的垂直和極向輸送。固體地球、大氣和海洋作為一個(gè)封閉系統(tǒng)，總角動(dòng)量守恒。基于此，當(dāng)維持角動(dòng)量平衡的三個(gè)要素（山脈扭矩、摩擦扭矩和角動(dòng)量輸送）中任何一個(gè)出現(xiàn)異常時(shí)，都會(huì)伴隨異常緯向風(fēng)帶和地轉(zhuǎn)異常，進(jìn)一步影響大氣和海洋活動(dòng)。
大氣角動(dòng)量平衡與變化反映了大氣活動(dòng)與固體地球和海洋在各個(gè)空間和時(shí)間尺度上的耦合過(guò)程。為此，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，科學(xué)家們更加重視大氣角動(dòng)量變化的研究，包括山脈的季節(jié)變化、年際變化和多年變化以及摩擦扭矩、角動(dòng)量及其輸送，并將其與晝長(zhǎng)變化（LOD:）、厄爾尼諾現(xiàn)象和南方濤動(dòng)（ENSO）等地球、海洋和大氣現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)。本文綜述了角動(dòng)量平衡方面的一些代表性研究，重點(diǎn)介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在大氣角動(dòng)量平衡與變化及其與大氣、海洋活動(dòng)和地球自轉(zhuǎn)關(guān)系方面的研究進(jìn)展，以期從中得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題研究角動(dòng)量的意義，更好地服務(wù)于未來(lái)的理論研究。地球-大氣系統(tǒng)固體地球、大氣和海洋作為一個(gè)封閉系統(tǒng)的角動(dòng)量交換和角動(dòng)量輸送，總角動(dòng)量守恒。 但由于海洋數(shù)據(jù)的限制以及洋流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，計(jì)算海洋的角動(dòng)量十分困難。因此，以往許多研究工作主要集中于地氣系統(tǒng)的角動(dòng)量交換，即將地球與大氣看作一個(gè)角動(dòng)量守恒的封閉系統(tǒng)。地球與大氣之間的角動(dòng)量交換通過(guò)兩種方式進(jìn)行：通過(guò)山脈東西兩側(cè)的氣壓差（山脈扭矩）和通過(guò)地面摩擦應(yīng)力（摩擦扭矩）。
葉篤正等人計(jì)算發(fā)現(xiàn)，山脈的作用在地氣系統(tǒng)的角動(dòng)量交換中起著十分重要的作用，其作用量級(jí)與摩擦力相當(dāng)。在中緯度地區(qū)，山脈的作用把大氣的角動(dòng)量傳遞給地球；在亞熱帶和高緯度地區(qū)，山脈的作用把地球的角動(dòng)量傳遞給大氣。葉篤正等人發(fā)現(xiàn)，西風(fēng)帶大氣損失角動(dòng)量，而東風(fēng)帶大氣獲得角動(dòng)量。要維持東風(fēng)帶和西風(fēng)帶，大氣內(nèi)部必須有角動(dòng)量輸送，包括水平輸送和垂直輸送。最早??指出了角動(dòng)量水平輸送的必要性，并正確地找到了輸送機(jī)制。葉篤正等人進(jìn)行了一系列研究，指出了大渦和平均經(jīng)向環(huán)流（Adley環(huán)流）在角動(dòng)量輸送中的重要作用。 吳國(guó)雄等人于1988年又指出，平均經(jīng)向環(huán)流對(duì)角動(dòng)量平衡有重要作用。由于不同風(fēng)帶、不同緯度帶角動(dòng)量輻合和發(fā)散的差異，角動(dòng)量的南北輸送十分重要。北半球夏季環(huán)流上升支所在半球的越赤道角動(dòng)量通量相當(dāng)大，幾乎等于跨30N的極向通量；北半球跨60N的南向通量即為跨30N的極向通量。他指出，相對(duì)角動(dòng)量異常的向極傳播發(fā)生在所有緯度，其中亞熱帶和高緯度地區(qū)的傳播速度大于中緯度地區(qū)。 他還指出，在亞熱帶和中緯度地區(qū)，相對(duì)角動(dòng)量異常向極地傳播，主要是由于高頻瞬變渦旋角動(dòng)量通量的匯聚所致；在高緯度地區(qū)，則主要是由于低頻渦旋角動(dòng)量通量的匯聚所致。
在北半球冬季，定常渦旋與瞬變渦旋相互作用產(chǎn)生的渦旋角動(dòng)量通量的輻合，對(duì)相對(duì)角動(dòng)量向極地傳播也有一定的影響。山脈與摩擦扭矩變化及其對(duì)大氣角動(dòng)量變化的影響大氣角動(dòng)量具有季節(jié)變化、半年變化、年內(nèi)變化、年際變化和年代際變化等多種時(shí)間尺度的變化。指出北半球熱帶和溫帶地區(qū)摩擦扭矩的季節(jié)變化大于南半球，且冬季最強(qiáng)；山脈扭矩也有季節(jié)變化，在北半球溫帶地區(qū)，春季和夏季山脈扭矩相對(duì)最重要；在兩個(gè)半球的熱帶地區(qū)，山脈扭矩的季節(jié)變化均大于摩擦扭矩。 對(duì)1958—1963年O10S～80N地區(qū)的大尺度山脈矩進(jìn)行了逐月計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其氣候平均值在30N以南呈現(xiàn)強(qiáng)烈的年周期，在緯度地區(qū)呈現(xiàn)半年周期。山脈矩的年均值的年際變化不大，而月均值的年際變化較大。北半球的山脈矩在夏季使西風(fēng)環(huán)流減慢，在冬季使西風(fēng)環(huán)流加速。對(duì)摩擦矩也進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)與山脈矩的作用相同，且量級(jí)相當(dāng)。因此，在北半球，兩種矩在夏季都起到大氣角動(dòng)量匯的作用。在研究澳大利亞冬季白晝長(zhǎng)度的變化時(shí)指出，摩擦（山脈）矩異常主要來(lái)自澳大利亞及其周圍的海域（安第斯山脈）。 作為地氣系統(tǒng)角動(dòng)量交換的兩種方式，山脈矩和摩擦矩在大氣角動(dòng)量變化中起著怎樣的作用呢？1983年中期，首次利用GA計(jì)算了落基山脈、安第斯山脈和青藏高原的山??脈矩，測(cè)量了它們對(duì)日長(zhǎng)和大氣角動(dòng)量異常的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)落基山脈的矩異常大，與大氣角動(dòng)量和日長(zhǎng)的快速增加相一致。
各山脈的扭矩并不相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)中緯度山脈(落基山脈、喜馬拉雅山脈、安第斯山脈)的扭矩對(duì)大氣角動(dòng)量高頻(14568 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào))的影響比地帶性和極地地區(qū)的山脈扭矩和摩擦扭矩小得多。Ponte數(shù)據(jù)分析了山脈扭矩和摩擦扭矩的時(shí)間演變，探討了1982-1983年事件期間角動(dòng)量異常的機(jī)制。1982年上半年及以前角動(dòng)量基本為正，但1983年的前兩周，角動(dòng)量異常增加了一倍，這種急劇增加主要與歐亞大陸和美洲的山脈扭矩異常有關(guān)。角動(dòng)量異常在2月份達(dá)到峰值，隨后幾個(gè)月緩慢恢復(fù)正常。摩擦扭矩異常對(duì)本次角動(dòng)量的減小起了主要作用，尤其是在北非亞熱帶地區(qū)。 大氣角動(dòng)量與ENSO等熱帶活動(dòng)的關(guān)系 大氣角動(dòng)量與ENSO事件的關(guān)系 20世紀(jì)80年代，人們開始逐漸注意到大氣角動(dòng)量異常與ENSO事件之間的緊密聯(lián)系。Rosen發(fā)現(xiàn)，在事件即將達(dá)到最強(qiáng)時(shí)研究角動(dòng)量的意義，赤道東風(fēng)角動(dòng)量最小，而北半球西風(fēng)角動(dòng)量形成一個(gè)大值中心，從而導(dǎo)致角動(dòng)量出現(xiàn)前所未有的高值，導(dǎo)致ENSO異常。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，1962—1985年間白晝長(zhǎng)度的年際變化與南方濤動(dòng)指數(shù)之間存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。對(duì)14個(gè)全球相對(duì)角動(dòng)量進(jìn)行了篩選，剔除了年尺度以下的變化，發(fā)現(xiàn)相對(duì)角動(dòng)量與南方濤動(dòng)指數(shù)以及大氣角動(dòng)量的年際變化都具有與ENSO相似的結(jié)構(gòu)。 可以從日照長(zhǎng)度和大氣角動(dòng)量數(shù)據(jù)中檢測(cè)到1997-1998年厄爾尼諾現(xiàn)象和1998-1999年厄爾尼諾事件的信號(hào)。
羅森還指出，ENSO與大氣角動(dòng)量低頻信號(hào)有著密切的聯(lián)系。大氣角動(dòng)量與ENSO事件關(guān)系的物理機(jī)制。ick分析了1963—1973年的相對(duì)角動(dòng)量振蕩和熱帶氣溫(或海溫)振蕩，發(fā)現(xiàn)熱帶氣溫(海溫)在同一時(shí)期也表現(xiàn)出類似的變化，變化幅度為10個(gè)周期。分析表明，利用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)近似和靜校正，月平均風(fēng)(溫)是垂直平均，緯度平均，因此熱帶溫度的變化足以引起角動(dòng)量相應(yīng)的變化。羅森對(duì)此提出了自己的想法，他們認(rèn)為ENSO事件引起了熱帶太平洋大氣質(zhì)量的重新分配，表現(xiàn)在南方濤動(dòng)指數(shù)在1983年8月達(dá)到最小值，即達(dá)爾文島氣壓較高，南半球氣壓較低。 亞洲東部的偏高氣壓和美洲西部的偏低氣壓在某種意義上似乎形成了一個(gè)“山型”扭矩，加速了大氣的運(yùn)動(dòng)，而減緩了地球的運(yùn)動(dòng)。異常角動(dòng)量從地球傳遞到大氣，其動(dòng)力機(jī)制就在于這個(gè)扭矩。宋國(guó)宣等。木衛(wèi)一事件期間，中太平洋低緯度地區(qū)低層大氣由向西流動(dòng)轉(zhuǎn)為向東運(yùn)動(dòng)，大氣獲得了與地球自轉(zhuǎn)方向一致的角動(dòng)量。同時(shí)，由于信風(fēng)減弱，海洋上表層由東向西的洋流運(yùn)動(dòng)也減弱了，隨著時(shí)間的推移，洋流開始向東流動(dòng)，太平洋洋流也獲得了與地球自轉(zhuǎn)方向一致的角動(dòng)量。
這樣，大氣和洋流獲得角動(dòng)量，而固體地球則失去角動(dòng)量。研究了地面與大氣之間的角動(dòng)量交換與ENSO循環(huán)。認(rèn)為地面-大氣系統(tǒng)的角動(dòng)量交換通過(guò)地面-大氣(海-氣)界面的摩擦扭矩和山脈扭矩與ENSO有關(guān)。太平洋發(fā)生的ENSO循環(huán)是太平洋盆地固海氣相互作用的體現(xiàn)現(xiàn)象。大氣角動(dòng)量年際變化的極地傳播與ENSO事件分析了1976—1991年大氣角動(dòng)量隨緯度的分布特征，揭示了全球大氣角動(dòng)量向極地傳播與ENSO循環(huán)。