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地球自转运动不仅表征地球系统的整体运动状态,而且反映了固体地球与大气和海洋等流体圈层在多种时空尺度上的复杂作用过程。将固体地球与其周围的流体圈层视为一个近似封闭的动力学系统,则整个地球系统的总角动量守恒,系统内某一圈层的角动量的变化都可能导致其它圈层的角动量发生变化。近三十年来的研究表明,大气可以解释绝大部分的地球自转速率变化(或日长变化),但是,全球大气激发与观测到的地极运动(简称为极移)激发仍然存在一定的差异。
海洋是除大气之外对地球自转变化最重要的激发源。目前海洋对地球自转激发的研究主要体现在全球尺度上,本论文将利用高精度的地球自转观测资料和现代海洋环流模式,首次系统地研究区域性海洋(太平洋、大西洋和印度洋)在亚季节性到年际时间尺度上对极移激发的贡献。
在季节性时间尺度上,本文作者利用ECCO(Estimating the Circulation and Climateof the Ocean)海洋环流模式资料,综合研究了太平洋、大西洋和印度洋对地球自转周年极移激发的贡献。结果表明,由于不同的地理位置和形态,各大洋对周年极移激发的贡献不同。大西洋由于特殊的地理位置和形态,其极移激发函数的X分量最小;而对于极移激发函数的Y分量,各大洋均有一定的贡献。
通过研究太平洋、印度洋和大西洋对Chandler摆动激发的贡献,本文作者发现:三大洋对Chandler摆动激发的贡献各不相同,太平洋激发能量约占观测激发能量的22.2%,在三大洋中最高,印度洋约占12.7%,大西洋最低,占7.1%左右。太平洋对Chandler摆动的激发能量可能受1982-1983年强ENSO事件的影响而显著提高。
在亚季节性和年际尺度上研究太平洋、印度洋和大西洋对极移的激发后发现:ECCO同化模型的结果要优于ECCO模拟模型,在亚季节性时间尺度上,各大洋对极移的激发受数据时段差别的影响较小,印度洋对扣除大气效应后极移(非大气极移)激发的贡献最大;在年际尺度上,受时段影响较大,太平洋对极移激发的贡献最大;本文作者进一步采用小波变换方法,具体考察了海洋对极移激发在亚季节性和年际尺度上的频谱分布情况,结果表明,海洋对亚季节性极移激发的频谱主要分布在60-90天,130-150天和256天左右的频率范围,对年际极移激发的频谱则主要分布在准两年和3-7年频率范围。
另外,本论文还研究了全球海平面变化和海平面non-steric变化对地球自转激发的贡献。本文作者利用AVISO(Archiving Validation and Interpretation of SatelliteOceanographic data)全球海平面高度异常数据,计算得到1992年10月至2007年1月间全球海平面的平均上升速度约为2.8±0.2mm/year;在全球海平面上升的总趋势下,存在部分海区的海平面下降的现象;通过比较非温盐效应引起的全球海平面变化和ECCO海洋质量项对极移的激发后发现,虽然二者存在一定的差异,例如,非温盐效应引起的海平面变化对周年极移的激发在X方向优于ECCO海洋质量项激发,在Y方向则不及ECCO海洋质量项激发,但是它们在总体形态上基本一致。