极移年际变化中调谐信号与ICW的探测及相关物理机制研究

The variation of polar motion (PM) is still a very sophisticated question. The interannual variation characteristics and quantitative detection of the harmonic signals in PM series on the interannual scales have still not been well studied up to now. A ~8 year periodic signal seems to be existing in the observed PM series, but there are still uncertain questions that whether this signal does exist, what the physical mechanism of it is, and how about its quantitative feature is, etc. In addition, whether the Chandler wobble of inner core (i.e., ICW) signal can be detected in the observed PM series requires further investigation. Unlike the previous works of detecting the interannual PM signals,i.e., the fast Fourier transformation (FFT) and the traditional wavelet transformation, this project will combine the normal Morlet wavelet transformation (NMWT) method with the traditional wavelet filtering approach to quantitatively detect the target harmonic signals on the interannual scale, further identify these signals’ decaying information, and estimate their quality factor Q values. Another work of this porject is to simulate the potential mechanism responsible for above signals isolated by NMWT by using the inner core wobble excitation function model and further to judge the rationality. Through this project, we want to make it clear what the interannual harmonic components in the PM data are and what their decaying information is, and hope to make an important step in the quantitative detection of ICW signal.

极移即为地极位置的移动，它的变化非常复杂。目前国际上对极移中的年际变化特征及调谐(harmonic)信号的定量探测研究存在不足，有研究表明极移观测序列中存在约8年周期的年际变化信号，然而该信号是否真实存在及其物理机制是什么，或其定量特征如何，还不清楚；另外，理论预言的内核Chandler摆动(即ICW)信号能否从极移观测数据中探测到，还有待进一步研究。与前人探测极移年际信号常用的方法（即快速Fourier变换FFT或传统小波变换）不同，本项目拟利用标准Morlet小波变换(NMWT)方法与传统小波滤波技术相结合定量探测极移年际尺度上的调谐信号，并进一步估计信号的衰减特性，即Q值；另一方面，利用内核摆动激发函数模型模拟该信号产生的可能机制并判断其合理性。通过本项目研究，我们期望能搞清楚极移年际变化中存在的调谐信号成分及其衰减信息，并在定量探测ICW信号方面迈出重要一步。

地球深内部（即数千公里深）的地核（包括液态外核和固体内核）运动、地磁场变化等重要物理信息对理解地球并进而推广到对其它类地行星的研究至关重要，然而这些重要信息无法从地表或空间直接观测。幸运的是，这些信息可由亚年代尺度（即5~10年）地球自转（包含极移和日长）的变化很好的体现，然而，国际上对这一频段的地球自转变化精细时变特征及相关物理机制的认识还不清楚。.项目的主要研究成果如下：.（1）成功分离并提取地球自转速率（日长）亚十年变化信号，发现日长亚十年变化频段除了存在~6年周期信号之外，还存在~8.6年以及~7年周期信号（较弱）成分；探测到~8.6年信号的能量增强现象，更重要的是，发现日长~8.6年信号与地磁急变的发生存在密切联系，该发现表明日长~8.6年信号产生的物理本质很可能与液核表面的磁流体波有关。为进一步理解日长~8.6年信号的起源、地磁急变起源以及通过地球自转变化来预测未来地磁急变的发生提供了一种新的思路和可能手段。该项研究成果发表于Nature子刊. .（2）在前期研究工作（发表于EPSL）的基础上，进一步严格求解了电磁耦合作用下的MICG耦合振荡方程，探讨了内核-地幔的强阻尼振荡解，进一步完善“部分液核强耦合于内核的理论模型”，此外，还进一步导出了电磁耦合影响下的MICG耦合模式的理论品质因子Q值公式，该项成果发表于国际著名地学期刊《JGR:Solid Earth》; .（3）利用NMWT方法在时-频域分离地球自由震荡本征模态信号(0S0和0S5)。NMWT谱也清晰地显示0S5模式信号在大地震发生之后的t ~ 9×103 min消失殆尽，因为0S5模式信号的衰减系数远大于0S0 模。利用这一特性，我们可以分离0S0模和0S5模时域信号，并进一步在时域内（而非传统的频域）估计它们各自的参数（即，本征频率f0, 初始振幅A0以及品质因子Q值。本文得到的0S5模式时域信号的变化特征可由0S5模自身的分裂解释。该项成果发表于国际知名SCI期刊《PEPI》。