地球和火星自转变化的大气激发研究

Researches on atmospheric excitations of the Earth and Mars' rotational variations (polar motion, change of rotational rate or length-of-day change) are key research subjects of the astro-geodynamics and planetary rotational dynamics. These researches will be helpful to further our understandings of the overall motion laws of the Earth and Mars, and reveal the interactive processes between the solid envelope and the surficial atmospheric envelope. On the basis of the observational Earth and Mars' rotational series and the output data of the global atmospheric circulation models, we will compute the excitation functions and torques (pressure torque, gravitational torque and friction torque) exerted on the solid Earth by the global atmosphere, investigate comprehensively the global atmospheric contributions on the sub-daily Earth rotation change, and diurnal/semidiurnal and seasonal Mars' rotational variation, explore the global dust storm signals in the Mars' rotational rate change and polar motion. The presente investigation will play an important part in the astro-geodynamics and planetary rotation studies.

地球和火星自转变化（极移、自转速率变化或日长变化）的大气激发研究，是天文地球动力学和行星自转领域的一个核心研究课题。这方面的研究将有助于深入认识地球和火星的整体运动规律，揭示它们的固体圈层和地表大气圈层间的耦合作用过程。本项目主要研究内容：基于天文观测的地球和火星自转观测数据、地球和火星全球大气环流模式的输出资料，计算作用于地球和火星上的大气激发函数和力矩（压力力矩、万有引力力矩和摩擦力矩），综合研究地球自转"亚周日"变化尺度、火星自转的周日/半日和季节性变化尺度上的全球大气激发的贡献，探索火星自转速率变化和极移中的全球沙尘暴信号。这对于天文地球动力学和行星自转动力学演化具有重要的科学意义。

通过开展地球和火星自转变化的大气激发研究，可以更深入地揭示地球和火星的整体运动规律，以及它们的固体圈层和地表大气圈层间的耦合作用过程。本课题主要取得以下研究进展：1．基于美国国家环境预测中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)和欧洲中尺度气象预报中心(ECMWF) 大气环流模式输出资料，解算1979-2016年大气激发，分析大气对日长多种时间尺度变化的激发作用。大气风项对日长几天到年际尺度上变化的贡献最重要。NCEP/NCAR和ECMWF大气激发的差异通常在3%以下，1-10百帕高层风场对日长变化产生了不可忽略的影响。此外，还揭示出2015－2016年厄尔尼诺事件在日长变化和大气激发中的信号，在2015-16年厄尔尼诺事件期间，大气角动量增加，自转减慢，日长增加了约0.3毫秒。2. 研究大气对极移亚季节性、4-20天高频、Chandler摆动以及年际时间尺度变化的激发贡献。在1979-2016年期间，大气激发可以解释约50%的亚季节性和4-20天高频极移，但仅能激发1-4%的年际极移，Chandler摆动的激发结果对数据资料和研究时段均有较强的依赖性。3. 提出估计地球自由核章动（FCN）周期的新的直接方法：移动窗复数最小二乘法（SCLF）。它基于FCN随机激发的物理模型，对于不同时段，FCN的周期值不变，而它的振幅和初位相可以随时段变化。利用SCLF方法分析1984年以来不同时段的CPO资料，得到FCN周期值在428-434天之间。跟传统的FFT直接方法相比，SCLF估计结果的不确定性从几十天降低到几天，并且进一步验证了基于共振效应的间接方法所得到的结果。4. 应用欧空局新一代火星大气环流模式，研究火星自转在第24至31火星年期间的逐年变化。结果表明，受大气激发影响，火星自转季节性变化幅度的波动约为10%，然而其高频的周日和半日尺度变化幅度的波动剧烈，存在显著的全球沙尘暴信号，受强烈大气潮的影响，在第25和28火星年的全球沙尘暴时期，幅度将增大到平常时期的两倍左右。5. 由于我国卫星导航和空间探测对地球定向参数（EOP）预报值的需要，我们进一步拓展了地球自转的预报研究。采用最小二乘结合自回归模型方法，对不同长度的EOP基础序列进行预报，对比分析不同跨度的预报精度，找到适合每种预报跨度的基础数据长度，得到一组最优预报值。结果表明，EOP预报精度得到显著提高。