.2003文章編號：(2003)大氣角動量平衡研究進展周春華，(南京氣象學院大氣科學系，江蘇南京)分析了20世紀80年代以來國內外研究大氣角動量平衡的一些代表著作。總結了地氣系統中角動量交換和角動量輸送及其與山脈和摩擦扭矩異常、地轉異常、ENSO等關系的研究成果。指出了一些應深入研究的方向。重點研究角動量平衡與輸送；大氣角動量變化；山脈扭矩與摩擦扭矩； ENSO 在經典的大氣環流研究中，大氣角動量平衡的主要研究目的是闡明大氣環流中的緯向平均西風環流（記為[20世紀50年代，人們對??地氣系統中角動量的交換、平衡、輸送及其物理機制進行了大量的研究，這些工作為氣候緯向環流的維持和季節變化提供了合理的解釋。大氣角動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力引起的軸向扭矩）以及大氣環流本身對大氣角動量的垂直和極向輸送。固體地球、大氣和海洋作為一個封閉系統，總角動量守恒。基于此，當維持角動量平衡的三個要素（山脈扭矩、摩擦扭矩和角動量輸送）中任何一個出現異常時，都會伴隨異常緯向風帶和地轉異常，進一步影響大氣和海洋活動。
大氣角動量平衡與變化反映了大氣活動與固體地球和海洋在各個空間和時間尺度上的耦合過程。為此，自20世紀80年代以來，科學家們更加重視大氣角動量變化的研究，包括山脈的季節變化、年際變化和多年變化以及摩擦扭矩、角動量及其輸送，并將其與晝長變化（LOD:）、厄爾尼諾現象和南方濤動（ENSO）等地球、海洋和大氣現象聯系起來。本文綜述了角動量平衡方面的一些代表性研究，重點介紹了近年來國內外在大氣角動量平衡與變化及其與大氣、海洋活動和地球自轉關系方面的研究進展，以期從中得到啟發，發現一些問題研究角動量的意義，更好地服務于未來的理論研究。地球-大氣系統固體地球、大氣和海洋作為一個封閉系統的角動量交換和角動量輸送，總角動量守恒。 但由于海洋數據的限制以及洋流運動的復雜性，計算海洋的角動量十分困難。因此，以往許多研究工作主要集中于地氣系統的角動量交換，即將地球與大氣看作一個角動量守恒的封閉系統。地球與大氣之間的角動量交換通過兩種方式進行：通過山脈東西兩側的氣壓差（山脈扭矩）和通過地面摩擦應力（摩擦扭矩）。
葉篤正等人計算發現，山脈的作用在地氣系統的角動量交換中起著十分重要的作用，其作用量級與摩擦力相當。在中緯度地區，山脈的作用把大氣的角動量傳遞給地球；在亞熱帶和高緯度地區，山脈的作用把地球的角動量傳遞給大氣。葉篤正等人發現，西風帶大氣損失角動量，而東風帶大氣獲得角動量。要維持東風帶和西風帶，大氣內部必須有角動量輸送，包括水平輸送和垂直輸送。最早??指出了角動量水平輸送的必要性，并正確地找到了輸送機制。葉篤正等人進行了一系列研究，指出了大渦和平均經向環流（Adley環流）在角動量輸送中的重要作用。 吳國雄等人于1988年又指出，平均經向環流對角動量平衡有重要作用。由于不同風帶、不同緯度帶角動量輻合和發散的差異，角動量的南北輸送十分重要。北半球夏季環流上升支所在半球的越赤道角動量通量相當大，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，相對角動量異常的向極傳播發生在所有緯度，其中亞熱帶和高緯度地區的傳播速度大于中緯度地區。 他還指出，在亞熱帶和中緯度地區，相對角動量異常向極地傳播，主要是由于高頻瞬變渦旋角動量通量的匯聚所致；在高緯度地區，則主要是由于低頻渦旋角動量通量的匯聚所致。
在北半球冬季，定常渦旋與瞬變渦旋相互作用產生的渦旋角動量通量的輻合，對相對角動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大氣角動量變化的影響大氣角動量具有季節變化、半年變化、年內變化、年際變化和年代際變化等多種時間尺度的變化。指出北半球熱帶和溫帶地區摩擦扭矩的季節變化大于南半球，且冬季最強；山脈扭矩也有季節變化，在北半球溫帶地區，春季和夏季山脈扭矩相對最重要；在兩個半球的熱帶地區，山脈扭矩的季節變化均大于摩擦扭矩。 對1958—1963年O10S～80N地區的大尺度山脈矩進行了逐月計算，發現其氣候平均值在30N以南呈現強烈的年周期，在緯度地區呈現半年周期。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環流減慢，在冬季使西風環流加速。對摩擦矩也進行了計算，發現與山脈矩的作用相同，且量級相當。因此，在北半球，兩種矩在夏季都起到大氣角動量匯的作用。在研究澳大利亞冬季白晝長度的變化時指出，摩擦（山脈）矩異常主要來自澳大利亞及其周圍的海域（安第斯山脈）。 作為地氣系統角動量交換的兩種方式，山脈矩和摩擦矩在大氣角動量變化中起著怎樣的作用呢？1983年中期，首次利用GA計算了落基山脈、安第斯山脈和青藏高原的山??脈矩，測量了它們對日長和大氣角動量異常的貢獻，發現落基山脈的矩異常大，與大氣角動量和日長的快速增加相一致。
各山脈的扭矩并不相關，研究發現中緯度山脈(落基山脈、喜馬拉雅山脈、安第斯山脈)的扭矩對大氣角動量高頻(14568 南京氣象學院學報)的影響比地帶性和極地地區的山脈扭矩和摩擦扭矩小得多。Ponte數據分析了山脈扭矩和摩擦扭矩的時間演變，探討了1982-1983年事件期間角動量異常的機制。1982年上半年及以前角動量基本為正，但1983年的前兩周，角動量異常增加了一倍，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。角動量異常在2月份達到峰值，隨后幾個月緩慢恢復正常。摩擦扭矩異常對本次角動量的減小起了主要作用，尤其是在北非亞熱帶地區。 大氣角動量與ENSO等熱帶活動的關系 大氣角動量與ENSO事件的關系 20世紀80年代，人們開始逐漸注意到大氣角動量異常與ENSO事件之間的緊密聯系。Rosen發現，在事件即將達到最強時研究角動量的意義，赤道東風角動量最小，而北半球西風角動量形成一個大值中心，從而導致角動量出現前所未有的高值，導致ENSO異常。同時發現，1962—1985年間白晝長度的年際變化與南方濤動指數之間存在顯著的統計相關性。對14個全球相對角動量進行了篩選，剔除了年尺度以下的變化，發現相對角動量與南方濤動指數以及大氣角動量的年際變化都具有與ENSO相似的結構。 可以從日照長度和大氣角動量數據中檢測到1997-1998年厄爾尼諾現象和1998-1999年厄爾尼諾事件的信號。
羅森還指出，ENSO與大氣角動量低頻信號有著密切的聯系。大氣角動量與ENSO事件關系的物理機制。ick分析了1963—1973年的相對角動量振蕩和熱帶氣溫(或海溫)振蕩，發現熱帶氣溫(海溫)在同一時期也表現出類似的變化，變化幅度為10個周期。分析表明，利用準地轉近似和靜校正，月平均風(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量相應的變化。羅森對此提出了自己的想法，他們認為ENSO事件引起了熱帶太平洋大氣質量的重新分配，表現在南方濤動指數在1983年8月達到最小值，即達爾文島氣壓較高，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“山型”扭矩，加速了大氣的運動，而減緩了地球的運動。異常角動量從地球傳遞到大氣，其動力機制就在于這個扭矩。宋國宣等。木衛一事件期間，中太平洋低緯度地區低層大氣由向西流動轉為向東運動，大氣獲得了與地球自轉方向一致的角動量。同時，由于信風減弱，海洋上表層由東向西的洋流運動也減弱了，隨著時間的推移，洋流開始向東流動，太平洋洋流也獲得了與地球自轉方向一致的角動量。
這樣，大氣和洋流獲得角動量，而固體地球則失去角動量。研究了地面與大氣之間的角動量交換與ENSO循環。認為地面-大氣系統的角動量交換通過地面-大氣(海-氣)界面的摩擦扭矩和山脈扭矩與ENSO有關。太平洋發生的ENSO循環是太平洋盆地固海氣相互作用的體現現象。大氣角動量年際變化的極地傳播與ENSO事件分析了1976—1991年大氣角動量隨緯度的分布特征，揭示了全球大氣角動量向極地傳播與ENSO循環。