.2003文章编号：(2003)大气角动量平衡研究进展周春华，(南京气象学院大气科学系，江苏南京)分析了20世纪80年代以来国内外研究大气角动量平衡的一些代表著作。总结了地气系统中角动量交换和角动量输送及其与山脉和摩擦扭矩异常、地转异常、ENSO等关系的研究成果。指出了一些应深入研究的方向。重点研究角动量平衡与输送；大气角动量变化；山脉扭矩与摩擦扭矩； ENSO 在经典的大气环流研究中，大气角动量平衡的主要研究目的是阐明大气环流中的纬向平均西风环流（记为[20世纪50年代，人们对地气系统中角动量的交换、平衡、输送及其物理机制进行了大量的研究，这些工作为气候纬向环流的维持和季节变化提供了合理的解释。大气角动量平衡涉及山脉扭矩（山脉纬向气压差引起的轴向扭矩）、摩擦扭矩（地-气或海-气界面上纬向摩擦应力引起的轴向扭矩）以及大气环流本身对大气角动量的垂直和极向输送。固体地球、大气和海洋作为一个封闭系统，总角动量守恒。基于此，当维持角动量平衡的三个要素（山脉扭矩、摩擦扭矩和角动量输送）中任何一个出现异常时，都会伴随异常纬向风带和地转异常，进一步影响大气和海洋活动。
大气角动量平衡与变化反映了大气活动与固体地球和海洋在各个空间和时间尺度上的耦合过程。为此，自20世纪80年代以来，科学家们更加重视大气角动量变化的研究，包括山脉的季节变化、年际变化和多年变化以及摩擦扭矩、角动量及其输送，并将其与昼长变化（LOD:）、厄尔尼诺现象和南方涛动（ENSO）等地球、海洋和大气现象联系起来。本文综述了角动量平衡方面的一些代表性研究，重点介绍了近年来国内外在大气角动量平衡与变化及其与大气、海洋活动和地球自转关系方面的研究进展，以期从中得到启发，发现一些问题研究角动量的意义，更好地服务于未来的理论研究。地球-大气系统固体地球、大气和海洋作为一个封闭系统的角动量交换和角动量输送，总角动量守恒。 但由于海洋数据的限制以及洋流运动的复杂性，计算海洋的角动量十分困难。因此，以往许多研究工作主要集中于地气系统的角动量交换，即将地球与大气看作一个角动量守恒的封闭系统。地球与大气之间的角动量交换通过两种方式进行：通过山脉东西两侧的气压差（山脉扭矩）和通过地面摩擦应力（摩擦扭矩）。
叶笃正等人计算发现，山脉的作用在地气系统的角动量交换中起着十分重要的作用，其作用量级与摩擦力相当。在中纬度地区，山脉的作用把大气的角动量传递给地球；在亚热带和高纬度地区，山脉的作用把地球的角动量传递给大气。叶笃正等人发现，西风带大气损失角动量，而东风带大气获得角动量。要维持东风带和西风带，大气内部必须有角动量输送，包括水平输送和垂直输送。最早指出了角动量水平输送的必要性，并正确地找到了输送机制。叶笃正等人进行了一系列研究，指出了大涡和平均经向环流（Adley环流）在角动量输送中的重要作用。 吴国雄等人于1988年又指出，平均经向环流对角动量平衡有重要作用。由于不同风带、不同纬度带角动量辐合和发散的差异，角动量的南北输送十分重要。北半球夏季环流上升支所在半球的越赤道角动量通量相当大，几乎等于跨30N的极向通量；北半球跨60N的南向通量即为跨30N的极向通量。他指出，相对角动量异常的向极传播发生在所有纬度，其中亚热带和高纬度地区的传播速度大于中纬度地区。 他还指出，在亚热带和中纬度地区，相对角动量异常向极地传播，主要是由于高频瞬变涡旋角动量通量的汇聚所致；在高纬度地区，则主要是由于低频涡旋角动量通量的汇聚所致。
在北半球冬季，定常涡旋与瞬变涡旋相互作用产生的涡旋角动量通量的辐合，对相对角动量向极地传播也有一定的影响。山脉与摩擦扭矩变化及其对大气角动量变化的影响大气角动量具有季节变化、半年变化、年内变化、年际变化和年代际变化等多种时间尺度的变化。指出北半球热带和温带地区摩擦扭矩的季节变化大于南半球，且冬季最强；山脉扭矩也有季节变化，在北半球温带地区，春季和夏季山脉扭矩相对最重要；在两个半球的热带地区，山脉扭矩的季节变化均大于摩擦扭矩。 对1958—1963年O10S～80N地区的大尺度山脉矩进行了逐月计算，发现其气候平均值在30N以南呈现强烈的年周期，在纬度地区呈现半年周期。山脉矩的年均值的年际变化不大，而月均值的年际变化较大。北半球的山脉矩在夏季使西风环流减慢，在冬季使西风环流加速。对摩擦矩也进行了计算，发现与山脉矩的作用相同，且量级相当。因此，在北半球，两种矩在夏季都起到大气角动量汇的作用。在研究澳大利亚冬季白昼长度的变化时指出，摩擦（山脉）矩异常主要来自澳大利亚及其周围的海域（安第斯山脉）。 作为地气系统角动量交换的两种方式，山脉矩和摩擦矩在大气角动量变化中起着怎样的作用呢？1983年中期，首次利用GA计算了落基山脉、安第斯山脉和青藏高原的山脉矩，测量了它们对日长和大气角动量异常的贡献，发现落基山脉的矩异常大，与大气角动量和日长的快速增加相一致。
各山脉的扭矩并不相关，研究发现中纬度山脉(落基山脉、喜马拉雅山脉、安第斯山脉)的扭矩对大气角动量高频(14568 南京气象学院学报)的影响比地带性和极地地区的山脉扭矩和摩擦扭矩小得多。Ponte数据分析了山脉扭矩和摩擦扭矩的时间演变，探讨了1982-1983年事件期间角动量异常的机制。1982年上半年及以前角动量基本为正，但1983年的前两周，角动量异常增加了一倍，这种急剧增加主要与欧亚大陆和美洲的山脉扭矩异常有关。角动量异常在2月份达到峰值，随后几个月缓慢恢复正常。摩擦扭矩异常对本次角动量的减小起了主要作用，尤其是在北非亚热带地区。 大气角动量与ENSO等热带活动的关系 大气角动量与ENSO事件的关系 20世纪80年代，人们开始逐渐注意到大气角动量异常与ENSO事件之间的紧密联系。Rosen发现，在事件即将达到最强时研究角动量的意义，赤道东风角动量最小，而北半球西风角动量形成一个大值中心，从而导致角动量出现前所未有的高值，导致ENSO异常。同时发现，1962—1985年间白昼长度的年际变化与南方涛动指数之间存在显著的统计相关性。对14个全球相对角动量进行了筛选，剔除了年尺度以下的变化，发现相对角动量与南方涛动指数以及大气角动量的年际变化都具有与ENSO相似的结构。 可以从日照长度和大气角动量数据中检测到1997-1998年厄尔尼诺现象和1998-1999年厄尔尼诺事件的信号。
罗森还指出，ENSO与大气角动量低频信号有着密切的联系。大气角动量与ENSO事件关系的物理机制。ick分析了1963—1973年的相对角动量振荡和热带气温(或海温)振荡，发现热带气温(海温)在同一时期也表现出类似的变化，变化幅度为10个周期。分析表明，利用准地转近似和静校正，月平均风(温)是垂直平均，纬度平均，因此热带温度的变化足以引起角动量相应的变化。罗森对此提出了自己的想法，他们认为ENSO事件引起了热带太平洋大气质量的重新分配，表现在南方涛动指数在1983年8月达到最小值，即达尔文岛气压较高，南半球气压较低。 亚洲东部的偏高气压和美洲西部的偏低气压在某种意义上似乎形成了一个“山型”扭矩，加速了大气的运动，而减缓了地球的运动。异常角动量从地球传递到大气，其动力机制就在于这个扭矩。宋国宣等。木卫一事件期间，中太平洋低纬度地区低层大气由向西流动转为向东运动，大气获得了与地球自转方向一致的角动量。同时，由于信风减弱，海洋上表层由东向西的洋流运动也减弱了，随着时间的推移，洋流开始向东流动，太平洋洋流也获得了与地球自转方向一致的角动量。
这样，大气和洋流获得角动量，而固体地球则失去角动量。研究了地面与大气之间的角动量交换与ENSO循环。认为地面-大气系统的角动量交换通过地面-大气(海-气)界面的摩擦扭矩和山脉扭矩与ENSO有关。太平洋发生的ENSO循环是太平洋盆地固海气相互作用的体现现象。大气角动量年际变化的极地传播与ENSO事件分析了1976—1991年大气角动量随纬度的分布特征，揭示了全球大气角动量向极地传播与ENSO循环。