《海洋學(xué)》第十一章 海洋-大氣相互作用

第十一章海洋—大氣相互作用海洋和大氣相互作用指海洋和大氣之間發(fā)生的能量和物質(zhì)交換過程包含大尺度相互作用過程和小尺度過程小尺度相互作用：海浪、風(fēng)海流、風(fēng)暴潮——大氣向海洋動(dòng)量傳遞大氣熱收支、大氣中水循環(huán)——海洋向大氣熱量和物質(zhì)輸送大尺度相互作用：如ENSO事件大尺度過程基于小尺度過程的研究結(jié)果小尺度問題極大影響大尺度的研究結(jié)果第十一章海洋—大氣相互作用第一節(jié)：氣候系統(tǒng)一、氣候系統(tǒng)二、海洋在氣候系統(tǒng)中的地位第二節(jié)：海洋—大氣相互作用一、海洋與大氣相互作用的基本特征二、ENSO氣候系統(tǒng)由大氣、海洋、陸地表面、冰雪覆蓋層和生物圈等相互聯(lián)系和相互作用的五個(gè)部分組成。各個(gè)組成部分之間通過物質(zhì)交換和能量交換，緊密地聯(lián)結(jié)成一個(gè)開放系統(tǒng)。氣候系統(tǒng)的組成:

大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和生物圈。太陽輻射是這個(gè)系統(tǒng)的主要能源。在太陽輻射的作用下，氣候系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一系列的復(fù)雜過程影響氣候系統(tǒng)的外部因素天文因素（太陽輻射）是影響氣候系統(tǒng)的主要外部因素：大氣運(yùn)動(dòng)及氣候的狀態(tài)和變化同太陽輻射有重要的關(guān)系；太陽輻射為大氣和海洋的運(yùn)動(dòng)以至生物活動(dòng)提供了最基本的能源；太陽活動(dòng)引起的太陽輻射的改變也必然對(duì)地球氣候及其變化發(fā)生重要影響。另外就是重力作用氣候系統(tǒng)的性質(zhì)：各子系統(tǒng)是開放的非孤立系統(tǒng)。各子系統(tǒng)構(gòu)成了由復(fù)雜物理過程聯(lián)系起來的串級(jí)系統(tǒng)。這些物理過程包括穿越邊界的能量、動(dòng)量和物質(zhì)輸送，且生成了大量反饋機(jī)制。氣候系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)：描述氣候系統(tǒng)的物理量的空間分布和時(shí)間變化尺度大各不同分量的估計(jì)時(shí)間尺度在不同子系統(tǒng)之間變化很大，甚至在同一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)變化也很大。氣候系統(tǒng)中發(fā)生的過程類型都是非常復(fù)雜的。氣候系統(tǒng)是一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)氣候系統(tǒng)重要過程：物理過程、化學(xué)過程和生物過程氣候系統(tǒng)中發(fā)生的重要過程是各組分之間相互作用和相互影響的具體表現(xiàn)，表現(xiàn)出高度非線性.子系統(tǒng)間的相互作用：海-氣相互作用陸-氣相互作用大氣-冰雪相互作用氣候(大氣)-生物相互作用冰-海相互作用

子系統(tǒng)內(nèi)部的各種過程：大氣和海洋環(huán)流大氣中水的相變海洋中鹽度的變化

氣候系統(tǒng)海洋——大氣子系統(tǒng)最活躍、信號(hào)最強(qiáng)，在氣候系統(tǒng)中最重要。2005年臺(tái)風(fēng)達(dá)維影響廣東熱帶氣旋生成于溫暖的洋面熱帶氣旋影響海洋——產(chǎn)生巨浪，風(fēng)暴潮海洋在氣候系統(tǒng)中的地位

海洋是地球氣候系統(tǒng)的最重要組成部分。海洋具有如下性質(zhì)：全球海洋吸收的Qs占進(jìn)入大氣頂?shù)目俀s的70%左右。因此，海洋，尤其是熱帶海洋，是大氣運(yùn)動(dòng)的重要能源。海洋有著極大的熱容量。相對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)，海洋比較穩(wěn)定,海水的運(yùn)動(dòng)和變化比較緩慢。海洋是地球大氣系統(tǒng)總CO2最大的匯。以上性質(zhì)，決定了海洋對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)和氣候變化具有不可忽視的影響。海洋對(duì)大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響——向大氣輸送熱量吸收Qs的70%的絕大部分（85%）儲(chǔ)存于海洋表層（混合層）中。這些能量將以潛熱、長(zhǎng)波輻射和感熱交換的形式輸送給大氣，驅(qū)動(dòng)大氣的運(yùn)動(dòng)。海洋環(huán)流在大氣系統(tǒng)能量輸送和平衡中的重要作用。30%的經(jīng)向能量輸送由海洋承擔(dān)。海洋對(duì)水汽循環(huán)的影響大氣中水汽量的86%由海洋提供。尤其低緯度海洋，是大氣水汽的主要源地。海洋對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的調(diào)諧作用海洋的運(yùn)動(dòng)和變化具有明顯的緩慢性和持續(xù)性。一是將大氣環(huán)流變化信息存于海洋中，再對(duì)大氣產(chǎn)生作用。二是海洋的熱慣性使海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)。海洋對(duì)溫室效應(yīng)的緩解作用海洋環(huán)流減小了低緯大氣的增熱，使高緯大氣加熱，降水量亦相應(yīng)改變。而且大氣對(duì)某些因素變化的敏感性降低。減少大氣中CO2含量。海洋在氣候系統(tǒng)中的地位海洋—大氣相互作用基本特征在相互制約的大氣——海洋系統(tǒng)中，海洋對(duì)大氣的作用主要是熱力的，大氣對(duì)海洋的作用主要是動(dòng)力的。海洋對(duì)大氣的熱力作用：海洋，特別是熱帶海洋，是驅(qū)動(dòng)大氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的重要能量來源。提供熱量方式有潛熱和感熱兩種，主要是潛熱。導(dǎo)致水汽輻合上升，即相應(yīng)的大氣環(huán)流條件。大洋環(huán)流影響海洋熱含量的分布及向大氣的熱量輸送過程。是全球尺度特征。大氣對(duì)海洋的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫大洋環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫有密切關(guān)系。對(duì)氣候和大氣環(huán)流變化，海洋混合層十分重要。太陽輻射能通過影響混合層而成為驅(qū)動(dòng)整個(gè)海洋運(yùn)動(dòng)的重要原動(dòng)力?；旌蠈拥妮椇稀⑤椛⑦^程通過Ekman抽吸效應(yīng)影響深層海洋環(huán)流。深層海洋環(huán)流通過改變混合層的狀況對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)影響。海洋上混合層(UML,簡(jiǎn)稱海洋混合層)ENSO定義是厄爾尼諾(ElNi?o)和南方濤動(dòng)（SouthernOscillation）的合稱。二者有非常好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)赤道東太平洋表層水溫（SST）正距平，南方濤動(dòng)指數(shù)往往是負(fù)。ENSO——海氣相互作用典型事件南方濤動(dòng)指數(shù)（實(shí)線）和赤道東太平洋海表水溫異常（虛線）隨時(shí)間演變赤道東太平洋位置：（0°-10°S，180°-90°W）厄爾尼諾(ElNi?o)和南方濤動(dòng)二者有非常好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)赤道東太平洋表層水溫（SST）正距平，南方濤動(dòng)指數(shù)往往是負(fù)。ENSO成為大尺度海氣相互作用以及氣候變化研究的中心課題。包含厄爾尼諾、南方濤動(dòng)及拉尼娜LaNi?a等現(xiàn)象研究ENSO是指熱帶東太平洋地區(qū)與熱帶印度洋地區(qū)氣壓場(chǎng)反相變化的蹺蹺板現(xiàn)象。南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）：塔希提（Tahiti）島與達(dá)爾文島之間的氣壓差。（塔希提氣壓減去達(dá)爾文氣壓）南方濤動(dòng)（SouthernOscillation）厄爾尼諾ElNi?o和拉尼娜LaNi?a厄爾尼諾是指圣誕前后，沿厄瓜多爾和秘魯沿岸，出現(xiàn)一弱的洋流，代替了通常對(duì)應(yīng)的冷水。近年指一種更大尺度的海洋異常現(xiàn)象，整個(gè)赤道東太平洋表現(xiàn)振幅達(dá)幾攝氏度的增暖。拉尼娜：冷水事件。ElNi?o

isthestrongestsignalofclimatevariabilityoninterannualtimescales.Itisacoupledmechanismbetweenthetropicaloceanandatmosphere.與此相聯(lián)系，海洋和大氣環(huán)流發(fā)生很大的異常。尼諾指數(shù)1988與1998海表水溫異常情況對(duì)比1983、1987、1994、1998異常情況歷史上厄爾尼諾事件ENSO年份：1790-93、1828、1876-78、1891、1925-26、1982-83、1986-1987、1991-1994、1997-98、

2002-2006、2009-2010。

82年4月至1983年7月的ENSO現(xiàn)象，是幾個(gè)世紀(jì)來最嚴(yán)重的一次，太平洋東部至中部水面溫度比正常高出約4至5℃，造成全世界1300～1500人喪生，經(jīng)濟(jì)損失近百億美元。

1986年至1987年的ENSO現(xiàn)象，使赤道中、東太平洋海水表面水溫比常年平均溫度偏高2℃左右；同時(shí)，熱帶地區(qū)的大氣環(huán)流也相應(yīng)地出現(xiàn)異常，熱帶及其他地區(qū)的天氣出現(xiàn)異常變化；南美洲的秘魯北部、中部地區(qū)暴雨成災(zāi)；哥倫比亞境內(nèi)的亞馬孫河河水猛漲，造成河堤多次決口；巴西東北部少雨干旱，西部地區(qū)炎熱；澳大利亞東部及沿海地區(qū)雨水明顯減少；中國(guó)華南地區(qū)、南亞至非洲北部大范圍地區(qū)均少雨干旱。1990年初又發(fā)生ENSO前兆現(xiàn)象。這年1月，太平洋中部海域水面溫度高于往年，除赤道海域水面溫度比往年高出0.5℃外，國(guó)際換日線以西的海域水面溫度也比往年高出將近1℃；接近海面的28℃的暖水層比往年淺10米左右；南美洲太平洋沿岸水域的水位比平時(shí)上漲15～30厘米。1997年至1998年的ENSO現(xiàn)象，太平洋東部至中部水面溫度比正常高出約3至4℃，美洲地區(qū)有持續(xù)暴雨，東南亞地區(qū)則持續(xù)干旱并發(fā)生大規(guī)模的森林大火。上層海洋與低層大氣

——國(guó)際SOLAS計(jì)劃ENSO與全球氣候變化大氣中的Hadley環(huán)流將會(huì)增強(qiáng)。Walker環(huán)流出現(xiàn)明顯異常,上升支東移;與ElNi?o年ITCZ位置偏南相匹配，西太副高也偏南。而在LaNi?a年副高脊線較常年偏北。影響西太平洋臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)。使中高緯度西風(fēng)加強(qiáng)，阿留申低壓往往比正常時(shí)強(qiáng)，因而常給北美西岸造成頻繁的強(qiáng)風(fēng)暴活動(dòng)，暴風(fēng)雨和風(fēng)暴浪潮嚴(yán)重厄爾尼諾年太平洋的臺(tái)風(fēng)數(shù)會(huì)減少（從正常年的29個(gè)減少到26.4個(gè)）對(duì)中國(guó)氣候也有明顯影響。眾多的氣候?yàn)?zāi)害說明厄爾尼諾和拉尼娜現(xiàn)象影響大氣環(huán)流從而導(dǎo)致全球氣候異常。由于赤道東太平洋SST異常(ElNi?o現(xiàn)象)ElNi?o事件對(duì)Walker環(huán)流影響:Walker環(huán)流：是赤道大氣中存在一個(gè)東西向的環(huán)流。是赤道海洋表面因水溫東西差異而產(chǎn)生的一種緯圈熱力環(huán)流是疊加在緯向平均哈得萊環(huán)流上的重要東西向環(huán)流沿赤道的正常沃克（Walker）環(huán)流示意圖（非ENSO期間）沃克環(huán)流（Walkercell）最早由英國(guó)氣象學(xué)家沃克（GilbertWalker）于20世紀(jì)初期發(fā)現(xiàn)并提出GilbertThomasWalker(1868-1958）英國(guó)數(shù)學(xué)家和氣象學(xué)家，曾任印度氣象局長(zhǎng)沃克環(huán)流正常情況：太平洋中東側(cè)：干旱、海溫低、海洋溫躍層淺、下沉氣流太平洋西側(cè)：多雨、海溫高、海洋溫躍層深、上升氣流厄爾尼諾：太平洋中東側(cè)：多雨、海溫高、溫躍層深、洪澇災(zāi)害、下沉氣流減弱或上升氣流太平洋西側(cè)：干旱、海溫低、溫躍層淺、上升氣流減弱或下沉氣流厄爾尼諾對(duì)沃克環(huán)流（Walkercell）影響厄爾尼諾ElNi?o

對(duì)ITCZ(赤道輻合帶)影響:ITCZ的位置有明顯的東移趨勢(shì)，且與ITCZ位置偏南相匹配，西太副高也偏南。而在LaNi?a年副高脊線較常年偏北。影響西太平洋臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)。厄爾尼諾年太平洋的臺(tái)風(fēng)數(shù)會(huì)減少（從正常年的29個(gè)減少到26.4個(gè)）厄爾尼諾對(duì)中國(guó)的影響登陸我國(guó)的熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)減少我國(guó)北方夏季易出現(xiàn)高溫、干旱我國(guó)南方夏季易發(fā)生低溫、洪澇，如1998年的澇災(zāi)梅雨季節(jié)會(huì)推遲厄爾尼諾年發(fā)生后的冬季，北方出現(xiàn)暖冬。厄爾尼諾的監(jiān)測(cè)在1982-83年的厄爾尼諾后，美國(guó)、日本和法國(guó)在橫跨赤道太平洋的洋面上串起了70個(gè)浮標(biāo)。這些被稱為‘熱帶大氣海洋（TAO）排列’的浮標(biāo)，監(jiān)測(cè)著500米深的水溫以及風(fēng)、氣溫和相對(duì)濕度。是一個(gè)厄爾