1、Introduction to Oceanography李海艳中科院研究生院地学院Email:(海洋科学概论课件）第十章 海气相互作用大纲海气相互作用海气相互作用2022-12-182第十章第十章 海气相互作用大纲海气相互作用大纲n第一节第一节 气候系统气候系统n一、气候系统一、气候系统n二、海洋在气候系统中的地位二、海洋在气候系统中的地位n第二节第二节 海洋海洋大气相互作用大气相互作用n一、海洋与大气相互作用的基本特征一、海洋与大气相互作用的基本特征n二、二、ENSO 海气相互作用海气相互作用2022-12-183一、气候系统一、气候系统n1 1气候系统的组成：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和
2、气候系统的组成：大气圈、水圈、冰雪圈、岩石圈和生物圈。生物圈。n概念：既包括大气和海洋等子系统内部的各种过程，又反概念：既包括大气和海洋等子系统内部的各种过程，又反映了各个子系统间的相互作用。映了各个子系统间的相互作用。n影响因素：影响因素：大气运动及气候的状态和变化同太阳辐射有重要的关系。大气运动及气候的状态和变化同太阳辐射有重要的关系。天文因素（主要是太阳活动）是影响气候系统的主要外天文因素（主要是太阳活动）是影响气候系统的主要外部因素。部因素。海气相互作用海气相互作用2022-12-184二、海洋在气候系统中的地位二、海洋在气候系统中的地位 n1）全球海洋吸收的）全球海洋吸收的Qs占进入
3、大气顶的总占进入大气顶的总Qs的的70%左左右。因此海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能右。因此海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能源。源。n2）海洋有着极大的热容量。相对大气运动，海洋比较）海洋有着极大的热容量。相对大气运动，海洋比较稳定，运动和变化比较缓慢。稳定，运动和变化比较缓慢。n3）海洋是地球大气系统总）海洋是地球大气系统总CO2最大的汇。最大的汇。海气相互作用海气相互作用2022-12-185二、海洋在气候系统中的地位二、海洋在气候系统中的地位 n1 1、海洋对大气系统热力平衡的影响、海洋对大气系统热力平衡的影响n（1 1）吸收）吸收QsQs的的70%70%的绝大部分（的绝
4、大部分（85%85%）储存于海洋）储存于海洋表层（混合层）中。这些能量将以潜热、长波辐表层（混合层）中。这些能量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气的运射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气的运动。动。n （2 2）海洋环流在大气系统能量输送和平衡中的）海洋环流在大气系统能量输送和平衡中的重要作用。重要作用。30%30%的经向能量输送由海洋承担。的经向能量输送由海洋承担。海气相互作用海气相互作用2022-12-186n 2 2、海洋对水汽循环的影响、海洋对水汽循环的影响n大气中水汽量的大气中水汽量的86%86%由海洋提供。尤其低纬度海洋，由海洋提供。尤其低纬度海洋，是大气水汽
5、的主要源地。是大气水汽的主要源地。n3 3、海洋对大气运动的调谐作用、海洋对大气运动的调谐作用n海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性。海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性。n一是将大气环流变化信息存于海洋中，再对大气产一是将大气环流变化信息存于海洋中，再对大气产生作用。生作用。n二是海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应。二是海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应。海气相互作用海气相互作用2022-12-187n 4 4、海洋对温室效应的缓解作用海洋环流减小了、海洋对温室效应的缓解作用海洋环流减小了低纬大气的增热，使高纬大气加热，降水量亦相低纬大气的增热，使高纬大气加热，降水量亦相应改
6、变。而且大气对某些因素变化的敏感性降低。应改变。而且大气对某些因素变化的敏感性降低。减少大气中二氧化碳含量。减少大气中二氧化碳含量。海气相互作用海气相互作用2022-12-188三、海洋与大气相互作用的基本特征三、海洋与大气相互作用的基本特征n海洋对大气的作用主要是热力的，大气对海洋的作用海洋对大气的作用主要是热力的，大气对海洋的作用主要是动力的。主要是动力的。n1 1海洋对大气的热力作用：海洋对大气的热力作用：海洋，特别是热带海洋，是驱动大气系统运动的重要海洋，特别是热带海洋，是驱动大气系统运动的重要能量来源。能量来源。n提供热量方式有潜热和感热两种，主要是潜热，要求提供热量方式有潜热和感热
7、两种，主要是潜热，要求水汽辐合上升，即相应的大气环流条件。水汽辐合上升，即相应的大气环流条件。大洋环流影响海洋热含量的分布及向大气的热量输送大洋环流影响海洋热含量的分布及向大气的热量输送过程。是全球尺度特征。过程。是全球尺度特征。海气相互作用海气相互作用2022-12-1892 2大气对海洋的风应力强迫大气对海洋的风应力强迫n大洋环流与风应力强迫有密切关系。大洋环流与风应力强迫有密切关系。海气相互作用海气相互作用2022-12-18103 3海洋上混合层海洋上混合层(UML,(UML,简称海洋混合简称海洋混合层层)(Mixing layer of upper ocean)(Mixing lay
8、er of upper ocean)：n对气候和大气环流变化，海洋混合层十分重要。对气候和大气环流变化，海洋混合层十分重要。混合层的混合层的辐合辐合、辐散辐散过程通过过程通过EkmanEkman抽吸效应影响抽吸效应影响深层海洋环流；深层海洋环流；n深层海洋环流通过改变混合层的状况对大气运动深层海洋环流通过改变混合层的状况对大气运动影响。影响。n太阳辐射能通过影响混合层而成为驱动整个海洋太阳辐射能通过影响混合层而成为驱动整个海洋运动的重要原动力。运动的重要原动力。海气相互作用海气相互作用2022-12-1811四、四、ENSO及其对大气环流的影响及其对大气环流的影响n1 1ENSOENSO，El
9、NinoElNino、南方涛动和、南方涛动和LaNinaLaNina定义定义nENSOENSO是厄尔尼诺是厄尔尼诺 (ElNino)(ElNino)和南方涛动和南方涛动（Southern OscillationSouthern Oscillation）的合称，二者有非常）的合称，二者有非常好的相关关系。当赤道东太平洋表层水温（好的相关关系。当赤道东太平洋表层水温（SSTSST）正距平，南方涛动指数往往是负。正距平，南方涛动指数往往是负。海气相互作用海气相互作用2022-12-1812El Nino Backgroundn每隔每隔2-72-7年，赤道东太平洋的表层海水就会变的年，赤道东太平洋的表
10、层海水就会变的很温暖，本来秘鲁西海岸丰富的鱼群变得很少，很温暖，本来秘鲁西海岸丰富的鱼群变得很少，以鱼为食品的鸟类也大量死亡。安第斯山脉西边以鱼为食品的鸟类也大量死亡。安第斯山脉西边的沙漠地带变得雨水充沛。同时，世界各地都会的沙漠地带变得雨水充沛。同时，世界各地都会发生一些非常异常的天气。比如非洲的大旱，印发生一些非常异常的天气。比如非洲的大旱，印度的饥荒，美国的飓风与中国的洪水等。度的饥荒，美国的飓风与中国的洪水等。海气相互作用海气相互作用2022-12-1813EQ发生位置赤道太平洋Nino1+2:0-10S,90W-80W;Nino3:5N-5S;150W-90WNino4:5N-5S,
11、160E-150W;Nino3+4:5N-5S,170W-120WNino1+2Nino4Nino3.4Nino3海气相互作用海气相互作用2022-12-1814定义n厄尔尼诺厄尔尼诺(El Nio)是西班牙语里的“圣婴”(男孩)。拉尼娜(La Nina)指女孩。历史上这个术语被厄瓜多尔和秘鲁的渔民指发生在南美西海岸圣诞节期间的暖水现象，这种现象经常会持续好几个月。这期间渔民的捕鱼量会急剧减少。本来安第斯山脉以西的干旱地带会变得雨量充沛，沙漠就会散发春机。现在的人们常把发生厄尔尼诺看作自然灾害，因为秘鲁当地的渔业、鸟粪出口会受到致命打击，但同时也带来其它好处。n厄尔尼诺南方涛动(El Nio-
12、Southern Oscillation:ENSO)是指热带太平洋大尺度海气相互作用现象。南方涛动是大气现象，指的是东南热带太平洋的海面气压与澳大利亚印度尼西亚的海面气压之间有一种“跷跷板”关系。在厄尔尼诺期间，赤道东太平洋海温异常温暖，导致其上海面气压异常降低；与在相反的是，赤道西太平洋海温异常凉快，导致当地海面气压异常升高。因此东西向的海面气压差减小就会造成赤道信风被削弱。海气相互作用海气相互作用2022-12-1815海气相互作用海气相互作用2022-12-1816特征nENSO是海气现在作用的一个完美的例子，缺少海洋大气的任何一方都不会发生ENSO。nENSO不是指正常的海气相互作用状
13、况，它是热带太平洋海气相互作用的一种异常状况。对全球的天气和气候会产生重要的影响。比如它会导致全球降水的重新分布，从而导致导致异常的洪水和干旱。海气相互作用海气相互作用2022-12-1817上升流上升流 指较海洋深层次的冷水向上层流动的现象。下图是秘鲁沿岸上升流的示意图。由于风和海水之间的摩擦应力，再加上地球自转效应，南(北)半球的表层海水输送与风向成90度角并指向风向的左(右)边。因此秘鲁沿岸向北的风就把表层海水往西拖动，从而造成了地球上最强的上升流区。秘鲁上升流把营养丰富的深层海水带到海面，从而吸引了大量的鱼类来到这里生存繁衍，进而吸引了大量以鱼为生的鸟类在秘鲁沿岸栖息，这就带动了秘鲁的
14、渔业经济和鸟粪经济。因此上升流的强弱关系到秘鲁的国计民生。上升流的强度决定于局地温跃层的深度和强度。温跃层 是海面混合层与深水之间的过渡层。根据温度的分布可以确定不同层的位置和厚度。混合层接近海面，温度较为均匀，厚度约50-100m不等。温跃层中的温度变化非常剧烈，再往下的深层海水温度很低，但温度变化不大。海气相互作用海气相互作用2022-12-1818正常年的海温赤道太平洋的东南信风将赤道表层暖水源源不断的从东边输送到西边。从而造成暖水在西侧堆积。在地球自转的作用下，赤道南北两侧的海水分别向南和向北辐散。因此沿赤道也有上升流，加上秘鲁沿岸上升流，造成热带西高东低的温度分布。观测的海面水温分布
15、：1949-1993年冬季的平均水温分布揭示了东太平洋水温只有22度，而西太平洋水温可以达到28度。从东向西，水温逐渐升高。海气相互作用海气相互作用2022-12-1819正常年的大气状况东南信风 在印度尼西亚附近堆积了大量的暖水，导致西边的海面高度平均比东边高半米左右。随着上升流的持续不断，南美沿岸的温跃层会上升到一个较浅的深度，而大洋西边的温跃层维持在一个较深的深度。在表层海水向西输送的旅途中，海水不断地被大气和太阳加热。西边累积的暖水又加热了其上的大气，导致强的大气抬升运动，从而带来更多的降水。而东边的冷水降低了其上大气的活动性，导致大气密度较大，不易发生对流抬升，因此大气很稳定，降水很
16、少。正常年份即非厄尔尼诺年，强降水经常发生在热带西太平洋，而热带东太平洋却很干爽。海气相互作用海气相互作用2022-12-1820厄尔尼诺发生时首先南方涛动减弱，即赤道东西海平面气压差异减少。东南信风是由东西方向压力差驱动的，因此东南信风减弱，这就允许以前堆积在西北的暖水回流，海平面随之变平。海气相互作用海气相互作用2022-12-1821厄尔尼诺发生时暖水回流使得东太平洋的暖水增加并逐渐堆积。东太平洋的温跃层就被迫往下压，深度加深，这就限制了秘鲁沿岸的上升流，低层的富含营养的冷水就无法向表层输送。对流云和强降水通常是由下层海面加热引起的。因此当暖水向东流动时，云和降水也随之向东偏移。印度尼西
17、亚和澳大利亚将会发生干旱而秘鲁则会迎来充沛的雨水，可能导致蚊虫爆发性滋生以及疾病流型。海气相互作用使这种情况得到加强：压力差减小信风减弱暖水东移压力差减小信风减弱，正反馈过程海气相互作用海气相互作用2022-12-1822http:/oceanworld.tamu.edu/students/elnino/elnino1.htmLeft:Trade-winds push warm water into the western Pacific and cold water upwells in the east.Heavy rains are above the warm pool in the
18、west.Right:The wind pattern has broken down and the warm water has moved to the east.Warm water upwells in the east because the thermocline is so deep.The thermocline is the region that separates warm water near the surface from cold water deeper in the ocean.The Walker circulation is shown by dashe
19、d lines.(Diagram from National Oceanic and Atmospheric Administration,Pacific Marine Environmental Laboratory.)海气相互作用海气相互作用2022-12-1823拉尼娜n与厄尔尼诺正好相反，拉尼娜指东边的海温变得异常的冷，并且冷水异常可以向西延伸很远。拉尼娜和厄尔尼诺的发生频率相当。海气相互作用海气相互作用2022-12-1824一百年来的厄尔尼诺和拉尼娜n厄尔尼诺年厄尔尼诺年 1902-1903 1905-1906 1911-1912 1914-1915 1918-1919 1923-
20、1924 1925-1926 1930-1931 1932-1933 1939-1940 1941-1942 1951-1952 1953-1954 1957-1958 1965-1966 1969-1970 1972-1973 1976-1977 1982-1983 1986-1987 1991-1992 1994-1995 1997-1998n拉尼娜年拉尼娜年 1904-1905 1909-1910 1910-1911 1915-1916 1917-1918 1924-1925 1928-1929 1938-1939 1950-1951 1955-1956 1956-1957 1964-1
21、965 1970-1971 1971-1972 1973-1974 1975-1976 1988-1989 1995-1996海气相互作用海气相互作用2022-12-1825厄尔尼诺指数n以赤道东太平洋以赤道东太平洋NINO3NINO3区区(5S-5N,150W-90W)(5S-5N,150W-90W)的月平均海温异常值的月平均海温异常值作为厄尔尼诺指数，海面异常超过一定阈值作为厄尔尼诺指数，海面异常超过一定阈值(如如1 1)，并持续一段，并持续一段时间时间(如如3-63-6个月个月)，则认为发生了一次厄尔尼诺事件，则认为发生了一次厄尔尼诺事件.海气相互作用海气相互作用2022-12-1826
22、1997/98的厄尔尼诺97/98年的厄尔尼诺是最近50年来最强的一次，最初开始于97年的春季，然后逐渐发展，到97年10月强度达到极大(成熟)。这次事件得到了精确的全方位的观测。上图是97年9月的SST异常，此时厄尔尼诺已基本成熟，最大海温异常超过4度。海气相互作用海气相互作用2022-12-18271997/98的厄尔尼诺海气相互作用海气相互作用2022-12-1828不同的厄尔尼诺事件海气相互作用海气相互作用2022-12-1829不同的拉尼娜事件海气相互作用海气相互作用2022-12-1830目前的海洋观测状况http:/www.cdc.noaa.gov/map/clim/sst_ol
23、r/el_nino_anim.shtml 海气相互作用海气相互作用2022-12-1831ENSO对全球的冲击1982/831982/83年的厄尔尼诺给全球带来年的厄尔尼诺给全球带来8080亿美元的损失亿美元的损失澳大利亚干旱和丛林火灾印度尼西亚，菲律宾农作物减产，食物短缺印度，斯里兰卡干旱，淡水短缺塔西提群岛遭遇6次热带风暴南美渔业灾难跨太平洋的珊瑚礁大量死亡科罗拉多河水泛滥，泥石流 美国墨西哥湾附近的州遭受异常飓风袭击秘鲁厄瓜多尔洪水，山体滑坡南部非洲干旱、疾病、营养不良海气相互作用海气相互作用2022-12-1832ENSO影响渔业海气相互作用海气相互作用2022-12-1833ENSO
24、与印度尼西亚火灾1997年9月30日印度尼西亚加里曼丹岛的热带森林火灾(courtesy of NOAA/Significant Event Imagery).海气相互作用海气相互作用2022-12-1834ENSO与干旱洪水(右)1982/83厄尔尼诺事件造成的南部非洲大旱(左)1982厄瓜多尔洪水(Both by T.Nebbia)海气相互作用海气相互作用2022-12-1835African Maize Yield,Relation to ENSO海气相互作用海气相互作用2022-12-1836ENSO与疾病海气相互作用海气相互作用2022-12-1837ENSO与1997/98年的全球
25、降水异常 1997.11 1998.4累积的降水异常情况。卫星观测首次用来估计降水。异常值相对于1979-95的基准平均值(BAMS,1999,80,S1-48)海气相互作用海气相互作用2022-12-1838ENSO监测系统在过去的在过去的20年中，重大的气候研究活动，特别是全球热年中，重大的气候研究活动，特别是全球热带海洋大气实验（带海洋大气实验（TOGA）和世界海洋环流实验（）和世界海洋环流实验（WOCE），），揭示了海洋在耦合气候系统中的关键作用。海洋不仅是揭示了海洋在耦合气候系统中的关键作用。海洋不仅是空气海洋陆地上水和热量变化的主要聚散地，而且空气海洋陆地上水和热量变化的主要聚散地
26、，而且海洋动力学和海洋热力学还参与了热量的重新分配，并海洋动力学和海洋热力学还参与了热量的重新分配，并起着隔离气侯式活性气团的作用。起着隔离气侯式活性气团的作用。TOGA实验的一个重实验的一个重大贡献就是认识到了赤道太平洋动力学在大贡献就是认识到了赤道太平洋动力学在El Nino形成、形成、演变过程中所起的重要作用。根据演变过程中所起的重要作用。根据TOGA实验在热带太实验在热带太平洋布设的现场观测系统，首次成功地进行了平洋布设的现场观测系统，首次成功地进行了El Nino预报预报 海气相互作用海气相互作用2022-12-1839监测ENSO：浮标观测海气相互作用海气相互作用2022-12-1
27、840监测ENSO：卫星观测TOPEX/Poseidon卫星观测的1997年12月10日的海平面高度异常。白色和红色揭示了异常的海水热量分布，赤道东部太平洋海面升高的20cm左右(courtesy of NASA/JPL)海气相互作用海气相互作用2022-12-1841目前的卫星观测http:/www.noaanews.noaa.gov/stories2006/s2559.htm.海气相互作用海气相互作用2022-12-1842预报ENSO：可预测吗？普遍认为在ENSO循环中海洋里大尺度波动扮演重要角色。左图是热带太平洋海平面起伏的动画。对暖事件，海平面升高对应于海温升高，然后是冷事件，情况正好相反。温跃层波动是由风引起的，这些大尺度波动传到海洋的西边界会发生反射，然后把方向相反的信号带回到东部，从而形成完整的一个循环。这就是最简单的延迟振荡机制。实际情况当然要复杂得多。http:/www.pmel.noaa.gov/tao/elnino/simulation.html 海气相互作用海气相互作用2022-12-1843ENSO预报http:/iprc.soest.hawaii.edu/xie/海气相互作用海气相互作用2022-12-1844ENSO预报
