現代氣候學第6章：海-氣相互作用

1、第六章 海-氣相互作用第一節(jié)第一節(jié) 海洋在氣候形成和變化中的重要性海洋在氣候形成和變化中的重要性第二節(jié)第二節(jié) 海、陸物理特性的差異海、陸物理特性的差異第三節(jié)第三節(jié) 海、陸分布對氣候的影響海、陸分布對氣候的影響第四節(jié)第四節(jié) 海洋環(huán)流海洋環(huán)流第五節(jié)第五節(jié) 海海-氣能量交換氣能量交換第六節(jié)第六節(jié) 熱帶海洋對氣候的影響熱帶海洋對氣候的影響126.16.1 海洋在氣候形成和變化中的重要性海洋在氣候形成和變化中的重要性（1）海洋是大氣的主要能量供應源）海洋是大氣的主要能量供應源海洋吸收的太陽輻射中，絕大部分（85%）被海洋表層海洋表層吸收，通過潛熱和顯熱輸送給大氣.海洋環(huán)流熱量的經向輸送潛熱輸送大氣輸送海

2、洋輸送3（2）海洋是大氣水分的主要供應地）海洋是大氣水分的主要供應地 大氣中的水汽主要來自海表蒸發(fā)土壤水分(w)陸地水循環(huán)陸地水循環(huán)海洋水循環(huán)海洋水循環(huán)全球水循環(huán)全球水循環(huán)裸地裸地蒸發(fā)蒸發(fā)雪雪3851114（3）海洋對氣候的調節(jié)作用）海洋對氣候的調節(jié)作用 海洋的熱慣性和動力慣性大，使全球氣候季節(jié)變化幅度減小，海洋氣候季節(jié)滯后于陸地 平滑大氣高頻變化）：海溫（某個月的異常：海溫（某個月）：多年平均海溫)()()()(tTtTTtTTtT自相關)(tT自相關)(tT相關與)()(tTtT5（4）、海洋對溫室效應的緩解作用）、海洋對溫室效應的緩解作用海洋對大氣中的CO2有吸收作用（ CO2的匯），減

3、緩了全球增暖的速率。66.26.2 海、陸物理特性的差異海、陸物理特性的差異6.2.1 海、陸面積的差異海、陸面積的差異1. 海洋表面積占地球總面積的70.8%；2. 南北半球以及各緯度海陸分布不同.南北半球每5度緯度中海陸面積的百分比 6.2.2 海、陸表面輻射特性的差異海、陸表面輻射特性的差異1. 對太陽輻射的反射率，海水表面平均為5-6%，陸面平均為10-30%，海面輻射差額大于陸面；2. 海水對輻射的透射作用，使海水吸收、儲存更多的太陽輻射。 海洋透射可以到100m，陸面不到1mm緯 度陸 地海 洋QRQR7060N6050N5040N4030N3020N2010N100N010S10

4、20S2030S3040S4050S5060S全 球351741875317649073277578661562806908808067415108360157789211340188424282680309833083308314029722596184214652093314037684731594570347411741175787411690860294857364360299631800268037684647506651915317510845643852310419263810 海、陸表面太陽總輻射和凈輻射的比較 (MJm-2年-1 ）為什么差異小6.2.3 海、陸向大氣熱量輸送

5、的差異海、陸向大氣熱量輸送的差異1. 全球平均感熱輸送陸地大于海洋；2. 各緯度及全球平均海洋蒸發(fā)比陸地大3倍以上.6.2.4 海、陸向下熱量輸送的差異海、陸向下熱量輸送的差異1. 海水的熱容（是空氣的3100倍）大于土壤1-2倍；2. 海水有鉛直混合作用：渦動、對流和分子垂直運動與；3. 海水大規(guī)模的水平運動。6.2.5 海、陸表面的摩擦阻力的差異海、陸表面的摩擦阻力的差異海面平滑、粗糙度小、平均風速大于陸面緯度帶陸 地海 洋全 球LEHLEHLEH7060N6702511298921837461 605096337719687951382544 5040104783728056701884

6、754 4030963146540195862721963 3020796188445632933140879 20101340175848992933978670 100238792143542933894418 010S255474541452513768377 10201884125647313774103586 20301172180044384613684754 30401214138234334613182586 405092192121352512093293 506092154414653771465377 全球平均113096334333772763544 海、陸表面熱量平衡

7、各分量的緯圈年平均 (MJm-2) 6.3.1 海、陸分布對環(huán)流的影響海、陸分布對環(huán)流的影響(2) 海陸分布對季風的影響海陸分布對季風的影響副高強副高弱116.36.3 海、陸分布對氣候的影響海、陸分布對氣候的影響12(1) 海陸分布對西風擾動的影響海陸分布對西風擾動的影響使平直氣流產生了槽脊波動 冷 暖 冷 暖6.3.2 海、陸分布對氣溫的影響海、陸分布對氣溫的影響1、夏季海面氣溫低于陸地，冬季相反；2、海面氣溫的日較差和年較差都小于陸面.等壓面（等壓面（hPa）月月亞非大陸亞非大陸太平洋太平洋海平面海平面19.212.5-3.3785015.56.5-1.0724.0

8、16.47.67001-1.3-0.3-1.075001-16.5-14.5-2.07-4.3-6.82.53001-41.8-38.3-3.37-28.1-33.04.92001-51.57-46.5-53.47.1 在30N不同高度上，海、陸氣溫及其差值（） 6.3.3 海、陸分布對大氣水份和降水的影響海、陸分布對大氣水份和降水的影響1）對空氣濕度的影響對空氣濕度的影響：海面上的空氣濕度大于陸地.2）對霧的影響對霧的影響：海洋、陸地哪個多平流霧、哪個多輻射霧？3）對降水的影響對降水的影響 對流雨：陸地上主要出現在夏季午后，海洋上出現在冬季夜間。 地形雨：陸地上 鋒面雨與

9、氣旋雨：海洋多于陸地輻射霧：由輻射冷卻形成的，多數出現在晴朗、微風、 近地面水汽比較充沛且比較穩(wěn)定或有逆溫存在的夜間和清晨平流霧：暖而濕的空氣作水平運動，經過寒冷的地面或水面， 空氣中的水蒸汽逐漸受冷液化而形成的霧霧形成的條件一是冷卻，二是加濕，三是有凝結核海、陸對溫度和降水等氣象要素的影響海、陸對溫度和降水等氣象要素的影響全球海洋表面平均溫度 (oF)6.4 6.4 海洋環(huán)流海洋環(huán)流18海洋的熱力狀況海洋的熱力狀況1）海洋溫度隨緯度增高而降低）海洋溫度隨緯度增高而降低2）低緯西部海溫高于東部，中、高緯東部海溫高于）低緯西部海溫高于東部，中、高緯東部海溫高于西部（受寒、暖流的影響）西部（受寒、

10、暖流的影響）3）北半球各緯度平均海溫高于南半球相應緯度）北半球各緯度平均海溫高于南半球相應緯度4）全球平均海溫（）全球平均海溫（17.4）高于氣溫）高于氣溫(14.3)，海洋，海洋是大氣的熱源是大氣的熱源5）海水溫度變化小于同緯度的大氣和大陸。）海水溫度變化小于同緯度的大氣和大陸。 洋流：受海面風應力作用，因此洋流：受海面風應力作用，因此動力原因動力原因產生的海流產生的海流 溫鹽環(huán)流：海面受熱不均、蒸發(fā)降水不均所產生的溫鹽環(huán)流：海面受熱不均、蒸發(fā)降水不均所產生的 溫度和鹽度溫度和鹽度變化，導致密度分布不均勻形成變化，導致密度分布不均勻形成 的的熱力學熱力學海流海流大洋環(huán)流的根本原因：大洋環(huán)流的

11、根本原因：風應力、熱通量、淡水通量風應力、熱通量、淡水通量l海洋表層環(huán)流（風海流）黑潮（日本暖流）：黑潮（日本暖流）：得名于其較其他正常海水的顏色深，這是由于黑潮內所含的雜質和營養(yǎng)鹽較少，陽光穿透過水的表面后，較少被反射回水面22亞洲的亞洲的北海道漁場北海道漁場，歐洲的，歐洲的北海漁場北海漁場，北美洲的，北美洲的紐芬蘭漁場紐芬蘭漁場都是寒暖流交匯形成的。都是寒暖流交匯形成的。只有南美洲的只有南美洲的秘魯漁場秘魯漁場，是由于秘魯沿海盛行上升補償流，將深海的營養(yǎng)鹽類帶到表層，是由于秘魯沿海盛行上升補償流，將深海的營養(yǎng)鹽類帶到表層，促使浮游生物大量繁殖生長，為魚類提供了充足的餌料，因而形成世界級的大

12、漁場。促使浮游生物大量繁殖生長，為魚類提供了充足的餌料，因而形成世界級的大漁場。 太平洋海溫西高東低的原因？1.秘魯寒流沿著大陸兩側北上，其中一部分在赤道附近變成南赤道海流后向西移動；2.沿低緯海域由東向西吹的信風使赤道附近的暖水積蓄在太平洋西側，通常稱為暖池；3.相隨于信風沿赤道吹東風，太平洋東側下層冷海水涌升到海表面。 表層洋流表層洋流與與赤道潛流赤道潛流秘魯漁場的成因示意圖暖暖 池池 熱帶西太平洋是全球海溫最高的海域，常年維持著28以上的高溫，全球大約90%的暖海水集中在這里，故稱西太平洋暖池暖池（Western Pacific Warm Pool） 該區(qū)海溫異常制約著亞太區(qū)域乃至全球的

13、氣候變化，是大氣熱量主要供應地。由于太陽輻射、熱量交換、自東向西信風吹送等的作用，大量暖水逐漸積蓄在暖池區(qū)，致使該區(qū)海表面溫度比東太平洋高出39。海表鹽度分佈海表鹽度分佈亞熱帶最高，熱帶次之，極帶最低亞熱帶最高，熱帶次之，極帶最低世界鹽度最高海區(qū)：世界鹽度最高海區(qū)：紅海（紅海（4.1%4.1%）世界鹽度最低海區(qū)：世界鹽度最低海區(qū)： 波羅的海波羅的海(1%(1%）原因：原因：1、地處副熱帶海區(qū)，常年受副高控制，、地處副熱帶海區(qū)，常年受副高控制， 降水少，蒸發(fā)旺盛。降水少，蒸發(fā)旺盛。 2、周圍沙漠廣布，幾乎無徑流注入。、周圍沙漠廣布，幾乎無徑流注入。原因：原因：1、受副極地低氣壓帶和西風影響，、受

14、副極地低氣壓帶和西風影響， 降水較多，緯度高，蒸發(fā)弱。降水較多，緯度高，蒸發(fā)弱。 2、周圍陸地有大量淡水匯入。、周圍陸地有大量淡水匯入。29溫鹽環(huán)流海氣快速相互作用的區(qū)域海氣快速相互作用的區(qū)域 示意圖示意圖全球氣候系統的經向環(huán)流體系示意圖全球氣候系統的經向環(huán)流體系示意圖 海洋環(huán)流對氣候的影響海洋環(huán)流對氣候的影響1. 海洋環(huán)流的熱量輸送1）經向輸送：約占總經向輸送的30%2）緯向和垂直方向輸送2.海洋環(huán)流的水份輸送各大洋間的水份交換(mm/a) P90 表表4.5大洋降水量蒸發(fā)量大陸邊緣地區(qū)的徑流與臨近大洋交換的水量大西洋印度洋太平洋北冰洋7801010121024010401380114012

15、02007060230603001303503. 海洋環(huán)流對氣溫的影響海洋環(huán)流對氣溫的影響1）調節(jié)了低緯和高緯的溫差經 度(地區(qū))0大西洋130E歐亞大陸170W太平洋90W北美大陸1月7月平均22161974841472536582541大陸和大洋上赤道至北極圈氣溫差(C)的比較 2）東、西岸的氣溫差異4. 海洋環(huán)流對降水的影響海洋環(huán)流對降水的影響346.5 6.5 海海- -氣能量交換氣能量交換3海海氣界面的物質交換過程氣界面的物質交換過程 1. 蒸發(fā)與降水 2 . 海鹽交換 3. CO2 和O2的交換6.5.1 海-氣能量轉換的物理過程1 海海氣界面能量交換（輻射）氣界面能量交換（輻射）

16、2 海海氣界面能量交換（熱量）氣界面能量交換（熱量）4、海、海氣動量交換氣動量交換 大氣運動給海面以應力向海面輸送水平動量 一部分形成風浪、一部分形成洋流的動能 2、海、海氣界面能量交換（熱量）氣界面能量交換（熱量）1）海洋是大氣的主要能源供應地，同時潛熱大于感熱；2）冬季海洋向大氣的能量輸送大于夏季.1 海海氣界面能量交換（輻射）氣界面能量交換（輻射）wQHLER海-氣界面輻射平衡方程FQR)1 (wQ為海面與下層海水通過水分子傳輸的熱通量。)(asDpTTuCcH)(asDqquLCLE地球上全年洋流垂直熱量輸送分布（單位：kcal/m 2a，負的表示下層向海表輸送） 376.6 6.6

17、熱帶海洋對氣候的影響熱帶海洋對氣候的影響全球海表面年平均溫度（單位：，等值線間隔：3）El Nio現象現象發(fā)生時間:冬季（或稱“強盛期”）周期:平均3-4年或2-7年一個循環(huán), 持續(xù)時間約12-18個月La Nia現象現象“拉尼娜拉尼娜” ，或稱，或稱“反厄爾尼諾反厄爾尼諾”、“反圣嬰反圣嬰”La Nia ConditionsNormal Pacific patternEl Nio ConditionsENSO的特點的特點1.沿著赤道，東太平洋斜溫層加深，西太平洋斜溫沿著赤道，東太平洋斜溫層加深，西太平洋斜溫 層變淺。層變淺。2.自自東太平洋東太平洋開始逐漸向西，出現正開始逐漸向西，出現正海表

18、面溫度海表面溫度 距平距平，到達冬季為最強。，到達冬季為最強。3.ENSO開始開始時，時，在在東太平洋正的海表面溫度距平東太平洋正的海表面溫度距平 的增強，較弱了沃克環(huán)流在此的下沉支，和西的增強，較弱了沃克環(huán)流在此的下沉支，和西太太 平洋平洋與之相反。與之相反。41 厄爾尼諾厄爾尼諾（El Nio） ：海洋異?，F象，用來指發(fā)生在厄瓜多爾 南部和秘魯北部沿岸海面溫度異常升高 的現象。 拉尼娜拉尼娜（La Nia）: 赤道東太平洋海溫低于正常值的事件。 南方濤動南方濤動(Southern Oscillation) ：大氣環(huán)流異常，用來描述熱 帶太平洋地區(qū)和熱印度洋地區(qū)的氣壓場 （SLP）反相變化的

19、蹺蹺板現象。 (塔希堤島與達爾文的SLP差值 ) 典型El Nino事件的發(fā)生發(fā)展過程前兆階段3-5月異常發(fā)展階段10月成熟階段11-1月恢復階段El Nio的定量方法SOISOI = = 海平面氣壓海平面氣壓差（塔希提差（塔希提 達爾文）達爾文）南方南方濤動濤動( (蹺蹺蹺蹺板板) ) (Southern Oscillation )達爾文島（紅色）和塔希提島（綠色）海平面氣壓距平的演變南方濤動指數（SOI）：塔希提（Tahiti）島與達爾文（Darwin）島之間的氣壓差。 南方濤動特征指數南方濤動特征指數 （SourthernSourthern Oscillation IndexOscill

20、ation Index，SOISOI）1919世紀初世紀初由英國氣象學家沃克（Gilbert Walker ） 定義：定義：塔希提塔希提與與達爾文達爾文兩地的海平面氣壓差距平值）兩地的海平面氣壓差距平值）El NinoEl Nino現象和現象和SOI的負值有關的負值有關La NinaLa Nina現象和現象和SOI的的正值有關正值有關ENSO （ El Nio Southern Oscillation）厄爾尼諾和南方濤動的總稱厄爾尼諾和南方濤動的總稱上圖：上圖：NINO3區(qū)海溫與區(qū)海溫與其他海區(qū)海溫的其他海區(qū)海溫的相關分布圖；相關分布圖；中圖：中圖：雅加達表雅加達表面氣壓與其他區(qū)面氣壓與其他區(qū)

21、域的相關分布圖；域的相關分布圖；下圖：下圖：南方濤動南方濤動指數（蘭線）與指數（蘭線）與赤道中太平洋海赤道中太平洋海面溫度異常（紅面溫度異常（紅線）時間序列線）時間序列。/psd/people/klaus.wolter/MEI/mei.html#ElNinoThese six variables are: sea-level pressure (P), zonal (U) and meridional (V) components of the surface wind, sea surface temperature (S), surface a

22、ir temperature (A), and total cloudiness fraction of the sky (C). 沃克沃克環(huán)流圖環(huán)流圖3. 沃克環(huán)流赤道東太平洋下沉，西太平洋上升，地面為偏東風，高層為西風的緯向垂直環(huán)流稱為沃克環(huán)流(Walker Circulation) 。1960年雅各布.皮葉克尼斯(Jacob Bjerknes)發(fā)現赤道洋面的緯向垂直環(huán)流圈 El Nio現象正常年：海水向西移動，海洋低層低溫富有營養(yǎng)鹽的涌升流上升補充。厄爾尼諾期間：使海水向西的力量減弱，反而使表層海水向東移，低層營養(yǎng)鹽的涌升流不會上升。5758-3-2-101234345678910111212月海表溫度異常月海表溫度異常 (K)1950-2009年平均年平均Nino 1+2為什么為