现代气候学第6章：海-气相互作用

1、第六章 海-气相互作用第一节第一节 海洋在气候形成和变化中的重要性海洋在气候形成和变化中的重要性第二节第二节 海、陆物理特性的差异海、陆物理特性的差异第三节第三节 海、陆分布对气候的影响海、陆分布对气候的影响第四节第四节 海洋环流海洋环流第五节第五节 海海-气能量交换气能量交换第六节第六节 热带海洋对气候的影响热带海洋对气候的影响126.16.1 海洋在气候形成和变化中的重要性海洋在气候形成和变化中的重要性（1）海洋是大气的主要能量供应源）海洋是大气的主要能量供应源海洋吸收的太阳辐射中，绝大部分（85%）被海洋表层海洋表层吸收，通过潜热和显热输送给大气.海洋环流热量的经向输送潜热输送大气输送海

2、洋输送3（2）海洋是大气水分的主要供应地）海洋是大气水分的主要供应地 大气中的水汽主要来自海表蒸发土壤水分(w)陆地水循环陆地水循环海洋水循环海洋水循环全球水循环全球水循环裸地裸地蒸发蒸发雪雪3851114（3）海洋对气候的调节作用）海洋对气候的调节作用 海洋的热惯性和动力惯性大，使全球气候季节变化幅度减小，海洋气候季节滞后于陆地 平滑大气高频变化）：海温（某个月的异常：海温（某个月）：多年平均海温)()()()(tTtTTtTTtT自相关)(tT自相关)(tT相关与)()(tTtT5（4）、海洋对温室效应的缓解作用）、海洋对温室效应的缓解作用海洋对大气中的CO2有吸收作用（ CO2的汇），减

3、缓了全球增暖的速率。66.26.2 海、陆物理特性的差异海、陆物理特性的差异6.2.1 海、陆面积的差异海、陆面积的差异1. 海洋表面积占地球总面积的70.8%；2. 南北半球以及各纬度海陆分布不同.南北半球每5度纬度中海陆面积的百分比 6.2.2 海、陆表面辐射特性的差异海、陆表面辐射特性的差异1. 对太阳辐射的反射率，海水表面平均为5-6%，陆面平均为10-30%，海面辐射差额大于陆面；2. 海水对辐射的透射作用，使海水吸收、储存更多的太阳辐射。 海洋透射可以到100m，陆面不到1mm纬 度陆 地海 洋QRQR7060N6050N5040N4030N3020N2010N100N010S10

4、20S2030S3040S4050S5060S全 球351741875317649073277578661562806908808067415108360157789211340188424282680309833083308314029722596184214652093314037684731594570347411741175787411690860294857364360299631800268037684647506651915317510845643852310419263810 海、陆表面太阳总辐射和净辐射的比较 (MJm-2年-1 ）为什么差异小6.2.3 海、陆向大气热量输送

5、的差异海、陆向大气热量输送的差异1. 全球平均感热输送陆地大于海洋；2. 各纬度及全球平均海洋蒸发比陆地大3倍以上.6.2.4 海、陆向下热量输送的差异海、陆向下热量输送的差异1. 海水的热容（是空气的3100倍）大于土壤1-2倍；2. 海水有铅直混合作用：涡动、对流和分子垂直运动与；3. 海水大规模的水平运动。6.2.5 海、陆表面的摩擦阻力的差异海、陆表面的摩擦阻力的差异海面平滑、粗糙度小、平均风速大于陆面纬度带陆 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、陆表面热量平衡

7、各分量的纬圈年平均 (MJm-2) 6.3.1 海、陆分布对环流的影响海、陆分布对环流的影响(2) 海陆分布对季风的影响海陆分布对季风的影响副高强副高弱116.36.3 海、陆分布对气候的影响海、陆分布对气候的影响12(1) 海陆分布对西风扰动的影响海陆分布对西风扰动的影响使平直气流产生了槽脊波动 冷 暖 冷 暖6.3.2 海、陆分布对气温的影响海、陆分布对气温的影响1、夏季海面气温低于陆地，冬季相反；2、海面气温的日较差和年较差都小于陆面.等压面（等压面（hPa）月月亚非大陆亚非大陆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、陆气温及其差值（） 6.3.3 海、陆分布对大气水份和降水的影响海、陆分布对大气水份和降水的影响1）对空气湿度的影响对空气湿度的影响：海面上的空气湿度大于陆地.2）对雾的影响对雾的影响：海洋、陆地哪个多平流雾、哪个多辐射雾？3）对降水的影响对降水的影响 对流雨：陆地上主要出现在夏季午后，海洋上出现在冬季夜间。 地形雨：陆地上 锋面雨与

9、气旋雨：海洋多于陆地辐射雾：由辐射冷却形成的，多数出现在晴朗、微风、 近地面水汽比较充沛且比较稳定或有逆温存在的夜间和清晨平流雾：暖而湿的空气作水平运动，经过寒冷的地面或水面， 空气中的水蒸汽逐渐受冷液化而形成的雾雾形成的条件一是冷却，二是加湿，三是有凝结核海、陆对温度和降水等气象要素的影响海、陆对温度和降水等气象要素的影响全球海洋表面平均溫度 (oF)6.4 6.4 海洋环流海洋环流18海洋的热力状况海洋的热力状况1）海洋温度随纬度增高而降低）海洋温度随纬度增高而降低2）低纬西部海温高于东部，中、高纬东部海温高于）低纬西部海温高于东部，中、高纬东部海温高于西部（受寒、暖流的影响）西部（受寒、

10、暖流的影响）3）北半球各纬度平均海温高于南半球相应纬度）北半球各纬度平均海温高于南半球相应纬度4）全球平均海温（）全球平均海温（17.4）高于气温）高于气温(14.3)，海洋，海洋是大气的热源是大气的热源5）海水温度变化小于同纬度的大气和大陆。）海水温度变化小于同纬度的大气和大陆。 洋流：受海面风应力作用，因此洋流：受海面风应力作用，因此动力原因动力原因产生的海流产生的海流 温盐环流：海面受热不均、蒸发降水不均所产生的温盐环流：海面受热不均、蒸发降水不均所产生的 温度和盐度温度和盐度变化，导致密度分布不均匀形成变化，导致密度分布不均匀形成 的的热力学热力学海流海流大洋环流的根本原因：大洋环流的

11、根本原因：风应力、热通量、淡水通量风应力、热通量、淡水通量l海洋表层环流（风海流）黑潮（日本暖流）：黑潮（日本暖流）：得名于其较其他正常海水的颜色深，这是由于黑潮内所含的杂质和营养盐较少，阳光穿透过水的表面后，较少被反射回水面22亚洲的亚洲的北海道渔场北海道渔场，欧洲的，欧洲的北海渔场北海渔场，北美洲的，北美洲的纽芬兰渔场纽芬兰渔场都是寒暖流交汇形成的。都是寒暖流交汇形成的。只有南美洲的只有南美洲的秘鲁渔场秘鲁渔场，是由于秘鲁沿海盛行上升补偿流，将深海的营养盐类带到表层，是由于秘鲁沿海盛行上升补偿流，将深海的营养盐类带到表层，促使浮游生物大量繁殖生长，为鱼类提供了充足的饵料，因而形成世界级的大

12、渔场。促使浮游生物大量繁殖生长，为鱼类提供了充足的饵料，因而形成世界级的大渔场。 太平洋海温西高东低的原因？1.秘鲁寒流沿着大陆两侧北上，其中一部分在赤道附近变成南赤道海流后向西移动；2.沿低纬海域由东向西吹的信风使赤道附近的暖水积蓄在太平洋西侧，通常称为暖池；3.相随于信风沿赤道吹东风，太平洋东侧下层冷海水涌升到海表面。 表层洋流表层洋流与与赤道潜流赤道潜流秘鲁渔场的成因示意图暖暖 池池 热带西太平洋是全球海温最高的海域，常年维持着28以上的高温，全球大约90%的暖海水集中在这里，故称西太平洋暖池暖池（Western Pacific Warm Pool） 该区海温异常制约着亚太区域乃至全球的

13、气候变化，是大气热量主要供应地。由于太阳辐射、热量交换、自东向西信风吹送等的作用，大量暖水逐渐积蓄在暖池区，致使该区海表面温度比东太平洋高出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，極帶最低世界盐度最高海区：世界盐度最高海区：红海（红海（4.1%4.1%）世界盐度最低海区：世界盐度最低海区： 波罗的海波罗的海(1%(1%）原因：原因：1、地处副热带海区，常年受副高控制，、地处副热带海区，常年受副高控制， 降水少，蒸发旺盛。降水少，蒸发旺盛。 2、周围沙漠广布，几乎无径流注入。、周围沙漠广布，几乎无径流注入。原因：原因：1、受副极地低气压带和西风影响，、受

14、副极地低气压带和西风影响， 降水较多，纬度高，蒸发弱。降水较多，纬度高，蒸发弱。 2、周围陆地有大量淡水汇入。、周围陆地有大量淡水汇入。29温盐环流海气快速相互作用的区域海气快速相互作用的区域 示意图示意图全球气候系统的经向环流体系示意图全球气候系统的经向环流体系示意图 海洋环流对气候的影响海洋环流对气候的影响1. 海洋环流的热量输送1）经向输送：约占总经向输送的30%2）纬向和垂直方向输送2.海洋环流的水份输送各大洋间的水份交换(mm/a) P90 表表4.5大洋降水量蒸发量大陆边缘地区的径流与临近大洋交换的水量大西洋印度洋太平洋北冰洋7801010121024010401380114012

15、02007060230603001303503. 海洋环流对气温的影响海洋环流对气温的影响1）调节了低纬和高纬的温差经 度(地区)0大西洋130E欧亚大陆170W太平洋90W北美大陆1月7月平均22161974841472536582541大陆和大洋上赤道至北极圈气温差(C)的比较 2）东、西岸的气温差异4. 海洋环流对降水的影响海洋环流对降水的影响346.5 6.5 海海- -气能量交换气能量交换3海海气界面的物质交换过程气界面的物质交换过程 1. 蒸发与降水 2 . 海盐交换 3. CO2 和O2的交换6.5.1 海-气能量转换的物理过程1 海海气界面能量交换（辐射）气界面能量交换（辐射）

16、2 海海气界面能量交换（热量）气界面能量交换（热量）4、海、海气动量交换气动量交换 大气运动给海面以应力向海面输送水平动量 一部分形成风浪、一部分形成洋流的动能 2、海、海气界面能量交换（热量）气界面能量交换（热量）1）海洋是大气的主要能源供应地，同时潜热大于感热；2）冬季海洋向大气的能量输送大于夏季.1 海海气界面能量交换（辐射）气界面能量交换（辐射）wQHLER海-气界面辐射平衡方程FQR)1 (wQ为海面与下层海水通过水分子传输的热通量。)(asDpTTuCcH)(asDqquLCLE地球上全年洋流垂直热量输送分布（单位：kcal/m 2a，负的表示下层向海表输送） 376.6 6.6

17、热带海洋对气候的影响热带海洋对气候的影响全球海表面年平均温度（单位：，等值线间隔：3）El Nio现象现象发生时间:冬季（或称“强盛期”）周期:平均3-4年或2-7年一个循环, 持续时间约12-18个月La Nia现象现象“拉尼娜拉尼娜” ，或称，或称“反厄尔尼诺反厄尔尼诺”、“反圣婴反圣婴”La Nia ConditionsNormal Pacific patternEl Nio ConditionsENSO的特点的特点1.沿着赤道，东太平洋斜温层加深，西太平洋斜温沿着赤道，东太平洋斜温层加深，西太平洋斜温 层变浅。层变浅。2.自自东太平洋东太平洋开始逐渐向西，出现正开始逐渐向西，出现正海表

18、面温度海表面温度 距平距平，到达冬季为最强。，到达冬季为最强。3.ENSO开始开始时，时，在在东太平洋正的海表面温度距平东太平洋正的海表面温度距平 的增强，较弱了沃克环流在此的下沉支，和西的增强，较弱了沃克环流在此的下沉支，和西太太 平洋平洋与之相反。与之相反。41 厄尔尼诺厄尔尼诺（El Nio） ：海洋异常现象，用来指发生在厄瓜多尔 南部和秘鲁北部沿岸海面温度异常升高 的现象。 拉尼娜拉尼娜（La Nia）: 赤道东太平洋海温低于正常值的事件。 南方涛动南方涛动(Southern Oscillation) ：大气环流异常，用来描述热 带太平洋地区和热印度洋地区的气压场 （SLP）反相变化的

19、跷跷板现象。 (塔希堤岛与达尔文的SLP差值 ) 典型El Nino事件的发生发展过程前兆阶段3-5月异常发展阶段10月成熟阶段11-1月恢复阶段El Nio的定量方法SOISOI = = 海平面气压海平面气压差（塔希提差（塔希提 达尔文）达尔文）南方南方涛动涛动( (跷跷跷跷板板) ) (Southern Oscillation )达尔文岛（红色）和塔希提岛（绿色）海平面气压距平的演变南方涛动指数（SOI）：塔希提（Tahiti）岛与达尔文（Darwin）岛之间的气压差。 南方涛动特征指数南方涛动特征指数 （SourthernSourthern Oscillation IndexOscill

20、ation Index，SOISOI）1919世纪初世纪初由英国气象学家沃克（Gilbert Walker ） 定义：定义：塔希提塔希提与与达尔文达尔文两地的海平面气压差距平值）两地的海平面气压差距平值）El NinoEl Nino现象和现象和SOI的负值有关的负值有关La NinaLa Nina现象和现象和SOI的的正值有关正值有关ENSO （ El Nio Southern Oscillation）厄尔尼诺和南方涛动的总称厄尔尼诺和南方涛动的总称上图：上图：NINO3区海温与区海温与其他海区海温的其他海区海温的相关分布图；相关分布图；中图：中图：雅加达表雅加达表面气压与其他区面气压与其他区

21、域的相关分布图；域的相关分布图；下图：下图：南方涛动南方涛动指数（兰线）与指数（兰线）与赤道中太平洋海赤道中太平洋海面温度异常（红面温度异常（红线）时间序列线）时间序列。/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). 沃克沃克环流图环流图3. 沃克环流赤道东太平洋下沉，西太平洋上升，地面为偏东风，高层为西风的纬向垂直环流称为沃克环流(Walker Circulation) 。1960年雅各布.皮叶克尼斯(Jacob Bjerknes)发现赤道洋面的纬向垂直环流圈 El Nio现象正常年：海水向西移动，海洋低层低温富有营养盐的涌升流上升补充。厄尔尼诺期间：使海水向西的力量减弱，反而使表层海水向东移，低层营养盐的涌升流不会上升。5758-3-2-101234345678910111212月海表温度异常月海表温度异常 (K)1950-2009年平均年平均Nino 1+2为什么为