(海洋科學(xué)概論課件）第十章 海氣相互作用大綱

1、Introduction to Oceanography李海艷中科院研究生院地學(xué)院Email: ( (海洋科學(xué)概論課件）第海洋科學(xué)概論課件）第十章十章 海氣相互作用大綱海氣相互作用大綱海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用海氣相互作用2022-2-165二、海洋在氣候系統(tǒng)中的地位二、海洋在氣候系統(tǒng)中的地位 n1 1、海洋對(duì)大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響、海洋對(duì)大氣系統(tǒng)熱力平衡的影響n（1 1）吸收）吸收QsQs的的70%70%的絕大部分（的絕大部分（85%85%）儲(chǔ)存于海洋）儲(chǔ)存于海洋表層（混合層）中。這些能量將以潛熱、長(zhǎng)波輻表層（混合層）中。這些能量將以

2、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)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)。動(dòng)。n （2 2）海洋環(huán)流在大氣系統(tǒng)能量輸送和平衡中的）海洋環(huán)流在大氣系統(tǒng)能量輸送和平衡中的重要作用。重要作用。30%30%的經(jīng)向能量輸送由海洋承擔(dān)。的經(jīng)向能量輸送由海洋承擔(dān)。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-166n 2 2、海洋對(duì)水汽循環(huán)的影響、海洋對(duì)水汽循環(huán)的影響n大氣中水汽量的大氣中水汽量的86%86%由海洋提供。尤其低緯度海洋，由海洋提供。尤其低緯度海洋，是大氣水汽的主要源地。是大氣水汽的主要源地。 n3 3、海洋對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的調(diào)諧作用、海洋對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的調(diào)諧作用n海洋的運(yùn)動(dòng)和變化具有

3、明顯的緩慢性和持續(xù)性。海洋的運(yùn)動(dòng)和變化具有明顯的緩慢性和持續(xù)性。n一是將大氣環(huán)流變化信息存于海洋中，再對(duì)大氣產(chǎn)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。生作用。n二是海洋的熱慣性使海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)。二是海洋的熱慣性使海洋狀況的變化有滯后效應(yīng)。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-167n 4 4、海洋對(duì)溫室效應(yīng)的緩解作用海洋環(huán)流減小了、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。應(yīng)改變。而且大氣對(duì)某些因素變化的敏感性降低。減少大氣中二氧化碳含量。減少大氣

4、中二氧化碳含量。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-168三、海洋與大氣相互作用的基本特征三、海洋與大氣相互作用的基本特征n海洋對(duì)大氣的作用主要是熱力的，大氣對(duì)海洋的作用海洋對(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。主要是動(dòng)力的。n1 1海洋對(duì)大氣的熱力作用：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(lái)源。能量來(lái)源。n提供熱量方式有潛熱和感熱兩種，主要是潛熱，要求提供熱量方式有潛熱和感熱兩種，主要是潛熱，要求水汽輻合上升，即相應(yīng)的大氣環(huán)流條件。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

5、含量的分布及向大氣的熱量輸送大洋環(huán)流影響海洋熱含量的分布及向大氣的熱量輸送過(guò)程。是全球尺度特征。過(guò)程。是全球尺度特征。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1692 2大氣對(duì)海洋的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫大氣對(duì)海洋的風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫n大洋環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫有密切關(guān)系。大洋環(huán)流與風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫有密切關(guān)系。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-16103 3海洋上混合層海洋上混合層(UML,(UML,簡(jiǎn)稱海洋混合簡(jiǎn)稱海洋混合層層)(Mixing layer of upper ocean)(Mixing layer of upper ocean)：n對(duì)氣候和大氣環(huán)流變化，海洋混合層十分重要。對(duì)氣候和大氣環(huán)流變化，海洋混合

6、層十分重要?；旌蠈拥幕旌蠈拥妮椇陷椇?、輻散輻散過(guò)程通過(guò)過(guò)程通過(guò)EkmanEkman抽吸效應(yīng)影響抽吸效應(yīng)影響深層海洋環(huán)流；深層海洋環(huán)流；n深層海洋環(huán)流通過(guò)改變混合層的狀況對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)深層海洋環(huán)流通過(guò)改變混合層的狀況對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)影響。影響。n太陽(yáng)輻射能通過(guò)影響混合層而成為驅(qū)動(dòng)整個(gè)海洋太陽(yáng)輻射能通過(guò)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。運(yùn)動(dòng)的重要原動(dòng)力。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1611四、四、ENSO及其對(duì)大氣環(huán)流的影響及其對(duì)大氣環(huán)流的影響n1 1ENSOENSO，ElNinoElNino、南方濤動(dòng)和、南方濤動(dòng)和LaNinaLaNina定義定義nENSOENSO是厄爾尼諾是厄爾尼

7、諾 (ElNino)(ElNino)和南方濤動(dòng)和南方濤動(dòng)（Southern OscillationSouthern Oscillation）的合稱，二者有非常）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（好的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)赤道東太平洋表層水溫（SSTSST）正距平，南方濤動(dòng)指數(shù)往往是負(fù)。正距平，南方濤動(dòng)指數(shù)往往是負(fù)。 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1612El Nino Backgroundn每隔每隔2-72-7年，赤道東太平洋的表層海水就會(huì)變的年，赤道東太平洋的表層海水就會(huì)變的很溫暖，本來(lái)秘魯西海岸豐富的魚群變得很少，很溫暖，本來(lái)秘魯西海岸豐富的魚群變得很少，以魚為食品的鳥

8、類也大量死亡。安第斯山脈西邊以魚為食品的鳥類也大量死亡。安第斯山脈西邊的沙漠地帶變得雨水充沛。同時(shí)，世界各地都會(huì)的沙漠地帶變得雨水充沛。同時(shí)，世界各地都會(huì)發(fā)生一些非常異常的天氣。比如非洲的大旱，印發(fā)生一些非常異常的天氣。比如非洲的大旱，印度的饑荒，美國(guó)的颶風(fēng)與中國(guó)的洪水等。度的饑荒，美國(guó)的颶風(fēng)與中國(guó)的洪水等。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1613EQ發(fā)生位置赤道太平洋Nino1+2: 0-10S, 90W-80W; Nino3: 5N-5S; 150W-90WNino4: 5N-5S, 160E-150W; Nino3+4: 5N-5S, 170W-120WNino1+2Nino4Ni

9、no3.4Nino3海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1614定義n厄爾尼諾厄爾尼諾(El Nio)是西班牙語(yǔ)里的“圣嬰”(男孩)。拉尼娜(La Nina)指女孩。歷史上這個(gè)術(shù)語(yǔ)被厄瓜多爾和秘魯?shù)臐O民指發(fā)生在南美西海岸圣誕節(jié)期間的暖水現(xiàn)象，這種現(xiàn)象經(jīng)常會(huì)持續(xù)好幾個(gè)月。這期間漁民的捕魚量會(huì)急劇減少。本來(lái)安第斯山脈以西的干旱地帶會(huì)變得雨量充沛，沙漠就會(huì)散發(fā)春機(jī)?，F(xiàn)在的人們常把發(fā)生厄爾尼諾看作自然災(zāi)害，因?yàn)槊佤敭?dāng)?shù)氐臐O業(yè)、鳥糞出口會(huì)受到致命打擊，但同時(shí)也帶來(lái)其它好處。n厄爾尼諾南方濤動(dòng)(El Nio - Southern Oscillation: ENSO)是指熱帶太平洋大尺度海氣相互作用現(xiàn)象。

10、南方濤動(dòng)是大氣現(xiàn)象，指的是東南熱帶太平洋的海面氣壓與澳大利亞印度尼西亞的海面氣壓之間有一種“蹺蹺板”關(guān)系。在厄爾尼諾期間，赤道東太平洋海溫異常溫暖，導(dǎo)致其上海面氣壓異常降低；與在相反的是，赤道西太平洋海溫異常涼快，導(dǎo)致當(dāng)?shù)睾Ｃ鏆鈮寒惓Ｉ?。因此東西向的海面氣壓差減小就會(huì)造成赤道信風(fēng)被削弱。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1615海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1616特征nENSO是海氣現(xiàn)在作用的一個(gè)完美的例子，缺少海洋大氣的任何一方都不會(huì)發(fā)生ENSO。nENSO不是指正常的海氣相互作用狀況，它是熱帶太平洋海氣相互作用的一種異常狀況。對(duì)全球的天氣和氣候會(huì)產(chǎn)生重要的影響。比如它會(huì)導(dǎo)致

11、全球降水的重新分布，從而導(dǎo)致導(dǎo)致異常的洪水和干旱。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1617上升流上升流 指較海洋深層次的冷水向上層流動(dòng)的現(xiàn)象。下圖是秘魯沿岸上升流的示意圖。由于風(fēng)和海水之間的摩擦應(yīng)力，再加上地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)，南(北)半球的表層海水輸送與風(fēng)向成90度角并指向風(fēng)向的左(右)邊。因此秘魯沿岸向北的風(fēng)就把表層海水往西拖動(dòng)，從而造成了地球上最強(qiáng)的上升流區(qū)。秘魯上升流把營(yíng)養(yǎng)豐富的深層海水帶到海面，從而吸引了大量的魚類來(lái)到這里生存繁衍，進(jìn)而吸引了大量以魚為生的鳥類在秘魯沿岸棲息，這就帶動(dòng)了秘魯?shù)臐O業(yè)經(jīng)濟(jì)和鳥糞經(jīng)濟(jì)。因此上升流的強(qiáng)弱關(guān)系到秘魯?shù)膰?guó)計(jì)民生。上升流的強(qiáng)度決定于局地溫躍層的深度和強(qiáng)

12、度。溫躍層 是海面混合層與深水之間的過(guò)渡層。根據(jù)溫度的分布可以確定不同層的位置和厚度?；旌蠈咏咏Ｃ?，溫度較為均勻，厚度約50-100m不等。溫躍層中的溫度變化非常劇烈，再往下的深層海水溫度很低，但溫度變化不大。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1618正常年的海溫赤道太平洋的東南信風(fēng)將赤道表層暖水源源不斷的從東邊輸送到西邊。從而造成暖水在西側(cè)堆積。在地球自轉(zhuǎn)的作用下，赤道南北兩側(cè)的海水分別向南和向北輻散。因此沿赤道也有上升流，加上秘魯沿岸上升流，造成熱帶西高東低的溫度分布。觀測(cè)的海面水溫分布：1949-1993年冬季的平均水溫分布揭示了東太平洋水溫只有22度，而西太平洋水溫可以達(dá)到28度

13、。從東向西，水溫逐漸升高。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1619正常年的大氣狀況東南信風(fēng) 在印度尼西亞附近堆積了大量的暖水，導(dǎo)致西邊的海面高度平均比東邊高半米左右。隨著上升流的持續(xù)不斷，南美沿岸的溫躍層會(huì)上升到一個(gè)較淺的深度，而大洋西邊的溫躍層維持在一個(gè)較深的深度。在表層海水向西輸送的旅途中，海水不斷地被大氣和太陽(yáng)加熱。西邊累積的暖水又加熱了其上的大氣，導(dǎo)致強(qiáng)的大氣抬升運(yùn)動(dòng)，從而帶來(lái)更多的降水。而東邊的冷水降低了其上大氣的活動(dòng)性，導(dǎo)致大氣密度較大，不易發(fā)生對(duì)流抬升，因此大氣很穩(wěn)定，降水很少。正常年份即非厄爾尼諾年，強(qiáng)降水經(jīng)常發(fā)生在熱帶西太平洋，而熱帶東太平洋卻很干爽。海氣相互作用海氣相

14、互作用2022-2-1620厄爾尼諾發(fā)生時(shí)首先南方濤動(dòng)減弱，即赤道東西海平面氣壓差異減少。東南信風(fēng)是由東西方向壓力差驅(qū)動(dòng)的，因此東南信風(fēng)減弱，這就允許以前堆積在西北的暖水回流，海平面隨之變平。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1621厄爾尼諾發(fā)生時(shí)暖水回流使得東太平洋的暖水增加并逐漸堆積。東太平洋的溫躍層就被迫往下壓，深度加深，這就限制了秘魯沿岸的上升流，低層的富含營(yíng)養(yǎng)的冷水就無(wú)法向表層輸送。對(duì)流云和強(qiáng)降水通常是由下層海面加熱引起的。因此當(dāng)暖水向東流動(dòng)時(shí)，云和降水也隨之向東偏移。印度尼西亞和澳大利亞將會(huì)發(fā)生干旱而秘魯則會(huì)迎來(lái)充沛的雨水，可能導(dǎo)致蚊蟲爆發(fā)性滋生以及疾病流型。海氣相互作用使這種

15、情況得到加強(qiáng)：壓力差減小信風(fēng)減弱暖水東移壓力差減小信風(fēng)減弱，正反饋過(guò)程海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1622/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 west.Right: The wind pattern has broken down and th

16、e 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 dashed lines. (Diagram from National Oceanic and Atm

17、ospheric Administration, Pacific Marine Environmental Laboratory.)海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1623拉尼娜n與厄爾尼諾正好相反，拉尼娜指東邊的海溫變得異常的冷，并且冷水異?？梢韵蛭餮由旌苓h(yuǎn)。拉尼娜和厄爾尼諾的發(fā)生頻率相當(dāng)。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1624一百年來(lái)的厄爾尼諾和拉尼娜n厄爾尼諾年厄爾尼諾年 1902-1903 1905-1906 1911-1912 1914-1915 1918-1919 1923-1924 1925-1926 1930-1931 1932-1933 1939-1940 19

18、41-1942 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 1964-1965 1970-1971 1971-1972 1973-1974 1975-1976 198

19、8-1989 1995-1996海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1625厄爾尼諾指數(shù)n以赤道東太平洋以赤道東太平洋NINO3NINO3區(qū)區(qū)(5S-5N, 150W-90W)(5S-5N, 150W-90W)的月平均海溫異常值的月平均海溫異常值作為厄爾尼諾指數(shù)，海面異常超過(guò)一定閾值作為厄爾尼諾指數(shù)，海面異常超過(guò)一定閾值( (如如1 1) )，并持續(xù)一段，并持續(xù)一段時(shí)間時(shí)間( (如如3-63-6個(gè)月個(gè)月) )，則認(rèn)為發(fā)生了一次厄爾尼諾事件，則認(rèn)為發(fā)生了一次厄爾尼諾事件. .海氣相互作用海氣相互作用2022-2-16261997/98的厄爾尼諾97/98年的厄爾尼諾是最近50年來(lái)最強(qiáng)的一次，最

20、初開始于97年的春季，然后逐漸發(fā)展，到97年10月強(qiáng)度達(dá)到極大(成熟)。這次事件得到了精確的全方位的觀測(cè)。上圖是97年9月的SST異常，此時(shí)厄爾尼諾已基本成熟，最大海溫異常超過(guò)4度。海氣相互作用海氣相互作用2022-2-16271997/98的厄爾尼諾海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1628不同的厄爾尼諾事件海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1629不同的拉尼娜事件海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1630目前的海洋觀測(cè)狀況/map/clim/sst_olr/el_nino_anim.shtml 海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1

21、631ENSO對(duì)全球的沖擊1982/831982/83年的厄爾尼諾給全球帶來(lái)年的厄爾尼諾給全球帶來(lái)8080億美元的損失億美元的損失澳大利亞干旱和叢林火災(zāi)印度尼西亞，菲律賓農(nóng)作物減產(chǎn)，食物短缺印度，斯里蘭卡干旱，淡水短缺塔西提群島遭遇6次熱帶風(fēng)暴南美漁業(yè)災(zāi)難跨太平洋的珊瑚礁大量死亡科羅拉多河水泛濫，泥石流 美國(guó)墨西哥灣附近的州遭受異常颶風(fēng)襲擊秘魯厄瓜多爾洪水，山體滑坡南部非洲干旱、疾病、營(yíng)養(yǎng)不良海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1632ENSO影響漁業(yè)海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1633ENSO與印度尼西亞火災(zāi)1997年9月30日印度尼西亞加里曼丹島的熱帶森林火災(zāi)(courtesy

22、 of NOAA/Significant Event Imagery).海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1634ENSO與干旱洪水(右) 1982/83厄爾尼諾事件造成的南部非洲大旱(左) 1982厄瓜多爾洪水 (Both by T. Nebbia)海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1635African Maize Yield, Relation to ENSO海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1636ENSO與疾病海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1637ENSO與1997/98年的全球降水異常 1997.11 1998.4累積的降水異常情況。衛(wèi)星觀測(cè)首次用來(lái)估計(jì)降水。異

23、常值相對(duì)于1979-95的基準(zhǔn)平均值(BAMS, 1999, 80, S1-48)海氣相互作用海氣相互作用2022-2-1638ENSO監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在過(guò)去的在過(guò)去的20年中，重大的氣候研究活動(dòng)，特別是全球熱年中，重大的氣候研究活動(dòng)，特別是全球熱帶海洋大氣實(shí)驗(yàn)（帶海洋大氣實(shí)驗(yàn)（TOGA）和世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（）和世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（WOCE），），揭示了海洋在耦合氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。海洋不僅是揭示了海洋在耦合氣候系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用。海洋不僅是空氣海洋陸地上水和熱量變化的主要聚散地，而且空氣海洋陸地上水和熱量變化的主要聚散地，而且海洋動(dòng)力學(xué)和海洋熱力學(xué)還參與了熱量的重新分配，并海洋動(dòng)力學(xué)和海洋熱力學(xué)還參與了熱量的重新分配，并起著隔離氣侯式活性氣