《海洋科學(xué)導(dǎo)論》第十一章 海洋-大氣相互作用-機(jī)制

1、第十一章 海洋-大氣相互作用-機(jī)制海洋-氣候的調(diào)節(jié)器1D.Zhao,OUC大氣海洋相互作用熱帶輻合帶（赤道低壓）、副熱帶高壓、副極地低壓、極地高壓哈德萊大氣環(huán)流、極地大氣環(huán)流赤道哈德萊環(huán)流熱帶輻合帶赤道極地極地環(huán)流副極地低壓極地高壓副熱帶高壓2D.Zhao,OUC海洋上混合層是大氣海洋相互作用的策源地海-氣相互作用均通過海洋混合層進(jìn)行長期天氣和氣候問題，需要了解大氣底部邊界，特別是海面溫度和熱表熱量平衡混合層的輻合、輻散過程通過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大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。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。3D.Zhao,OUC

2、熱帶是海洋大氣相互作用最劇烈的地區(qū)4D.Zhao,OUC赤道太平洋的溫度：西高東低西太平洋暖池5D.Zhao,OUC熱帶海洋-大氣氣候平均態(tài)的正反饋機(jī)制-Bjerknes正反饋機(jī)制觀測表明：熱帶海洋西部SST高，溫躍層深，東部SST低，溫躍層淺形成機(jī)制：沿緯向方向，赤道東風(fēng)使水體向西輸送，使得溫躍層在東部變淺、西部加深；溫躍層在東部抬升，使較冷的溫躍層水接近海表，加強(qiáng)了赤道冷水上涌的冷卻作用，與赤道兩側(cè)經(jīng)向Ekman輸運(yùn)相對應(yīng)的上升流共同作用，在赤道東部形成SST冷舌；太平洋和大西洋西部存在較深的溫躍層，溫躍層下方的冷水不易上升到海表，使大洋西部SST較高6D.Zhao,OUC熱帶海洋-大氣氣

3、候平均態(tài)的正反饋機(jī)制-Bjerknes正反饋機(jī)制大洋赤道東西方向SST差異，增強(qiáng)了赤道東風(fēng)和沃克環(huán)流，又進(jìn)一步增強(qiáng)了暖水向西輸送，使赤道東西方向的SST梯度進(jìn)一步增強(qiáng)，增強(qiáng)赤道東風(fēng)和沃克環(huán)流赤道緯向風(fēng)、緯向溫度梯度、溫躍層傾斜之間的正反饋?zhàn)饔梅Q為Bjerknes（1969）正反饋機(jī)制7D.Zhao,OUC熱帶輻合帶（ITCZ）熱帶輻合帶是赤道附近東北信風(fēng)和東南信風(fēng)匯合區(qū)ITCZ會(huì)隨著季節(jié)南北移動(dòng)，冬季向南移動(dòng)，夏季向北移動(dòng)ITCZ稱為地球氣候?qū)ΨQ軸，對大氣環(huán)流有非常重要的作用，從而影響全球氣候8D.Zhao,OUC熱帶輻合帶（ITCZ）的加強(qiáng)效應(yīng)ITCZ的平均位置在7N由于熱帶東、中太平洋和大

4、西洋ITCZ年平均位置在赤道以北，東太平洋和大西洋上的赤道東南信風(fēng)穿過赤道，導(dǎo)致東南信風(fēng)在赤道以南太平洋和大西洋的沿岸生成上升流，導(dǎo)致冷水上升9D.Zhao,OUC作為地球氣候?qū)ΨQ軸的ITCZ為何不在赤道？ITCZ的平均位置在7N，為什么？（1）海面風(fēng)-蒸發(fā)-SST正反饋機(jī)制： 由于赤道北比赤道南陸地多，使得北半球夏季赤道以北海域海面氣溫略高于赤道以南的海面氣溫，從而引發(fā)自南向北的的越赤道氣流；在科氏力作用下，越赤道流在南半球左偏，加強(qiáng)了南半球的東南信風(fēng)，北半球右偏，減弱了北半球的東北信風(fēng)，從而使北半球蒸發(fā)減弱，SST升高，南半球蒸發(fā)增強(qiáng)，SST降低，使南北半球之間的SST梯度增大，進(jìn)一步增強(qiáng)

5、越赤道氣流，再次增大南北SST梯度，形成正反饋機(jī)制。10D.Zhao,OUC作為地球氣候?qū)ΨQ軸的ITCZ為何不在赤道？ITCZ的平均位置在7N，為什么？（2）越赤道風(fēng)-上升流正反饋機(jī)制： 赤道中東太平洋和大西洋的越赤道南風(fēng)氣流引起赤道附近的強(qiáng)混合，赤道以南東邊界處的上升流增強(qiáng)，導(dǎo)致溫躍層上翹，冷水上升增強(qiáng)，SST減?。怀嗟栏浇谋韺铀谠匠嗟里L(fēng)作用下向北輸送，在赤道北部堆積、下沉，導(dǎo)致赤道北部溫躍層增厚，SST增大，南北方向的SST梯度會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)越赤道風(fēng)，形成正反饋機(jī)制11D.Zhao,OUC厄爾尼諾和拉尼娜厄爾尼諾 El Nio：赤道東太平洋海水異常增溫現(xiàn)象，是一個(gè)暖水事件。拉尼娜 La

6、Nia ：赤道東太平洋海水異常變冷現(xiàn)象，是一個(gè)冷水事件。12D.Zhao,OUC厄爾尼諾和拉尼娜主要表現(xiàn)為赤道中、東太平洋SST的變化，通常用一些區(qū)域平均SST異常來刻畫，稱為尼諾指數(shù)將160E以東的赤道太平洋分成四個(gè)區(qū)，其中尼諾3區(qū)為（150W-90W,5S-5N），尼諾4區(qū)為（160E-150W,5S-5N）NOA的定義：與多年平均相比，連續(xù)三個(gè)月尼諾3.4區(qū)的SST 增大0.5C以上，即認(rèn)為發(fā)生厄爾尼諾事件 減小0.5C以上，即認(rèn)為發(fā)生拉尼娜事件13D.Zhao,OUC14D.Zhao,OUC海洋尼諾指數(shù)歷史上的厄爾尼諾現(xiàn)象厄爾尼諾事件大約有2-7年的周期15D.Zhao,OUC16D.

7、Zhao,OUC17D.Zhao,OUC2015年是強(qiáng)厄爾尼諾年！18SST動(dòng)力高度/tao/global/global.htmlD.Zhao,OUC三次超強(qiáng)的厄爾尼諾事件2014年持續(xù)至今的厄爾尼諾事件，是20世紀(jì)有觀測以來最強(qiáng)的全球聲討厄爾尼諾的“罪過”19D.Zhao,OUC正常情況：太平洋中東側(cè)：干旱、海溫低、下沉氣流太平洋西側(cè)：多雨、海溫高、上升氣流厄爾尼諾：太平洋中東側(cè)：多雨、海溫高、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、上升氣流減弱或下沉氣流20D.Zhao,OUC厄爾尼諾正反饋機(jī)制什么是最初的年際變化異常信號？Wyrtki(1975)提出信風(fēng)張弛理論，認(rèn)為

8、是東風(fēng)減弱，西太平洋表層暖水回流，在東太平洋堆積，使東太平洋SST增暖；東風(fēng)增強(qiáng)，則會(huì)結(jié)束厄爾尼諾 Bjerknes正反饋機(jī)制可以使暖或冷位相得到發(fā)展和維持，但不提供轉(zhuǎn)換機(jī)制，需要一種負(fù)反饋機(jī)制起到抑制作用Philander等（1984）提出海氣相互作用不穩(wěn)定理論，認(rèn)為東風(fēng)減弱激發(fā)暖開爾文波向東傳，造成赤道東太平洋和溫躍層加深和SST增暖21D.Zhao,OUC太平洋赤道信風(fēng)把表層海水推向西方，靠近印度尼西亞的海平面比厄瓜多爾的海平面要高出45厘米。西風(fēng)爆發(fā)（Westly wind burst）會(huì)將暖水推向太平洋中部，而且，信風(fēng)的減弱會(huì)令在赤道西太平洋堆積的海水向東傾瀉，產(chǎn)生開爾文波22D.Z

9、hao,OUC厄爾尼諾負(fù)反饋機(jī)制延遲振子理論充放電理論西太平洋振子理論平流反射振子理論 23D.Zhao,OUC厄爾尼諾的延遲振子理論厄爾尼諾發(fā)展時(shí)期，赤道中東太平洋出現(xiàn)東風(fēng)減弱，會(huì)激發(fā)出向東傳的暖開爾文波和向西傳播的冷羅斯貝波東傳的暖開爾文波會(huì)使赤道東太平洋SST進(jìn)一步增大向西傳的冷羅斯貝波到達(dá)海洋的西邊界時(shí)會(huì)被反射，形成向東傳的冷開爾文波，它會(huì)抵消或改變海面暖信號的作用，引發(fā)降溫事件，最終結(jié)束厄爾尼諾事件之后通過Bjerknes正反饋機(jī)制，形成拉尼娜事件整個(gè)厄爾尼諾事件循環(huán)所需時(shí)間是由這些波傳播的速度決定，完成整個(gè)調(diào)整過程需要2年。 24D.Zhao,OUCDelayed Oscillat

10、or理論的缺陷要求Rossby波在西邊界反射，但實(shí)際上西邊界并不是剛壁并不一定在每一次El Nino事件都能觀測到完整的Kelvin波和Rossby波傳播過程25D.Zhao,OUC厄爾尼諾的充放電振子理論認(rèn)為低緯度海區(qū)熱容量的變化是導(dǎo)致海洋-大氣耦合系統(tǒng)振蕩的主要原因在厄爾尼諾發(fā)展過程中，整個(gè)低緯15S-15N的上層海洋的熱容量出現(xiàn)正異常當(dāng)厄爾尼諾發(fā)展成熟后，赤道中太平洋西風(fēng)異常，對應(yīng)的Sverdrup輸運(yùn)將赤道附近海水向高緯度海區(qū)輸送，導(dǎo)致赤道太平洋熱容量出現(xiàn)負(fù)異常（放電a），整個(gè)赤道的溫躍層抬升、變淺，可以導(dǎo)致冷事件的出現(xiàn)，形成拉尼娜事件拉尼娜事件時(shí)，東風(fēng)增強(qiáng)，對應(yīng)的Sverdrup輸運(yùn)

11、將高緯度海水向赤道附近輸送，熱帶海洋熱容量開始增大（充電c）26D.Zhao,OUCEl Nio ModokiEl Nio Modoki：其最顯著的特點(diǎn)是海溫增暖出現(xiàn)在赤道中太平洋，而不是傳統(tǒng)的赤道東太平洋，并且增暖強(qiáng)度偏弱El Nio ModokiI的暖SST異常直接發(fā)源于赤道中太平洋； El Nio Modoki II則發(fā)源于副熱帶東北太平洋27D.Zhao,OUCWang and Wang, 2013,JCEl Nio Modoki有研究表明，自上世紀(jì)90年代起，傳統(tǒng)厄爾尼諾發(fā)生頻率明顯降低，而El Nio Modoki發(fā)生頻率和強(qiáng)度增大厄爾尼諾Modoki與華南降水密切相關(guān)；Modok

12、i I時(shí)，華南秋季降水增多，Modoki II時(shí)，華南秋季降水減少對于拉尼娜事件，也有人建議分為兩類，但冷異常中心一般介于中、東太平洋之間，不宜分類28D.Zhao,OUCAshok et al., 2007,JGR南方濤動(dòng)與沃克環(huán)流Gilbert Thomas Walker (1868-1958）英國數(shù)學(xué)家和氣象學(xué)家，曾任印度氣象局長29D.Zhao,OUC南方濤動(dòng)南方濤動(dòng)（Southern Oscillation）：熱帶西太平洋與熱帶東太平洋氣壓場反相變化的蹺蹺板現(xiàn)象南方濤動(dòng)指數(shù)（SOI）：塔希提島與達(dá)爾文島之間的氣壓差30D.Zhao,OUC沃克環(huán)流（Walker cell）是赤道海洋表

13、面因水溫的東西差異而產(chǎn)生的一種緯圈熱力環(huán)流31D.Zhao,OUCENSO事件 ENSO 是厄爾尼諾 (El Nio) 和南方濤動(dòng)（Southern Oscillation）的合稱，二者有非常好的相關(guān)關(guān)系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。當(dāng)赤道東太平洋表層水溫（SST）出現(xiàn)正（負(fù)）距平時(shí)，南方濤動(dòng)指數(shù)是負(fù)（正）值（？）32D.Zhao,OUC33南方濤動(dòng)指數(shù)與赤道太平洋溫度異常的反相關(guān)系D.Zhao,OUCBjerknes(1969)指出ENSO是海氣相互作用的結(jié)果東太平洋SST增加SST東西梯度減弱Walker環(huán)流減弱信風(fēng)減弱34D.Zhao,OUCENSO與全球氣候

14、變化由于赤道東太平洋SST異常(El Nio現(xiàn)象)，大氣中的Hadley環(huán)流將會(huì)增強(qiáng)。ITCZ(熱帶輻合帶)的位置有明顯的南移趨勢，這必將影響西太平洋臺(tái)風(fēng)運(yùn)動(dòng)。與El Nio年ITCZ位置偏南相匹配，西太副高也偏南。而在La Nia年副高脊線較常年偏北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)）35D.Zhao,OUC南方濤動(dòng)指數(shù)越大，貿(mào)易風(fēng)越強(qiáng)，否則貿(mào)易風(fēng)越弱南方濤動(dòng)指數(shù)為負(fù)時(shí)，即塔希提島氣壓低、達(dá)爾文島氣壓高時(shí)，印度少雨干旱；當(dāng)南方濤動(dòng)指數(shù)為正時(shí)，印度多雨至澇災(zāi)（？）36D.Zhao,OUC厄爾尼諾對北美的影響最為顯著厄爾尼諾時(shí)，導(dǎo)致美國加州和部分中西部地區(qū)洪水，美國

15、北部的冬季出現(xiàn)暖冬，而南部出現(xiàn)冷冬37D.Zhao,OUCSteinschneider and Lall, 2016, WRR厄爾尼諾對中國的影響登陸我國的熱帶風(fēng)暴和臺(tái)風(fēng)減少我國北方夏季易出現(xiàn)高溫、干旱我國南方夏季易發(fā)生低溫、洪澇，如1998年的澇災(zāi)梅雨季節(jié)會(huì)推遲厄爾尼諾年伴隨暖冬厄爾尼諾使南海SST增暖，拉尼娜使其變冷38D.Zhao,OUC厄爾尼諾對南海SST的影響39D.Zhao,OUC河海大學(xué)博士論文海表凈熱通量是導(dǎo)致南海海溫異常變化的主要原因；且主要是潛熱通量的影響氣候變暖使極端厄爾尼諾事件增加氣候變暖的背景下，減弱的大氣沃克環(huán)流會(huì)導(dǎo)致赤道太平洋海流的減弱，使向東傳播的海洋暖異常信號

16、發(fā)生頻率增加，促進(jìn)極端厄爾尼諾事件的發(fā)展；加速變暖的赤道太平洋特別是東太平洋將伴隨著在其上空的極端性降雨事件以及熱帶輻合帶（ITCZ）和南太平洋輻合帶（SPCZ）的向赤道方向移動(dòng)；溫室氣體增暖將使極端厄爾尼諾事件的發(fā)生頻率顯著增加，同時(shí)也伴隨著極端拉尼娜事件的增加。40Cai and Wu, 2015, Nature Climate ChangeD.Zhao,OUC 當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)1.澳大利亞附近海溫上升，大氣對流活動(dòng)加強(qiáng)、暴雨頻繁，洪澇成災(zāi)。 2.西太平洋和印度洋一帶，由于海溫下降，大氣對流活動(dòng)減弱、降水減少，旱災(zāi)嚴(yán)重。3 赤道西太平洋低層出現(xiàn)西風(fēng)4 沃克環(huán)流異常增強(qiáng)5 太平洋東部副熱帶高

17、壓弱于正常狀態(tài) 41D.Zhao,OUC厄爾尼諾的監(jiān)測在1982-83年的厄爾尼諾后，美國、日本和法國在橫跨赤道太平洋的洋面上布放了70個(gè)浮標(biāo)。被稱為熱帶大氣海洋（TAO）陣列的浮標(biāo)，監(jiān)測著500米深的水溫以及風(fēng)、氣溫和相對濕度。是一個(gè)厄爾尼諾的早期警報(bào)體系。42D.Zhao,OUCTAO 浮標(biāo)的觀測數(shù)據(jù)2014年是厄爾尼諾年43D.Zhao,OUC全球熱帶錨系浮標(biāo)陣列44/tao/global/global.htmlD.Zhao,OUC45D.Zhao,OUC46D.Zhao,OUC船時(shí)和數(shù)據(jù)回收自2012年后急劇減少47D.Zhao,OUCTPOS (Tropical Pacific Ob

18、serving System)2020研討會(huì)，探討浮標(biāo)的未來48D.Zhao,OUC厄爾尼諾監(jiān)測衛(wèi)星遙感觀測海表溫度： 紅外輻射計(jì) 衛(wèi)星高度計(jì)49D.Zhao,OUC厄爾尼諾監(jiān)測基于衛(wèi)星高度計(jì)觀測得到的海面高度50D.Zhao,OUC厄爾尼諾監(jiān)測衛(wèi)星高度計(jì)觀測到的厄爾尼諾現(xiàn)象衛(wèi)星數(shù)據(jù)可免費(fèi)下載51D.Zhao,OUC印度洋偶極子（IOD）1999年由Saji等提出熱帶印度洋東西海溫距平符號相反的分布，稱為印度洋偶極子通過EOF分析發(fā)現(xiàn)，第一模態(tài)表現(xiàn)為整個(gè)海盆的海溫為同一符號，與ENSO有較好的關(guān)系；第二模態(tài)在熱帶海區(qū)表現(xiàn)出較強(qiáng)的緯向海溫距平梯度，具有東西符號相反的特征IOD指數(shù)：印度洋西部（5

19、0-70E,10S-10N）和東部（ 90-110E,10S-EQ）區(qū)域平均的SST距平之差I(lǐng)ODI大于（小于）1（-1）定義為正（負(fù)）IOD事件52D.Zhao,OUC印度洋偶極子（IOD）典型IOD年：正IOD事件通常5、6月（a）開始出現(xiàn)，龍目海峽附近出現(xiàn)SST異常下降，東南風(fēng)發(fā)生異常；隨后幾個(gè)月，冷異常沿印尼海岸向赤道擴(kuò)展，西熱帶印度洋開始異常升溫，中熱帶印度洋的赤道西風(fēng)開始減弱甚至轉(zhuǎn)向，IOD在9、10月(c)達(dá)到最大次年夏秋季通常會(huì)出現(xiàn)反IOD事件53D.Zhao,OUC劉華鋒等，2014，海洋科學(xué)進(jìn)展印度洋偶極子（IOD）正IOD事件通常伴隨著厄爾尼諾發(fā)生負(fù)IOD事件通常伴隨著拉

20、尼娜事件發(fā)生尚未解決的問題：IOD的生成機(jī)制是什么？IOD是與ENSO通過遙相關(guān)作用對熱帶印度洋造成的影響IOD是熱帶印度洋內(nèi)部海氣作用的結(jié)果IOD與ENSO循環(huán)關(guān)系，即主次問題IOD對周邊氣候的影響全球變暖導(dǎo)致極端IOD事件發(fā)生頻率增加54D.Zhao,OUC北太平洋濤動(dòng)（NPO）除南方濤動(dòng)（SO）外，沃克還提出了北太平洋濤動(dòng)（NPO）和北大西洋濤動(dòng)(NAO)，是全球大氣存在的三大濤動(dòng)北太平洋海平面氣壓場在南北方向上的反相變化，位于60N附近的阿留申低壓與30N附近的夏威夷高壓之間的蹺蹺板現(xiàn)象55D.Zhao,OUC北太平洋濤動(dòng)（NPO）北太平洋濤動(dòng)指數(shù)（NPOI）定義為夏威夷高壓與阿留申低

21、壓之差NPOI增大時(shí)，阿留申低壓偏東，夏威夷高壓偏西，北太平洋中緯度西風(fēng)增強(qiáng)；反之則相反南方濤動(dòng)減弱（增強(qiáng)）時(shí)，赤道中東太平洋SST升高（降低），哈德來環(huán)流增強(qiáng)（減弱），有利于（不利于）西風(fēng)動(dòng)量由赤道向極地輸送，阿留申低壓加深（填塞），NPOI增大（減?。?6D.Zhao,OUC北大西洋濤動(dòng)（NAO）北大西洋上兩個(gè)大氣活動(dòng)中心（冰島低壓和亞速爾高壓）的氣壓變化為明顯負(fù)相關(guān)，兩者呈現(xiàn)蹺蹺板現(xiàn)象，稱之為北大西洋濤動(dòng)亞速爾群島位于北緯36553943，西經(jīng)25013107亞速爾高壓就是北大西洋的副熱帶高壓，因位于亞速爾群島附近而得名，位于北大西洋的無風(fēng)帶57D.Zhao,OUC北大西洋濤動(dòng)（NAO）

22、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)（NAOI）：亞速爾高壓減去冰島低壓NOAI具有23年和78年的變化周期，年代際變化不明顯NAOI增大時(shí)，北大西洋西風(fēng)增強(qiáng)，墨西哥灣暖流增強(qiáng)，歐洲北部和美國東部偏暖，出現(xiàn)暖冬；被寒流控制的加拿大東岸及格陵蘭西岸卻非常寒冷NAOI減小時(shí)，北大西洋上西風(fēng)減弱，西北歐及美國東南部將出現(xiàn)冷冬，而加拿大東岸及格陵蘭西岸則相對溫暖有很多研究探討NAO對我國及東亞地區(qū)氣候的影響58D.Zhao,OUC太平洋年代際振蕩（PDO）定義：描述北太平洋年代際振蕩現(xiàn)象，熱帶中東太平洋海表溫度與北太平洋中部海表溫度之間的關(guān)系PDO暖位相定義為熱帶中東太平洋異常暖，北太平洋中部異常冷，冷位相則相反典型的P

23、DO事件可持續(xù)2030年，持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比ENSO長PDO的主要信號在北太平洋，次信號在熱帶，而ENSO時(shí)間相反在PDO暖位相，阿留申低壓異常降低，而北美西部和副熱帶太平洋地區(qū)氣壓異常升高，即NPOI增大59D.Zhao,OUC北極濤動(dòng)（AO）北極濤動(dòng)是指北半球中緯度地區(qū)（約北緯45度）與北極地區(qū)氣壓形勢差別的變化。它是一個(gè)代表北極地區(qū)大氣環(huán)流的重要?dú)夂蛑笖?shù)，可分為正位相和負(fù)位相北極通常受低氣壓系統(tǒng)支配，而高氣壓系統(tǒng)則位于中緯度地區(qū)。當(dāng)AO處于正位相時(shí)，這些系統(tǒng)的氣壓差較正常強(qiáng)，限制了極區(qū)冷空氣向南擴(kuò)展；當(dāng)AO處于負(fù)位相時(shí)，這些系統(tǒng)的氣壓差較正常弱，冷空氣較易向南侵襲。從21世紀(jì)初開始，北極濤動(dòng)正位相逐步減弱，開始向負(fù)位相發(fā)展，“南高北低”逐漸轉(zhuǎn)為“南低北高”，北極極地中心逐漸被高氣壓控制，之前一直限制在極地范圍的冷空氣就被排擠南下，導(dǎo)致寒流出現(xiàn)，從而影響北半球中高緯度地區(qū)的氣溫。普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，2009年2012年，全