中高緯海氣相互作用

課程設(shè)計思路利用海洋環(huán)流模式和海氣耦合模式的模擬結(jié)果，結(jié)合觀測資料，詮釋大洋環(huán)流和海氣相互作用的基本概念和動力學(xué)理論，重點分析當(dāng)代氣候數(shù)值模擬中幾個受關(guān)注程度較大的問題；同時介紹有關(guān)模式設(shè)計和模式評估的初步知識。

海氣相互作用研究的三個核心環(huán)節(jié)“understanding”則是整個鏈條的核心環(huán)節(jié)。模式發(fā)展一定要和觀測、理論研究相結(jié)合，模式進步的基礎(chǔ)在于“understanding”。本課程的側(cè)重點雖然是“數(shù)值模擬”，但也力圖將觀測和理論結(jié)合進來，以期選修本課程的研究生（無論他們將來從事模式發(fā)展還是模式應(yīng)用）在學(xué)習(xí)有關(guān)入門知識的同時，也能對以上的道理有所領(lǐng)悟。觀測理論模式觀測???本講所關(guān)心的海氣相互作用區(qū)域本講關(guān)注的科學(xué)問題中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同中高緯度大氣對海洋的強迫作用以及海洋的弱反饋熱帶海洋影響熱帶外海洋變化的“大氣橋梁”

亞澳季風(fēng)區(qū)的海氣相互作用中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同

熱帶海洋對大氣的強迫作用GillA.E.（1980）熱帶海洋對大氣強迫作用的經(jīng)典文獻Gill,A.E.,1980:Somesimplesolutionsforheat-inducedtropicalcirculation.Quart.J.Roy.Met.Soc.,106,447-462.Lindzen,R.S.,andS.Nigam,1987:Ontheroleofseasurfacetemperaturegradientsinforcinglowlevelwindsandconvergenceinthetrop-ics.J.Atmos.Sci.,44,2440-2458.AGCM對印度洋增暖的響應(yīng)熱帶海洋對大氣強迫作用熱帶海溫異常的加熱作用，能夠激發(fā)出強烈的大氣環(huán)流異常環(huán)流異常對海洋具有顯著反饋作用

中高緯度的海氣相互作用特征如何？Permanent溫躍層全球海氣相互作用最為強烈的區(qū)域(AfterWebster)赤道極地對于大氣來說，低緯熱帶地區(qū)的對流層高度最高；對于海洋而言，高緯極地海域的對流深度最厚。在經(jīng)向上，海洋和大氣劇烈活動區(qū)的位置恰好相反。在大氣中，對流層頂把動力過程緩慢的平流層與動力過程較快的對流層分隔開來；在海洋中，溫躍層把變化緩慢的深海與變化迅速的上層海洋分隔開來。從某種意義上說，對流層之對于大氣，和溫躍層之對于海洋，角色非常相似。全球海氣相互作用最為劇烈的區(qū)域熱帶加熱極地冷卻大洋熱鹽環(huán)流氣候系統(tǒng)中的經(jīng)圈環(huán)流系統(tǒng)示意圖海洋大氣(AfterWebster)大氣中的經(jīng)圈環(huán)流大氣對流層頂?shù)母叨龋诘途暭s為15～17km，在高緯則小于10km。與大氣相反，海洋溫躍層的厚度，在高緯深，在低緯淺（高緯度海域的溫躍層有可能季節(jié)性地消失，在深水形成區(qū)的情形更為復(fù)雜）。在熱帶海洋，溫躍層可大致視為快、慢過程的分界線。在高緯海域，該分界線變得非常深，風(fēng)生流受溫躍層的影響較小，能夠向下擴展到大洋深處，例如南極繞極環(huán)流（ACC）就可以達(dá)到大洋深處。在高緯海域，受輻射冷卻和鹽析作用共同影響，表層海水密度增大，導(dǎo)致海水強對流的發(fā)生，或者說海水發(fā)生劇烈下沉。鹽析作用(brinerejection)海冰的鹽度很低，這樣在由海水向海冰的形成過程中，就會大量的鹽度釋放出來排入海洋中，造成局地海水密度的增大。這一過程被稱作鹽析過程。因鹽析過程造成的對流不穩(wěn)定，被認(rèn)為是南極大陸的羅斯海、威德爾海附近有南極底層水形成的主要原因。對于大氣和海洋各自的子系統(tǒng)來說，熱帶大氣和高緯海洋的作用非常相似，都能夠引起其子系統(tǒng)內(nèi)表層和深層的強烈混合，且都是由重力不穩(wěn)定這一物理機制引起的。

與熱帶大氣和極地海洋的不穩(wěn)定形成鮮明對比的是，熱帶海洋和極地大氣相對穩(wěn)定。熱帶海洋的層結(jié)較為穩(wěn)定，因為冷水在暖水下面，形成的海洋層結(jié)重力穩(wěn)定，這一點從緯圈平均的溫度分布上可以清楚地看到。極地大氣也很穩(wěn)定，因為暖氣團在冷空氣上面，形成的大氣層結(jié)同樣重力穩(wěn)定。暖SST和熱帶大氣決定著中層大氣的狀態(tài)，與經(jīng)向環(huán)流相聯(lián)系；極地海洋混合層決定著深海水團的特征，與大洋經(jīng)圈環(huán)流相聯(lián)系。海洋中的深對流只發(fā)生少數(shù)邊緣海/~visbeck/labsea/TheLabradorSeaConvectionExperiment中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同

從對流的角度看，熱帶大氣和極地海洋是不穩(wěn)定的，熱帶海洋和極地大氣相對穩(wěn)定；熱帶大氣和高緯海洋的作用非常相似，都能夠引起其子系統(tǒng)內(nèi)表層和深層的強烈混合，且都是由重力不穩(wěn)定這一物理機制引起的。暖SST和熱帶大氣決定著中層大氣的狀態(tài)，與經(jīng)向環(huán)流相聯(lián)系；極地海洋混合層決定著深海水團的特征，與大洋經(jīng)圈環(huán)流相聯(lián)系。（本講總結(jié)之一）中高緯度大氣對海洋的強迫作用以及海洋的弱反饋海氣相互作用研究上的一段“公案”讀史明志以史為鑒圍繞著熱帶外和熱帶海溫在強迫全球大氣中的相對重要性，學(xué)術(shù)界曾經(jīng)廣有爭議。大尺度海氣相互作用研究的先驅(qū)人物，首推Namias和Bjerknes。前者從中長期預(yù)報的角度，強調(diào)熱帶外大洋對大氣的作用（Namias,1963），后者從全球觀點，強調(diào)熱帶大洋的驅(qū)動作用（Bjerknes,1969）。目前一般認(rèn)為，盡管中緯度特定區(qū)域的海溫在特定的季節(jié)，能夠影響到隨后的大氣變化，但中緯度海溫對大氣的強迫作用，即使存在也很弱。與之相反，熱帶大洋在驅(qū)動全球氣候異常中的重要作用，逐漸被學(xué)術(shù)界所認(rèn)同。Namias于1953年發(fā)表了“30天預(yù)報～10a經(jīng)驗總結(jié)”一文。系統(tǒng)地論述了月平均（30天）環(huán)流預(yù)報的方法。Namias的研究有3個重要意義：（1）他把長期預(yù)報的工具定為30天平均圖。這是一個巨大的貢獻，原蘇聯(lián)采用逐日天氣圖劃天氣型，未能與氣候動力學(xué)的研究結(jié)合，早已被淘汰。（2）指出月平均環(huán)流與月平均天氣、即月平均氣溫、月總降水量等氣候要素有密切關(guān)系。為用大氣環(huán)流模式作短期氣候預(yù)測打下了基礎(chǔ)。（3）指出月平均環(huán)流的發(fā)展有一定的規(guī)律性。從理論上論證了氣候預(yù)測的可能性。Namias的研究開現(xiàn)代氣候預(yù)測之先河。盡管當(dāng)時，他還沒有意識到用大氣環(huán)流模式作預(yù)測。因為那時，數(shù)值短期天氣預(yù)報也僅處于萌芽時期。

觀測理論模式否定之否定：觀測事實是認(rèn)知自然的基石在許多大氣環(huán)流模式試驗中，常用海表溫度的異常作為外部強迫，去考察大氣對它的響應(yīng)。這類試驗的一個隱含的假設(shè)是，在海氣相互作用過程中，海洋對大氣的強迫是主要的，而大氣對海洋的反饋過程則可以忽略。這在熱帶海洋上可能是一個合理的近似，但對熱帶外海洋、尤其是在冬季來說，則未必正確。冬季熱帶外海洋的SST和大尺度大氣環(huán)流存在很強的相互關(guān)聯(lián)。它來自兩個方面：一是熱帶海洋熱狀況的變化所引起的熱帶和熱帶外大氣的相互作用，二是熱帶外大氣環(huán)流變化對海洋的影響。研究表明，熱帶外地區(qū)大氣環(huán)流異常與海溫異常之間的超前相關(guān)，大于它們之間的滯后相關(guān)（WallaceandJiang,1987），這就為大氣對熱帶外海洋的強迫作用可能占主導(dǎo)地位，提供了觀測上的證據(jù)?；诤怦詈夏Ｊ降难芯恳脖砻?，熱帶外中緯度地區(qū)的海氣相互作用，主要表現(xiàn)為大氣對海洋的強迫，特別是在冬季（張學(xué)洪等，1998；Zhouetal.2002）。

CayanDR(1992)利用COADS資料的分析表明：

海表湍流熱通量與SST異常有關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)在不同緯度和不同季節(jié)表現(xiàn)出不同的特征。熱帶海洋和部分暖季的熱帶外海洋，由海洋向大氣釋放的潛熱和感熱通量異常，與SST本身的異常出現(xiàn)顯著正相關(guān)，意味著潛熱和感熱異常主要由海洋的熱狀況異常決定。在冬季的熱帶外海洋，向上的感熱和潛熱通量異常和SST的時間傾向異（而不是SST本身）的異常，存在顯著負(fù)相關(guān)，最強的負(fù)相關(guān)出現(xiàn)在兩大洋的20-40N之間副熱帶大渦所在區(qū)域，表明它們對于SST的變化具有決定作用。CayanDR(1992):

在冬季的熱帶外大洋上，由于輻射熱通量處于最弱階段，占支配地位的是湍流熱通量。30N以北：潛熱和感熱同等重要；15-30N：潛熱是主要的；10N以南的熱帶海洋：短波輻射和潛熱同等重要。其中Ta和qa分別是大氣的溫度和比濕，Ts是海面溫度（SST），qs(Ts)是飽和比濕，cp和LE分別是大氣的定壓比熱和凝結(jié)潛熱。CT~1.0×10-3稱為Stantan數(shù)，CE~1.2×10-3稱為Dalton數(shù)。

基本概念：感熱、潛熱通量右端各項順序為：凈的海表熱通量、水平平流、垂直平流、垂直混合、水平混合和對流。其中凈海表熱通量由向下的凈短波輻射（S）、凈長波輻射（L）、潛熱和感熱通量組成：對熱帶外海洋而言，水平混合和垂直對流所產(chǎn)生的加熱作用可忽略不計，因此，只考慮感熱、潛熱、水平平流、短波輻射、垂直平流和長波輻射6個因子的作用表層海溫的控制方程基本原理：由方程可知，凈海表熱通量異常直接與表層海溫的傾向變化相聯(lián)系；向下的熱通量異常與SST傾向異常的顯著正相關(guān)，實質(zhì)反映的是大氣對海洋的強迫（向下的熱通量增多，SST呈增暖趨勢）。由感熱和潛熱的總體公式可知，如果SST異常自身和向上的感熱、潛熱異常呈顯著正相關(guān)（或者說SST異常與向下的感熱、潛熱異常呈顯著負(fù)相關(guān)），則實質(zhì)反映的是海洋對大氣的強迫。判斷局地海氣相互作用是海洋強迫大氣還是大氣強迫海洋的方法張學(xué)洪等，1998，冬季北太平洋海表熱通量異常和海氣相互作用：基于一個全球海氣耦合模式長期積分的診斷分析，大氣科學(xué)，22，511－521.冬季北太平洋海表熱通量異常和海氣相互作用熱帶外海洋的相關(guān)性高于熱帶：表明熱帶外海洋上潛熱和感熱異常對SST異常起決定作用赤道海洋湍流熱通量與SST異常呈顯著負(fù)相關(guān)：赤道上主要是SST異常決定湍流熱通量異常感熱、潛熱、水平平流、短波輻射、垂直平流和長波輻射6個因子的作用？海氣之間的熱交換：感熱、潛熱、短波和長波輻射海洋動力學(xué)過程產(chǎn)生的加熱或冷卻作用：水平和垂直平流對每一因子的異常，定義其對SST傾向異常的歸一化協(xié)方差：影響SST異常的各種因子的相對重要性大尺度大氣環(huán)流的型式以日本以東30-45N之間的正相關(guān)區(qū)為例，當(dāng)EOF1表征的海平面氣壓場為負(fù)異常時，該區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)偏北或偏西北的地轉(zhuǎn)風(fēng)異常，它將冬季亞洲大陸上的冷干空氣帶到海洋上，加大了海氣之間的溫度和濕度差，使得海洋向大氣輸送的感熱和潛熱通量增加。在這種情況下，該區(qū)域的風(fēng)速具有正距平（因為冬季盛行西風(fēng)或西北風(fēng)），有利于加強向上的湍流熱輸送。湍流熱通量異常與近海平面氣溫本身的異常，在大部分熱帶外大洋呈顯著正相關(guān)；湍流熱通量異常同近海面氣溫傾向之間，沒有明顯相關(guān)性。冬季北太平洋的海氣相互作用，主要地表現(xiàn)為大氣對海洋的強迫作用。根據(jù)上述討論證據(jù)，在冬季熱帶外北太平洋海域，是大氣環(huán)流的異常決定了湍流熱通量的異常，從而強烈地影響著海洋的熱狀況。在這個意義上，我們可以說大氣對海洋的強迫（而不是相反）在海氣相互作用過程中居于支配地位。中緯度海氣相互作用典型特征

熱帶外中緯度地區(qū)的海氣相互作用，主要表現(xiàn)為大氣對海洋的強迫，特別是在冬季；氣候?qū)W研究中，為考察海表溫度的異常對大氣的強迫作用，常利用SST強迫AGCM，這類試驗假設(shè)了在海氣相互作用過程中，海洋對大氣的強迫是主要的，而大氣對海洋的反饋過程則可以忽略。這在熱帶海洋上可能是一個合理的近似，但對熱帶外海洋、尤其是在冬季來說，則未必正確。實際觀測中，大洋上的資料極為匱乏，海氣耦合模式在相關(guān)科學(xué)問題討論中，是一非常有用的工具。（本講總結(jié)之二）中高緯度海溫異常對大氣的弱反饋作用Kushniretal.(2002)中緯度的SST異常表現(xiàn)出大范圍的、海盆尺度的特征，在時間尺度上主要是低頻變化。SST異常是混合良好的上層海洋熱容量變化的反映，這決定了表層海溫距平的持續(xù)時間，要長于大氣。在全球大洋幾乎所有地區(qū)，月和季節(jié)平均的海溫距平，與緊鄰其上的表層氣溫都存在顯著的相關(guān)。在中緯度地區(qū)，月、季節(jié)平均海溫距平的主導(dǎo)模態(tài)，都和大氣環(huán)流距平的主導(dǎo)模態(tài)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。這種關(guān)系在冬季最強，并且在大氣超前海洋一個月時表現(xiàn)最為顯著。負(fù)的海溫距平，伴有表層西風(fēng)增強；正的海溫距平，情況則反之。在冬季，與海溫異常相伴隨的大氣異常，在垂直方向上表現(xiàn)出正壓特征。中緯度海溫異常及與之對應(yīng)大氣環(huán)流異常：觀測證據(jù)AGCMresponsetostationaryandsimplifiedSSTanomaliesAGCMresponsetotime-varyingSSTvariabilityin“realistic”modelintegrationsCoupledmodelintegrationsofextratropicalinteraction（見關(guān)于大氣橋的討論）AGCM對熱帶外海溫異常的響應(yīng)：檢驗熱帶外海溫對大氣影響的試驗手段北大西洋濤動（NAO）NAO實際上是氣團的大尺度蹺蹺板型的協(xié)調(diào)變化，其中心分別位于冰島低壓區(qū)和亞速爾高壓區(qū)。它是大西洋地區(qū)大氣活動的主要模態(tài)。觀測研究已經(jīng)證實，NAO對整個北大西洋地區(qū)乃至北半球氣候都有重要影響。在高指數(shù)年，冰島低壓偏低，亞速爾高壓偏強，中緯度西風(fēng)帶加強，從北美東北沿岸到大不列顛群島直至斯堪得納維亞半島，風(fēng)暴活動加強。在低指數(shù)年，冰島低壓和亞速爾高壓都減弱，西風(fēng)帶偏弱，風(fēng)暴路徑從北美東北沿岸，移至拉布拉多海區(qū)域。WinterinBergen(62°N):

ContributionsofNAOandGulfstreamTakenonDec16th2001atBergen,thebackgroundistheBjerknessCenter(GeophysicalInstitute)TakenonNov20th2001atB