第四章-海-气相互作用课件.ppt

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1、第四章第四章 海海-气相互作用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 海海-气能量、物质及动量交换气能量、物质及动量交换第五节第五节 热带海洋对气候的影响热带海洋对气候的影响第一节第一节海洋在气候形成和变化中的重要海洋在气候形成和变化中的重要性性一、海洋是大气的主要能量供应源一、海洋是大气的主要能量供应源1.太阳辐射绝大部分（太阳辐射绝大部分（85%）被海洋表层）被海洋表层吸收，通过潜热和显热输送给大气吸收，通过潜热和显热输送

2、给大气.2. 海洋环流热量的经向输送。海洋环流热量的经向输送。二、海洋是大气水分的主要供应地二、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大气中的水汽主要来自海表蒸发 三、海洋对气候的调节作用三、海洋对气候的调节作用1.海洋的热惯性和动力惯性大，使全球气候季节变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；化幅度减小，海洋气候季节滞后于陆地；2. 平滑大气高频变化平滑大气高频变化.四、海洋对温室效应的缓解作用四、海洋对温室效应的缓解作用释放到大气中的释放到大气中的CO2有一半左右被海洋吸收，减有一半左右被海洋吸收，减缓了全球增暖的速率。缓了全球增暖的

3、速率。第二节第二节海、陆物理特性的差异海、陆物理特性的差异一、海、陆面积的差异一、海、陆面积的差异1.海洋表面积占地球总面积的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以及各纬度海陆分布不同.南北半球每南北半球每5度纬度中海陆面积的百分比度纬度中海陆面积的百分比 第二节第二节第二节第二节二、海、陆表面辐射特性的差异二、海、陆表面辐射特性的差异1.对太阳辐射的反射率，海水表面平均为对太阳辐射的反射率，海水表面平均为5-6%，陆面平均为陆面平均为10-30%，海面辐射差额大于陆面；，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、储存海水对辐射的

4、透射作用，使海水吸收、储存更多的太阳辐射。更多的太阳辐射。纬 度陆 地海 洋QRQR7060N6050N5040N4030N3020N2010N100N010S1020S2030S3040S4050S5060S全 球351741875317649073277578661562806908808067415108360157789211340188424282680309833083308314029722596184214652093314037684731594570347411741175787411690860294857364360299631800268037684647506651

5、915317510845643852310419263810 海、陆表面太阳总辐射和净辐射的比较海、陆表面太阳总辐射和净辐射的比较 (MJm-2年年-1 ）三、海、陆向大气热量输送的差异三、海、陆向大气热量输送的差异第二节第二节1.全球平均感热输送陆地大于海洋；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各纬度及全球平均海洋蒸发比陆地大3倍以上倍以上.纬度带陆 地海 洋全 球LEIILEIILEII7060N6702511298921837461 605096337719687951382544 5040104783728056701884754 40309631465

6、40195862721963 3020796188445632933140879 20101340175848992933978670 100238792143542933894418 010S255474541452513768377 10201884125647313774103586 20301172180044384613684754 30401214138234334613182586 405092192121352512093293 506092154414653771465377 全球平均113096334333772763544 海、陆表面热量平衡各分量的纬圈年平均海、陆表面热

7、量平衡各分量的纬圈年平均 (MJm-2) 太阳总辐太阳总辐射射（W/M2）月份月份17北非，阿北非，阿拉伯拉伯174.3375.7我国东部我国东部87.2180.6太平洋中太平洋中部部116.2233.4辐射差额辐射差额（W/M2）1743.6121.540.2108.058.1193.7潜热通量潜热通量（W/M2）177.32.9-4.842.1154.996.8-193.7104.1显热通量显热通量（W/M2）1736.3127.58.260.567.80.82潜热通量潜热通量+显热通量显热通量（W/M2）1743.6130.4-132.350.3215.5216.9106.51,7月沿北

8、纬月沿北纬30上各经度辐射、显热上各经度辐射、显热及潜热通量及潜热通量四、海、陆向下及水平热量输送的差异四、海、陆向下及水平热量输送的差异第二节第二节1.海水的热容（是空气的海水的热容（是空气的3100倍）大于倍）大于土壤土壤1-2倍；倍；2. 海水有铅直混合作用：涡动、对流和海水有铅直混合作用：涡动、对流和分子垂直运动与；分子垂直运动与；3.海水大规模的水平运动。海水大规模的水平运动。五、海、陆表面摩擦阻力的差异五、海、陆表面摩擦阻力的差异海面平滑、粗糙度小、平均风速大于陆面海面平滑、粗糙度小、平均风速大于陆面第三节第三节海、陆分布对气候的影响海、陆分布对气候的影响一、海、陆分布对环流的影响

9、一、海、陆分布对环流的影响1、海、陆分布对近地层环流（季风环流）的影、海、陆分布对近地层环流（季风环流）的影响响季风环流：季风环流：夏季大陆为低压，海洋为高压，气流由海洋吹向陆夏季大陆为低压，海洋为高压，气流由海洋吹向陆地（夏季风）；冬季大陆为高压，海洋为低压，气地（夏季风）；冬季大陆为高压，海洋为低压，气流由陆地吹向海洋（冬季风）。流由陆地吹向海洋（冬季风）。1）季风的定义）季风的定义 4）东亚季风的特点）东亚季风的特点2）季风的形成）季风的形成 5）东亚季风指数）东亚季风指数3）东亚季风的形成）东亚季风的形成 6）东亚副热带季风指数）东亚副热带季风指数1）季风的定义）季风的定义:大范围地区

10、的盛行风随季节具有大范围地区的盛行风随季节具有显著改变的大气运动现象。显著改变的大气运动现象。海陆间的热力差异以及这种差异的季节变化海陆间的热力差异以及这种差异的季节变化行星风系季节位移作用行星风系季节位移作用2）季风的形成）季风的形成冬冬夏夏NEGNW1010N N10SGGSWSE夏季赤道辐夏季赤道辐合带合带冬季赤道辐冬季赤道辐合带合带03）东亚季风的形成）东亚季风的形成海陆间的热力差异以及这种差异的季节变化海陆间的热力差异以及这种差异的季节变化青藏高原的作用青藏高原的作用4）东亚季风的特点）东亚季风的特点 冬季风由北而南依次为西北风、北风和东北风；冬季风由北而南依次为西北风、北风和东北风

11、；夏季风为偏南风，夏季风为偏南风，冬季风强于夏季风冬季风强于夏季风。影响我国东部、朝鲜、韩国和日本影响我国东部、朝鲜、韩国和日本5）东亚季风指数）东亚季风指数定量描述东亚季风强度及其变化的参数定量描述东亚季风强度及其变化的参数SCS monsoonsouthwest monsoonshear vorticitynorth-south thermal contrasteast-west thermal contrast东亚季风指数李建平和曾庆存（李建平和曾庆存（2002）提出的东亚季风指数：）提出的东亚季风指数：（1040 N,110140 E）区域平均的）区域平均的850hPa的西南（的西南（

12、u,v）风，该指数可以很好地表征季风）风，该指数可以很好地表征季风环流和降水型。环流和降水型。6）东亚副热带季风指数）东亚副热带季风指数东亚副热带季风区：东亚副热带季风区：22.532.5 N,112.5135 E 东亚副热带季风指数东亚副热带季风指数=东亚季风区平东亚季风区平均的（标准化西南风均的（标准化西南风-标准化标准化OLR） 该指数与长江中下游地区夏季降水该指数与长江中下游地区夏季降水具有显著的相关。具有显著的相关。降水与西南气流相关降水与西南气流相关降水和降水和OLR相关相关东亚副热带季风指数东亚副热带季风指数与降水的相关分布与降水的相关分布全球全球 7 7月海平面平均气压（环流）

13、图月海平面平均气压（环流）图全球全球1月份海平面平均气压（环流）图月份海平面平均气压（环流）图2、海、陆分布对高空气流的影响、海、陆分布对高空气流的影响使平直气流产生了槽脊波动使平直气流产生了槽脊波动二、海、陆分布对气温的影响二、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；、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、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19.212.5-3.3731.224.76.385015.56.5-1.0724.016.47.67001-1.3-0.3-1.0

14、713.98.65.35001-16.5-14.5-2.07-4.3-6.82.53001-41.8-38.3-3.37-28.1-33.04.92001-51.57-46.5-53.47.1 在在30N不同高度上海、陆气温及其差值（不同高度上海、陆气温及其差值（） 三、海、陆分布对大气水份和降水的影响三、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海面上的空气湿度大于陆地地.2）对雾的影响：）对雾的影响：海洋多平流雾、陆地多辐射雾海洋多平流雾、陆地多辐射雾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，海洋上出对流雨：陆地

15、上主要出现在夏季午后，海洋上出现在冬季夜间。现在冬季夜间。 地形雨：陆地上地形雨：陆地上 锋面雨与气旋雨：海洋多于陆地锋面雨与气旋雨：海洋多于陆地海海-气能量、物质和动量交换气能量、物质和动量交换第四节第四节一、一、 海海-气能量交换气能量交换R0 海面的净辐射通量海面的净辐射通量LE，H分别为海面与大气间的潜热和感热通量，分别为海面与大气间的潜热和感热通量，Q为海面与下层海水通过水分子传输的热通量。为海面与下层海水通过水分子传输的热通量。QHLER0cITFSR)()1 (401、海、海-气界面能量平衡方程气界面能量平衡方程cI透过海面向下传输的太阳辐射通量透过海面向下传输的太阳辐射通量zT

16、kQwwwk水分子热量交换系数水分子热量交换系数2、海气之间的热量交换特点、海气之间的热量交换特点1）海洋是大气的主要能源供应地，同时潜热大于）海洋是大气的主要能源供应地，同时潜热大于感热；感热；2）冬季海洋向大气的能量输送大于夏季）冬季海洋向大气的能量输送大于夏季.太阳总辐太阳总辐射射（W/M2）月份月份17北非，阿北非，阿拉伯拉伯174.3375.7我国东部我国东部87.2180.6太平洋中太平洋中部部116.2233.4辐射差额辐射差额（W/M2）1743.6121.540.2108.058.1193.7潜热通量潜热通量（W/M2）177.32.9-4.842.1154.996.8-19

17、3.7104.1显热通量显热通量（W/M2）1736.3127.58.260.567.80.82潜热通量潜热通量+显热通量显热通量（W/M2）1743.6130.4-132.350.3215.5216.9106.51,7月沿北纬月沿北纬30上各经度辐射、显热上各经度辐射、显热及潜热通量及潜热通量二、海二、海-气界面的物质交换过程气界面的物质交换过程1. 蒸发与降水蒸发与降水2 . 海盐交换海盐交换3. CO2 和和O2的交换的交换三、海三、海-气动量交换气动量交换1.大气环流向海洋输送动量，是海洋环流和风浪大气环流向海洋输送动量，是海洋环流和风浪的主要动力；的主要动力；2.海流定义海流定义：海

18、水沿着一定方向有规律的较大规海水沿着一定方向有规律的较大规模的水平运动现象称为洋流，即海流模的水平运动现象称为洋流，即海流.3.海流分类海流分类 按成因分为：按成因分为：风海流、密度流、补偿流风海流、密度流、补偿流 按本身与周围海水温度的差异分为暖流和寒流按本身与周围海水温度的差异分为暖流和寒流暖流：暖流：指指海流水温比流经海区水温高的海流海流水温比流经海区水温高的海流寒流寒流则则相反相反。l海洋表层环流（海洋表层环流（风海流风海流）密度流密度流：由于海水密度水平方向的不均匀分布引：由于海水密度水平方向的不均匀分布引起等压面倾斜而产生的洋流称为起等压面倾斜而产生的洋流称为密度流密度流。地中海地

19、中海-大西洋密度流：表层流为大西洋流向地中海大西洋密度流：表层流为大西洋流向地中海大西洋大西洋地中海地中海红海红海-印度洋密度流：表层印度洋流向红海印度洋密度流：表层印度洋流向红海大西洋大西洋-波罗地海密度流：表层波罗地海流向大西洋波罗地海密度流：表层波罗地海流向大西洋直直布布罗罗陀陀岩岩床床盐度盐度3.8% 温盐环流温盐环流 表层海水向极地流动时，由于蒸发和冷却在高表层海水向极地流动时，由于蒸发和冷却在高纬度盐度（密度）增大而下沉，从大洋底部流向纬度盐度（密度）增大而下沉，从大洋底部流向低纬地区形成的深层海水流动现象称为低纬地区形成的深层海水流动现象称为温盐环流温盐环流.全球海洋环流示意图全

20、球海洋环流示意图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 四、海洋环流对气候的影响四、海洋环流对气候的影响1.海洋环流的热量输送海洋环流的热量输送1）经向输送：约占总经向输送的）经向输送：约占总经向输送的30%2）纬向和垂直方向输送）纬向和垂直方向输送2.海洋环流的水份输送海洋环流的水份输送各大洋间的水份交换各大洋间的水份交换(mm/a)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78010101210240104013801140120200706023060300130350

21、地球上全年洋流垂直热量输送分布（单位：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），负的表示下层向海表输送） 3. 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大陆和大洋上赤道至北极圈气温差(C)的比较的比较 2）东、西岸的气温差异）东、西岸的气温差异（1）低纬度，大洋西部沿岸的气温高于大洋东部沿岸；）低纬度，大洋西部沿岸的气温高于大洋东部沿岸；高纬

22、度大洋东部沿岸的气温高于大洋西部沿岸。高纬度大洋东部沿岸的气温高于大洋西部沿岸。（2）上述气温的差异取决于两个因素）上述气温的差异取决于两个因素 沿岸的风向及大小；沿岸的风向及大小； 海洋与陆地气温差异的大小海洋与陆地气温差异的大小;4. 海洋环流对降水的影响海洋环流对降水的影响1）暖流沿岸多降水，冷流沿岸多雾（海陆风雾、）暖流沿岸多降水，冷流沿岸多雾（海陆风雾、海雾）；海雾）；2）影响效应与沿岸风向及大小有关。）影响效应与沿岸风向及大小有关。热带海洋对气候的影响热带海洋对气候的影响第五节第五节一、一、ENSO循环循环1.厄尔尼诺（厄尔尼诺（El Nino)事件事件1）定义）定义:赤道中东太平

23、洋或秘鲁沿岸海表温度赤道中东太平洋或秘鲁沿岸海表温度(SST)每隔几年就发生一次每隔几年就发生一次异常升高异常升高现象。现象。赤道太平洋赤道太平洋El Nino区分布图区分布图2） Nino指数指数定量描述定量描述El Nino事事件件的参数。常用的参数。常用Nino区海域平均区海域平均SST表示。表示。Nino 1+2区：区：90-80W，10S-0Nino 3区：区：150-90W，5S-5NNino 4区：区：160E-150W， 5S-5NNINO3.4区：区： 170-120W， 5S-5N3) El Nino 事件的判定事件的判定Nino区月平均区月平均SST距平连续半年超过距平连

24、续半年超过0.5C，最高正距，最高正距平在平在1.0C以上，即判定为一次以上，即判定为一次El Nino 现象现象.1948-1999平均年平均年SST 分布分布4） El Nino事件发生区域与赤道事件发生区域与赤道SST气候场的关系气候场的关系5） 典型典型El Nino事件的发生发展过程事件的发生发展过程前兆阶段前兆阶段3-5月月异常发展阶段异常发展阶段10月月成熟阶段成熟阶段11-1月月恢复阶段恢复阶段2.南方涛动（南方涛动（SO）：）：东南太平洋副热带高压与东南太平洋副热带高压与印度洋赤道低压之间气压变化的负相关关系，印度洋赤道低压之间气压变化的负相关关系，即两者气压变化的跷跷板现象

25、。即两者气压变化的跷跷板现象。南方涛动指数（南方涛动指数（SOI）：）：定量描述南方涛动振定量描述南方涛动振幅大小的参数，一般用南太平洋塔希堤岛幅大小的参数，一般用南太平洋塔希堤岛(14305W,1753S)的海平面气压与同时期澳的海平面气压与同时期澳大利亚北部的达尔文港大利亚北部的达尔文港(13059E ，1220S)的的海平面气压的差值，经过一定的数学处理来计海平面气压的差值，经过一定的数学处理来计算。算。ENSO：将历年赤道东太平洋将历年赤道东太平洋SST与同时期南与同时期南方涛动指数方涛动指数SOI进行对比，发现当发生厄尔尼进行对比，发现当发生厄尔尼诺时，南方涛动指数诺时，南方涛动指数

26、SOI出现异常低位相，故出现异常低位相，故将厄尔尼诺和南方涛动合称将厄尔尼诺和南方涛动合称ENSO。3. 沃克环流沃克环流赤道东太平洋下沉，西太平洋上升，地面为偏东风，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高层为西风的纬向垂直环流称为沃克环流沃克环流。赤道洋面的纬向垂直环流圈赤道洋面的纬向垂直环流圈 1.沃克环流是怎么形成的？沃克环流是怎么形成的？2. ENSO 事件时，沃克环流是减弱还是增强？即赤事件时，沃克环流是减弱还是增强？即赤道东太平洋的垂直运动是距平上升还是距平下沉？道东太平洋的垂直运动是距平上升还是距平下沉？对应赤道中东太平洋及其沿岸的降水是增加

27、还是减对应赤道中东太平洋及其沿岸的降水是增加还是减少？为什么？少？为什么？3. ENSO遥相关的影响途径有哪些？遥相关的影响途径有哪些？4.ENSO循环循环El Nino 事件对应的暖位相和事件对应的暖位相和La Nino事件对应的冷事件对应的冷水位相以及东南太平洋与印度洋海平面气压的反位水位相以及东南太平洋与印度洋海平面气压的反位相变化非周期性重复出现，称为相变化非周期性重复出现，称为ENSO循环。循环。La Nino 事件：赤道中东太平洋事件：赤道中东太平洋SST低于正低于正常状态的事件。常状态的事件。二、印度洋二、印度洋SST1.偶极子模（偶极子模（IOD)1）基本概念：赤道东南印度洋海

28、水异常）基本概念：赤道东南印度洋海水异常变冷，赤道西印度洋海水异常变暖，即变冷，赤道西印度洋海水异常变暖，即西暖东冷为正偶极子事件，反之为负偶西暖东冷为正偶极子事件，反之为负偶极子事件。极子事件。印度洋偶极子关键海温区域印度洋偶极子关键海温区域 暖暖冷冷正偶极正偶极子事件子事件2） IOD指数指数印度洋西部（印度洋西部（50 70 E，10 S10 N）和东部）和东部（90 110 E，10 S0）区域平均的）区域平均的SST距平之距平之差定义为差定义为IOD指数指数2. 印度洋海盆一致模（印度洋海盆一致模（IOBM），印度洋，印度洋SST为一为一致正异常的模态称为致正异常的模态称为印度洋海盆

29、一致模（印度洋海盆一致模（IOBM） 。与与El Nino有较好的关系，近年来的研究表明，有较好的关系，近年来的研究表明， El Nino 对次年气候的影响是通过印度洋海盆对次年气候的影响是通过印度洋海盆SST一一致模来实现的。致模来实现的。三、热带海洋对气候的影响三、热带海洋对气候的影响1.ENSO对气候的影响对气候的影响1）直接的影响：热带地区）直接的影响：热带地区印度尼西亚、澳大利印度尼西亚、澳大利亚、印度、巴西亚、印度、巴西、秘鲁、智利、厄瓜多尔等；、秘鲁、智利、厄瓜多尔等；2）遥相关（遥响应）：海气相互作用）遥相关（遥响应）：海气相互作用(ENSO)对远对远处的气候及气候异常产生影响

30、的现象处的气候及气候异常产生影响的现象.遥相关型有遥相关型有EPA型、型、PNA型等。型等。（1）同一地区的气候变化对不同）同一地区的气候变化对不同ENSO过程的响过程的响应不同；应不同；（2）不同地区的气候变化对同一次）不同地区的气候变化对同一次ENSO的响应的响应不同。不同。ABC C东亚-太平洋( EAP) 遥相关型500hPa位势高度的异常分布。ABCD以（以（55 N，115 W）为基点的）为基点的11月月500hPa相相关场关场2. 印度洋印度洋SST对气候的影响对气候的影响Wang Bin et al. , PacificEast Asian Teleconnection: Ho

31、w Does ENSO Affect East Asian Climate?*, J. Climate, 2000; 13: 1517-1536.1）IOD对气候的影响对气候的影响2）IOBM(Indian Ocean Basin Mode)对气候的对气候的影响影响Yang Jianling et al.,2010:Linking Observations of the Asian Monsoon to the Indian Ocean SST: Possible Roles of Indian Ocean Basin Mode and Dipole Mode ,J Climate,23, 5

32、889-5902 . Nino 3 SST (150-90 W,5 S-5 N)IOBM指指数（数（40-110 E,20 S-20 N）El Nino 事件，事件，Nino 3 指数和指数和IOBM指数标准化合成指数标准化合成ENSO（0）发展年发展年ENSO（1）衰减年衰减年本章小结本章小结海陆物理性质的差异海陆物理性质的差异海陆分布对气候的海陆分布对气候的影响影响全球气候的影响效应全球气候的影响效应局地气候的影响效应局地气候的影响效应海陆气候特征的差异海陆气候特征的差异环流环流海洋环流海洋环流局地气候的影响效应局地气候的影响效应热带海洋热带海洋遥响应遥响应作业作业4：1.为什么海洋上多平流雾，陆地上多辐射雾？为什么海洋上多平流雾，陆地上多辐射雾？2.简述海洋环流对我国气候的影响；简述海洋环流对我国气候的影响；3.海气相互作用对气候影响的复杂性表现在哪些方海气相互作用对气候影响的复杂性表现在哪些方面？面？4.任选文献（任选文献（Bin Wang 2000 or Yang Jianling 2010)阅读，完成问题：文章做了什么主要工作、阅读，完成问题：文章做了什么主要工作、使用了什么方法、得到了什么成果等。使用了什么方法、得到了什么成果等。