现代气候学第6章 海-气相互作用_2016

上节回顾季风（定义）形成因素季风指数气候的地带性与非地带性1长白山第六章海-气相互作用第一节海洋在气候形成和变化中的重要性第二节海、陆物理特性的差异第三节海、陆分布对气候的影响第四节海洋环流第五节海-气能量交换第六节热带海洋对气候的影响2Theclimatesystem3AllEarth71%water29%land海气相互作用的基本特征海气相互作用的基本含义：海洋通过加热影响大气运动，大气运动通过切应力对海流产生影响，使海水产生风吹流和上翻运动，使海温分布发生变化，从而影响到加给大气的热量。4研究意义：不仅有助于揭示预报大气和海洋环境方面的需要了解的一些科学问题;而且对渔业、航海、海洋资源的开发利用和随之而起的海洋工程;对全球气候乃至人类生存环境变化的预测等方面都有十分重要的实际意义。揭示海气相互作用的物理过程及机理是提高短期/长期气候预测能力的关键.5第一节海洋在气候形成和变化中的重要性第二节海、陆物理特性的差异第三节海、陆分布对气候的影响第四节海洋环流第五节海-气能量交换第六节热带海洋对气候的影响66.1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吸收的太阳辐射中，绝大部分（85%）被海洋表层吸收，通过辐射、潜热和感热输送给大气。海洋环流热量的经向输送(占热量经向输送的33%）潜热输送海洋输送大气输送正值向北负值向南地-气系统向极能量输送各分量的年平均纬度分布7（2）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（~86%）土壤水分(w)陆地水循环海洋水循环全球水循环裸地蒸发雪3851118（3）海洋对气候具有重要的调节作用海洋的热惯性和动力惯性大-0.4-0.200.20.40.60.81123456789101112北太平洋海温海冰热带太平洋海温700hPa高度场热带太平洋海温、北太平洋海温、北极海冰和700百帕高度月平均自相关系数（横坐标表示时间，单位：月；纵坐标表示相关系数）海洋的运动和变化具有明显的缓慢性以和持续性，这一特性可以使1)海洋具有“记忆”能力，通过海气相互作用将大气变化信息储存在海洋中，然后再对大气运动产生作用；2）海洋的热惯性使海洋状况具有滞后效应，如海洋气候季节滞后于陆地1个月左右；3）通过海气相互作用，平滑大气高频变化910（4）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），减缓了全球增暖的速率。海洋:38000单位大气：730陆地：2000•海水温度分布（垂直）11根据海水垂直分布的特点,可分为三层:由海面向下数十米左右的表层一般称为混合层,以下100-1500m的范围叫温跃层,再下就是底层.海洋的表层在海气相互作用下,水体性质因充分混合而均一,接近同温状态,称为混合层6.2.1海洋基本特性混合层：海洋的表层在海气相互作用下,水体性质因充分混合而均一,接近同温状态,（暖，密度低）深水层：冷，密度高温跃层：温度和密度变化梯度大1213•海水的温度分布（水平）6.2.1海洋的基本特性1月份7月份14年平均15AnnualcycleoftheSST•AnnualcycleoftheSeaLevelHeight166.2.1海洋基本特性海水盐度随纬度的变化17海水盐度（Salinity）：1KG海水中溶解的全部固体物质，通常以每千克海水中所含的克数表示，单位‰Annualmeansurfacesalinity(PSS:1978PracticalSalinityScale)海表盐度降水18海表盐度分布亚热带最高，热带次之，极带最低19世界盐度最高海区：红海（4.1%）世界盐度最低海区：波罗的海(1%）原因：1）地处副热带海区，常年受副高控制，降水少，蒸发旺盛。2）周围沙漠广布，几乎无径流注入。原因：1）受副极地低气压带和西风影响，降水较多，纬度高，蒸发弱。2）周围陆地有大量淡水汇入。206.2.1海洋基本特性21海水密度（Density）海水密度是温度，盐度，压强的函数，但一般变化幅度不大，p=1000kg/m3=1gm/cm3。P，S增加，密度增加；T减小，密度增加22温跃层（Thermocline）；盐跃层（Halocline）；密度跃层（Pycnocline）6.2.2海、陆物理特性的差异6.2.2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23NorthernHemisphere61%water39%landSouthernHemisphere81%water19%land6.2.2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1mm24纬度陆地海洋QRQR70～60ºN60～50ºN50～40ºN40～30ºN30～20ºN20～10ºN10～0ºN0～10ºS10～20ºS20～30ºS30～40ºS40～50ºS50～60ºS全球351741875317649073277578661562806908808067415108360157789211340188424282680309833083308314029722596184214652093314037684731594570347411741175787411690860294857364360299631800268037684647506651915317510845643852310419263810海、陆表面太阳总辐射和净辐射的比较(MJm-2•年-1）256.2.3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）各纬度海洋潜热大于陆地，全球平均海洋蒸发耗热比陆地大3倍以上.6.2.4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；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面平滑、粗糙度小、平均风速大于陆面台风登陆后风速减弱可以看出海、陆地表摩擦的差异266.3.1海、陆分布对环流的影响(1)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海、陆分布对气候的影响276.3.1海、陆分布对环流的影响(2)海陆分布对季风的影响副高强副高弱6.3海、陆分布对气候的影响286.3.2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（hPa）月①亚非大陆②太平洋①–②海平面19.212.5-3.3731.224.76.385015.56.5-1.0724.016.47.67001-1.3-0.3-1.0713.98.65.35001-16.5-14.5-2.07-4.3-6.82.53001-41.8-38.3-3.37-28.1-33.04.92001—-51.5—7-46.5-53.47.1在30°N不同高度上，海、陆气温及其差值（℃）296.3.3海、陆分布对大气水份和降水的影响1）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：海洋、陆地哪个多平流雾、哪个多辐射雾？3）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，三是有凝结核海洋上多发生平流雾，陆地上多发生辐射雾30海、陆对温度和降水等气象要素的影响31海洋环流：海水及海水中各种物理量、化学量循环于世界大洋的一种自然现象，简称海流。海流按其成因分为两种：•风生环流：大洋中由盛行的稳定风系所生成的海流，自成循环体系。动力学原因所生成的海流，亦是通常所说的洋流。•热盐环流：由于广大洋面受热、冷却、蒸发和降水不均匀所造成的海水温度和盐度变化，导致密度分布的不均匀形成的热力学海流，称为热盐环流，也成温盐环流。风生环流及部分热盐环流仅仅发生在海洋1－2000m左右以上的海洋上、中层，即海洋斜压层（又称海洋对流层）中，而海洋深层（即海洋平流层）全部为热盐环流。6.4海洋环流大洋环流形成的根本原因：风应力、热通量、淡水通量3233风应力分布海洋表层环流（风生环流）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34亚洲的北海道渔场，欧洲的北海渔场，北美洲的纽芬兰渔场都是寒暖流交汇形成的。只有南美洲的秘鲁渔场，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，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。35秘鲁渔场的成因示意图翻3637为何秘鲁沿岸有上翻海水？埃克曼输送Deepoceancurrents温盐环流（热盐环流）38海洋环流对气候的影响1）海洋环流的热量输送•经向输送：约占总经向输送的33%•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78010101210240104013801140120－200－70－60－230－60－300130350393）海洋环流对气温的影响•调节了低纬和高纬的温差经度(地区)0º大西洋130ºE欧亚大陆170ºW太平洋90ºW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(ºC)的比较•引起东、西岸的气温差异4）海洋环流对降水的影响暖流沿岸多降水；冷洋流沿岸多雾，层结稳定以墨西哥湾暖流为例，“湾流”每年供给北欧海岸的能量，使得欧洲的西部和北部的平均温度比其它同纬度地区高出16～20℃，甚至北极圈内的海港冬季也不结冰。406.5海-气能量交换3）海-气界面的物质交换过程•蒸发与降水•海盐交换•CO2和O2的交换6.5.1海-气能量转换的物理过程1）海-气界面能量交换•辐射•感热•潜热2）海-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412）海-气界面能量交换（热量）•海洋是大气的主要能源供应地，同时潜热大于感热；•冬季海洋向大气的能量输送大于夏季.1）海-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421月份短波辐射1月份长波辐射1月份潜热通量1月份感热通量气候平均值437月份短波辐射7月份长波辐射7月份潜热通量7月份感热通量气候平均值446.6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℃）456.6.1气候平均态SST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46暖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（WesternPacificWarmPool）该区海温异常制约着亚太区域乃至全球的气候变化，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3℃～9℃。47486.6.1气候平均态Pr4950研究历史Walker(1923,1924)discoveredtheSouthernOsc