第三讲_海气相互作用

2020/4/27,.NanjingUniversity,1,第三讲海气相互作用,能量供给的来源和转换大气海水界面上的物质交换海气相互作用的效应厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）,.NanjingUniversity,大气与海洋之间由于强烈的能量和物质交换而存在着密切的关系陆地水文学家和气象学家可独立进行工作海洋物理海洋学家和气象学家都面临着海气相互作用的科学问题，需要研究对方的问题，合作研究,.NanjingUniversity,1、能量供给的来源和转换,海气相互作用主要由太阳能驱动46亿年、恒星，成分主要是氢（占74），其次是氦（占25），其他元素如氧、氮、碳、硅、铁、镁、钙等的质量加起来占1正在发生由氢转化为氦的热核反应，使其核心部分的温度高达1.5106K，向太空辐射的能量功率高达3.81026w我国最大的水电站三峡电站的装机容量为1010w量级太阳可按照现在的状况再持续约40亿年,.NanjingUniversity,地球接收的太阳热能以地球的投影面计，接收的太阳能为1360w/m2以地球表面平均计，则为340w/m2地球内部的温度很高，但地球内部传到地球表层的能量只有0.1w/m2（与太阳能相比微不足道）,.NanjingUniversity,既然地球表面接受了如此巨大的太阳能，这里就似乎应该温度不断升高才对，而实际情况是无论陆地还是海洋，其表面温度的平均值很多年只有很小的变化（每100年0.5K量级），是什么因素造成了这一现象？,.NanjingUniversity,根据一块区域上的热平衡方程以及实测数据的分析来加以说明在一块水平区域上，热能的净通量QT可表示为：,QS为太阳辐射通量，为表面反照率QN为长波辐射或行星辐射所造成的损失QE为蒸发潜热造成的损失QH是紊动扩散造成的损失,.NanjingUniversity,在海洋的低纬地区（表3-1），海水吸收热量；而在中高纬地区海水则有热能的支出。此外，与太阳能到达地球表面的平均值340w/m2相比，净能量收支值相对较小，在最大值的10S10N范围也只占10左右,表3-1海洋表面的年平均热收支（w/m2）观测值,*QR=QS(1-)-QN,.NanjingUniversity,由于太阳能在不同纬度地带上的通量不同，因此在不同的海区海水的温度不同另一方面，海水的密度是温度和盐度的函数，在大洋中盐度的数值虽然大致相同，但水温有较大的差异低纬地区水温上升，体积增大，其水位也相应上升，这样在同层位的水体，低纬地区的压力高于中高纬地区，从而形成压力的水平梯度，这将造成水体的运动运动的方向是从低纬指向中高纬地区,洋流的产生太阳能的输入,.NanjingUniversity,.NanjingUniversity,热带太平洋由于水温上升而导致水位上升，因而形成了向南向北运动的水体，黑潮就是其组成部分，其流速达到了1m/s的量级，总的流量达到了108m3/s量级（长江流量为104m3/s量级）这样一条巨大的“河流”将低纬区的暖水源源不断地输往中高纬地区，从而极大地影响了所流经地区的水温变化,黑潮（Kuroshio）,.NanjingUniversity,Kuroshio,.NanjingUniversity,洋流还与大气运动有关，海面水体的不均匀升温在大气中也存在，低纬区的大气压力由于升温而增大，温度和压力还由于来自海面的蒸发等因素而进一步加剧因此，在热带地区气流上升，高纬度地区气流下降，形成地球行星风系，风作用于海面，伴随着空气动能向海面之下的水体输送。海面上空气运动形成边界层，而大气海面界面上的切应力就代表了风的动能向水体的转换，这一能量转换使海水产生运动，称为“风成海流”,.NanjingUniversity,海洋蒸发的水汽与大气运动相结合，还能将水汽输送到远离低纬地区的地区并形成降水，这个过程也造成大规模的热能输送，在台风等热带风暴系统中这种效应尤其明显在平常天气下，季风的季节性转换也使热能的输送产生季节性变化，总体趋势是自低纬向高纬输送,.NanjingUniversity,在较大的时间尺度上，海洋中的生物作用也帮助了一部分太阳能的转移，尽管在较小时间尺度其重要性远不及洋流和天气系统生物作用将太阳能与营养物质相结合，经过光合作用形成初级生产力，进而使能量在生态系统中发生转移当生物死亡时，其生物体的一部分沉降到海底，最终形成石油、天然气等化石燃料据估算，目前所有已探明的地球上化石燃料的热能相当于10天内地球表面所接受的太阳能,.NanjingUniversity,通过大气降水和海面蒸发作用，水体交换的强度是很可观的，海面上的垂向水通量W可用下式计算：,式中，P为降水量，E为蒸发量，均用mm/yr的单位来表示，其含义为单位面积上降落或蒸发的水量在常温常压下的厚度,2、大气海水界面上的物质交换,.NanjingUniversity,不同海区的降水量有很大区别，降水量最大的海区，如印度尼西亚附近，降水量可超过3000mm/yr，而在热带太平洋东部这样的地方，降水量可在100mm/yr以下蒸发量与降水量的分布不同，它是垂向温度梯度和风速的函数。在热带信风带蒸发量普遍达到1500-2000mm/yr，在中纬度地区，北太平洋和北大西洋的西部蒸发量亦可达2500mm/yr就海洋整体而言，蒸发量大于降水量,.NanjingUniversity,大气中含有一定量的CO2，因此大气压力中有一部分是来自CO2，称为二氧化碳分压在海水中，其溶解的气体中有部分是CO2，而且海水能够溶解的CO2受到所谓“常态大气均衡浓度”条件的控制，这可以表达为Henry定律，即均衡状态下的海水CO2浓度为：,式中PA为溶解气体的分压（对CO2而言，为348ppm），KH为系数，它与温度、盐度有关，在温度为20和盐度值为35时，KH0.065，总体上随温度、盐度和静水压力的升高而降低,.NanjingUniversity,当水体中溶解的CO2产生或失去很快时，海水不能即刻达到新的均衡态，因此，海水的CO2含量可能会处于未饱和态、饱和态或过饱和态当处于未饱和态时，大气当中的CO2就会向海水中输移，例如当浮游植物快速生长时会消耗掉水中的CO2，而且进一步消耗进入海水的CO2，这种由于海洋浮游植物生长而导致的大气CO2向海洋的转移称为海洋的生物泵现象当处于过饱和时，海水中的CO2就会向大气释放，例如当死亡的生物体被细菌所分解时此外，不同温度、盐度的海水发生混合时会产生密度升高现象，与此相似的是，溶解气体饱和程度的变化也可以由于水团混合而造成,.NanjingUniversity,随大气运动的物质还有粉尘大气降尘粉尘来源于干源区或火山喷发，是被风力作用而被悬浮到大气层中的粒径很小的沉积物颗粒。我国北方经常发生的沙尘暴就是这种过程的结果粉尘在大气中可以被输运几千公里的距离，最终降落在海洋里，与河流从陆地上携带入海的沉积物总量相比，大气降尘所造成的堆积量是很小的，但在分布范围上有很大的不同河流入海的物质大多堆积在大陆架或其他靠近陆地的海区，而大气降尘则可能分布在整个大洋的范围,.NanjingUniversity,大气降尘中含有一部分盐类物质和营养物质，因此在大规模的沙尘暴事件之后可能在大气降尘发生的海区生产力得以提高，例如北太平洋地区的渔业就与沙尘暴有关（北美鲑鱼）这部分盐类的输入对于海洋的盐度影响不大（海洋每年要接纳31012kg盐类物质，其中大部分来自河流，大气降尘的贡献很小）,.NanjingUniversity,在海洋的表层，由于水体收支的不同，盐度值可以偏离整个大洋的平均值，降水量大于蒸发量的海区，表层盐度可降低，而蒸发量大于降水量的地方盐度可以升高在近岸区域，特别是河口附近，盐度由于入海淡水的加入而降低，发生盐度变化的水体因与周边水体的密度不同，可能引发水体的相对运动,.NanjingUniversity,综上所述，大气海水界面是一个物质交换活跃的地方对于海洋的水动力环境而言，只有水的交换才发生了重大影响，如海洋向大气的水汽和热量输送造成了种种天气现象。而天气状况又反过来影响海洋，同时水体交换引起海洋水体盐度的变化，也能影响水体运动其他物质的交换，在短时间尺度上对生态系统有较大影响，但对水体运动没有直接的影响,.NanjingUniversity,3、海气相互作用的效应,当信风从亚热带区域的陆地吹向赤道海域时，气团将发生变性，原先干而热的气团在海面上被降温，水汽含量增加（由于海面蒸发）这个过程先是发生在靠近海面的几百米范围之内，然后逐渐扩大，最后厚层的气团全部变性为冷湿的海洋气团随着这个气团向赤道逼近，热量通量的方向转化为从海面向上，并且伴随更大强度的蒸发，气团进一步变性，且其厚度可达2-3km,.NanjingUniversity,在其他海区，气团的变性也是常见的过程例如在中纬地区，亚洲北部内陆的冬季，干冷空气周期性地向北太平洋运动，形成寒潮，当寒潮掠过中国东海和黑潮海区时，气团的温度最初为020，水汽含量小于1g/kg，之后开始升温，并且提高吸收来自海面的水汽的能力，仅仅经过300km的水平运动，变性气团的厚度就可达12km，当到达黑潮海区时，变性气团已吸收了大量热能和水汽，具备了产生阵雨和气旋的条件,.NanjingUniversity,海洋表层的水温对于大气系统的影响热带气旋的形成在我国沿海，夏秋季节常有台风侵袭，而台风就是从热带海域生成的气旋演化而来的热带气旋只能在海面水温超过26的地方形成，那里海面蒸发强度高，大气接受的蒸发潜能加剧了大气环流，这又反过来加剧海面蒸发。这种正反馈过程可以指数式的速度进行，直至热带气旋生成，其能量的耗散主要靠海面摩擦力，当气旋登陆后，地面的摩擦阻力可使能量迅速地耗散,.NanjingUniversity,26,莲花+灿鸿+浪卡（2015.07.09）,超强台风尼伯特（Nepartak）7月10日热带风暴卢碧（Lupit）强热带风暴银河（Mirinae）台风妮妲（Nida）8月2日强热带风暴奥麦斯（Omais）强热带风暴康森（Conson）强热带风暴灿都（Chanthu）强热带风暴电母（Dianmu）台风蒲公英（Mindule）超强台风狮子山（Lionrock）热带风暴圆规（Kompasu）强台风南川（Namtheun）热带风暴玛瑙（Malou）超强台风莫兰蒂（Meranti）9月17日热带风暴雷伊（Rai）强台风马勒卡（Malakas）超强台风鲇鱼(Megi)9月29日超强台风暹芭（Chaba）强热带风暴艾利（Aere）热带风暴桑达（Songda）热带风暴莎莉嘉（Sarika）热带风暴海马(Haima)2016年台风编号及命名,.NanjingUniversity,27,10年来最猛烈大西洋飓风“马修”,.NanjingUniversity,海洋在大气环流的季节变化中起重要作用。因此，天气异常现象往往是海洋状况异常引起的海水的热容量比大气大得多，如果没有海洋，则大气中的任何异常都会迅速过去，难以形成显著的事件（如异常寒冷或暖和的冬季）海水的高热容量使海洋的异常事件有较长时间的“记忆”，通过影响大气环流而形成较长时间的季节性异常天气。大洋表层称为“混合层”的50200m之内贮存的热能足以给季节尺度的气候事件提供能量因此，如果要预报未来几个月的天气，则必须要了解海气相互作用的特征，仅仅依靠气象观测资料的分析和模拟（即短时间天气预报）方法是不够的,.NanjingUniversity,在更大的时间尺度上，海洋大气系统的行为也是联系在一起的，年际的波动可以厄尔尼诺和南方涛动为代表，在百年至千年的尺度上，海气相互作用也可以导致气候变化季节性的异常或变异是由于海洋混合层内的能量转换和循环事件造成的，而长时间尺度的气候变化则与深层海洋环流有关,.NanjingUniversity,在海洋表层混合层与下伏水层之间的界面称为温跃层，温跃层内的水体运动的周期与所处的深度有关例如，温跃层位于500m深度，则其周期约为18年；一般而言，温跃层环流周期的时间尺度为100101年量级，因此，一些年代际的气候变化与温跃层环流是有关联的,.NanjingUniversity,温跃层以下的深海水体运动是海洋环流体系中时间尺度最大的环流，它是由海水的密度差异而驱动的，在相互连通的世界大洋中，这种流动使不同洋盆的海水得以相互交换，从而保持海水物质组成一致性从低纬到高纬海区，水体的密度呈现系统性的变化，低纬海区表层水体的密度较低，而高纬海区的密度较高，从而在高纬地区海水呈下沉运动，密度最大的海水有向最深处运动的趋势（由于静水压力的作用），在深海由连续方程可知垂向的运动将导致水平运动，这就是深层大洋环流的形成机制,.NanjingUniversity,深层环流的规模可达到较大，如北大西洋深层水的流量可达20Sv（1Sv=106m3/s），按照这个流量估算，整个大洋的深层环流的时间尺度为1585年也就是说，如果北大西洋深层水具有时间上的变化，则这种变化可能在千年尺度上对深层环流所到之处产生影响，造成气候变化由此可见，海洋深层环流引起的气候影响的时间尺度是与洋盆大小、环流强度乃至海陆分布形成有关的,.NanjingUniversity,厄尔尼诺ElNino，西班牙语“圣婴”南方涛动SouthOscillation拉尼娜LaNia，西班牙语“圣女、小女孩”厄尔尼诺与南方涛动是海气相互作用的年际变化的产物，是一个海气相互作用的典型事例，对于太平洋地区的气候和海洋资源有着重要影响。因此，需要对它的形成过程和机制作一些较为深入的探讨过程（Process）：就是在一个系统里在某种动力作用下发生的反应机制（Mechanism）：是指若干种过程的不同组合方式所产生的效应,4、厄尔尼诺与南方涛动（ENSO）,.NanjingUniversity,经典的厄尔尼诺事件一些年份的冬季（12月至1月）发生在厄瓜多尔和秘鲁海岸的事件，其范围在太平洋东岸20N20S之间的海岸水域事件发生时，水温增高28，伴随着大雨，而且当地的渔业生产受损（鳀鱼是主要的经济鱼类，厄尔尼诺发生时产量锐减）这种现象每27年发生一次，每次持续几个月,.NanjingUniversity,AnchoaSpanish，鳀鱼,.NanjingUniversity,在正常情况下存在着两条辐聚带一是热带辐聚带（ITCZ），位于太平洋北半球的510N范围，从印度尼西亚向东延伸至中美洲；二是南太平洋辐聚带（SPCZ），从澳大利亚北部向东南延伸至南太平洋中部区域,.NanjingUniversity,在海面形成气流的辐聚必然伴随着热带大气层上部的辐散，由于大气在两个辐聚带发生降水，且上部辐散处大气的温度和压力均降低了，因此向外辐散的气流水汽含量低，这股向外的气流向东南太平洋移动，与海面的气流构成统一的环流（南北向分量Hadley环流，东西分量Walker环流）当气流在南东太平洋下沉时，由于大气的绝热升温，空气干燥，难以形成降水，故在ITCZ和SPCZ两个辐聚带之间形成了一块“无雨地带”同时，由于季风将海水向赤道输送，并且造成中美洲赤道附近海岸的上升流，因此在热带太平洋东部形成了一个冷水舌，南方涛动指数相应地出现高值,非厄尔尼诺年,.NanjingUniversity,NormalandElNinoconditionsoverthePacificOcean,.NanjingUniversity,Convectioncellcirculationonanon-rotatinguniformearth,.NanjingUniversity,Hadleycells,.NanjingUniversity,.NanjingUniversity,.NanjingUniversity,在南太平洋的低纬地带有两个代表性的近地面气压观测地点，一个是西太平洋的达尔文港（澳大利亚北部，1230S，13010E），另一个是东太平洋的塔西提岛（1750S，14940W，法属波利尼西亚群岛最大的岛）在非厄尔尼诺年，塔西提岛的气压高于达尔文港，这个地区以东南风（风向、流向）为特征厄尔尼诺发生时，气压梯度值发生变化，达尔文港气压升高，塔西提岛气压降低，使东南季风减弱,南方涛动与厄尔尼诺相伴,.NanjingUniversity,.NanjingUniversity,通常将达尔文港和塔西提岛两地之间的海面气压差定义为“南方涛动指数”SOI：式中，SOI为南方涛动指数，PD为达尔文港的海面气压，PT为塔西提岛的海面气压。当SOI处于正值时，塔西提岛的气压高于其多年平均值，而达尔文港的气压则低于平均值；当SOI为负值时，前者的气压低于平均值，而后者高于平均值。这两地的气压值就像“跷跷板”一样，一头高，另一头就低，因而称为“涛动”,.NanjingUniversity,厄尔尼诺是海洋现象，而南方涛动是大气现象，两者之间的相关性表明它们有着形成机制上的关联性。研究结果表明，南方涛动指数的变化伴随着热带辐聚带的变化厄尔尼诺发生时太平洋东部的冷水舌被来自太平洋中部和赤道以南的暖水所取代，ITCZ向南迁移，靠近赤道，而SPCZ向东迁移；在印度尼西亚和澳大利亚北部降水较平常偏少，甚至出现干旱，而太平洋中、东部的无雨地带此时却出现大雨，南方涛动指数出现负值,.NanjingUniversity,除热带太平洋区域外，厄尔尼诺有着更大范围的影响，通过改变大气环流的格局，厄尔尼诺可改变亚洲和非洲地区季风的影响状态，如降水量的变异此外，热带太平洋东部的异常海水升温可以影响北太平洋中纬地区的大气环流格局，使北美的冬季变得较为温暖,.NanjingUniversity,ElNino,LaNia,.NanjingUniversity,第一种拉尼娜（即非厄尔尼诺的极端状况）形成的机制热带太平洋海面在东向风的作用下，形成自东向西的洋流，这是行星风系形成后的一个必然效应洋流使赤道太平洋东岸的水体发生亏损，于是沿岸地区就发生了海水的涌升，上升流带来了低温的深层海水，使海面水温下降，进而使近海面大气温度下降，加大了表层气压在增大的表层气压情况，本区域的东西气压差进一步增大，即南方涛动指数增大，从而使东向风得到进一步增强，经过若干个正反馈周期后，南方涛动指数将逐渐增加到极值,两种正反馈机制解释厄尔尼诺和它的对立面拉尼娜,.NanjingUniversity,任何正反馈过程都不可能永远的持续下去，因为在这个系统中能量的供给不是无限的在上述正反馈中，伴随着热带太平洋西部区域水位的逐渐提高，并且形成了一个西高东低的水面梯度，当水面梯度造成的压力正好与东向风的应力平衡时，进一步的水体向西输运将会终止，此时东向风的强度也就无法得到进一步增强，这个时刻就成为拉尼娜开始崩溃的时刻,.NanjingUniversity,此后，西向流的减弱使热带太平洋的表层水体由于接受了太阳辐射而升温，这一升温的趋势降低了海面气压，也使南方涛动指数降低，并且进而使东向风和西向流减弱这个正反馈过程（第二个）的进行会打破水面梯度力与风应力之间的平衡，触发热带太平洋西部的暖水向东运动，一旦这一现象发生，西向风会进一步减弱，无法阻止这股暖水的向东运动，直至它抵达太平洋东岸，造成厄尔尼诺事件,.NanjingUniversity,赤道附近的暖水向东传播时以开尔文波的形式进行开尔文波是海洋环境中产生的周期和波长均很大