第四章 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-气能量、物质及动量交换
第五节 热带海洋对气候的影响
第一节
海洋在气候形成和变化中的重要性
一、海洋是大气的主要能量供应源
1.太阳辐射绝大部分（85%）被海洋表层吸收，通过潜热和显热输送给大气.
2. 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
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
1.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；
2. 平滑大气高频变化.
四、海洋对温室效应的缓解作用
释放到大气中的CO2有一半左右被海洋吸收，减缓了全球增暖的速率。
第二节
海、陆物理特性的差异
一、海、陆面积的差异
海洋表面积占地球总面积的70.8%；
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
第二节
第二节
二、海、陆表面辐射特性的差异
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；
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、陆表面太阳总辐射和净辐射的比较 (MJm-2•年-1 ）
三、海、陆向大气热量输送的差异
第二节
全球平均感热输送陆地大于海洋；
各纬度及全球平均海洋蒸发比陆地大3倍以上.
海、陆表面热量平衡各分量的纬圈年平均 (MJ•m-2)
1,7月沿北纬30上各经度辐射、显热及潜热通量
四、海、陆向下及水平热量输送的差异
第二节
海水的热容（是空气的3100倍）大于土壤1-2倍；
海水有铅直混合作用：涡动、对流和分子垂直运动与；
海水大规模的水平运动。
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
第三节
海、陆分布对气候的影响
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）的影响—季风环流：
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，气流由陆地吹向海洋（冬季风）。
1）季风的定义 4）东亚季风的特点
2）季风的形成 5）东亚季风指数
3）东亚季风的形成 6）东亚副热带季风指数
1）季风的定义: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。
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
2）季风的形成
冬
夏
NE
G
NW
10°N
10°S
G
G
SW
SE
夏季赤道辐合带
冬季赤道辐合带
0°
3）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
青藏高原的作用
4）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；夏季风为偏南风，冬季风强于夏季风。
影响我国东部、朝鲜、韩国和日本
5）东亚季风指数
定量描述东亚季风强度及其变化的参数
SCS monsoon
southwest monsoon
shear vorticity
north-south
thermal contrast
east-west
thermal contrast
东亚季风指数
李建平和曾庆存（2002）提出的东亚季风指数：
（1040N,110140E）区域平均的850hPa的西南（u,v）风，该指数可以很好地表征季风环流和降水型。
6）东亚副热带季风指数
东亚副热带季风区：22.532.5N,112.5135E
东亚副热带季风指数=东亚季风区平均的（标准化西南风-标准化OLR）
该指数与长江中下游地区夏季降水具有显著的相关。
降水与西南气流相关
降水和OLR相关
东亚副热带季风指数与降水的相关分布
全球 7月海平面平均气压（环流）图
全球1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
使平直气流产生了槽脊波动
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；
2、海面气温的日较差和年较差都小于陆面.
在30°N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
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：海洋多平流雾、陆地多辐射雾
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
海-气能量、物质和动量交换
第四节
一、 海-气能量交换
R0 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，
为海面与下层海水通过水分子传输的热通量。
1、海-气界面能量平衡方程
透过海面向下传输的太阳辐射通量
水分子热量交换系数
2、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，同时潜热大于感热；
2）冬季海洋向大气的能量输送大于夏季.
1,7月沿北纬30上各经度辐射、显热及潜热通量
二、海-气界面的物质交换过程
1. 蒸发与降水
2 . 海盐交换
3. CO2 和O2的交换
三、海-气动量交换
1.大气环流向海洋输送动量，是海洋环流和风浪的主要动力；
2.海流定义：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.
3.海流分类
按成因分为：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．
暖流：指海流水温比流经海区水温高的海流．寒流则相反。
海洋表层环流（风海流）
密度流：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密度流。
地中海-大西洋密度流：表层流为大西洋流向地中海
大西洋
地中海
红海-印度洋密度流：表层印度洋流向红海
大西洋-波罗地海密度流：表层波罗地海流向大西洋
直布罗陀岩床
盐度<3.6%
盐度>3.8%
温盐环流
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，从大洋底部流向低纬地区形成的深层海水流动现象称为温盐环流.
全球海洋环流示意图
海气快速相互作用的区域 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
海洋环流的热量输送
1）经向输送：约占总经向输送的30%
2）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)
地球上全年洋流垂直热量输送分布（单位：kcal/m 2·a，负的表示下层向海表输送）
3. 海洋环流对气温的影响
1）调节了低纬和高纬的温差
大陆和大洋上赤道至北极圈气温差(ºC)的比较
2）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；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
沿岸的风向及大小；
海洋与陆地气温差异的大小;
4. 海洋环流对降水的影响
1）暖流沿岸多降水，冷流沿岸多雾（海陆风雾、海雾）；
2）影响效应与沿岸风向及大小有关。
热带海洋对气候的影响
第五节
一、ENSO循环
1.厄尔尼诺（El Nino)事件
1）定义: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异常升高现象。
赤道太平洋El Nino区分布图
2） Nino指数
定量描述El Nino事件的参数。常用Nino区海域平均SST表示。
Nino 1+2区：90º-80ºW，10ºS-0º
Nino 3区：150º-90ºW，5ºS-5ºN
Nino 4区：160ºE-150ºW， 5ºS-5ºN
NINO3.4区： 170º-120ºW， 5ºS-5ºN
3) El Nino 事件的判定
Nino区月平均SST距平连续半年超过0.5ºC，最高正距平在1.0ºC以上，即判定为一次El Nino 现象.
1948-1999平均年SST 分布
4） El Nino事件发生区域与赤道SST气候场的关系
5） 典型El Nino事件的发生发展过程
前兆阶段
3-5月
异常发展阶段
10月
成熟阶段
11-1月
恢复阶段
2.南方涛动（SO）：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，即两者气压变化的跷跷板现象。
南方涛动指数（SOI）：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(143º05‘W,17º53’S)的海平面气压与同时期澳大利亚北部的达尔文港(130º59‘E ，12º20’S)的海平面气压的差值，经过一定的数学处理来计算。
ENSO：将历年赤道东太平洋SST与同时期南方涛动指数SOI进行对比，发现当发生厄尔尼诺时，南方涛动指数SOI出现异常低位相，故将厄尔尼诺和南方涛动合称ENSO。
3. 沃克环流
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沃克环流。
赤道洋面的纬向垂直环流圈
1.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还是减少？为什么？
3. ENSO遥相关的影响途径有哪些？
4.ENSO循环
El Nino 事件对应的暖位相和La Nino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相变化非周期性重复出现，称为ENSO循环。
La Nino 事件：赤道中东太平洋SST低于正常状态的事件。
二、印度洋SST
偶极子模（IOD)
1）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，即西暖东冷为正偶极子事件，反之为负偶极子事件。
印度洋偶极子关键海温区域
暖
冷
正偶极子事件
2） IOD指数
印度洋西部（50—70E，10S—10N）和东部（90 —110E，10S—0）区域平均的SST距平之差定义为IOD指数
2. 印度洋海盆一致模（IOBM），印度洋SST为一致正异常的模态称为印度洋海盆一致模（IOBM） 。与El Nino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SST一致模来实现的。
三、热带海洋对气候的影响
ENSO对气候的影响
1）直接的影响：热带地区—印度尼西亚、澳大利亚、印度、巴西、秘鲁、智利、厄瓜多尔等；
2）遥相关（遥响应）：海气相互作用(ENSO)对远处的气候及气候异常产生影响的现象.遥相关型有EPA型、PNA型等。
（1）同一地区的气候变化对不同ENSO过程的响应不同；
（2）不同地区的气候变化对同一次ENSO的响应不同。
A
B
C
东亚-太平洋( EAP) 遥相关型500hPa位势高度的异常分布。
A
B
C
D
以（55 N，115 W）为基点的11月500hPa相关场
2. 印度洋SST对气候的影响
Wang Bin et al. , Pacific–East Asian Teleconnection: How Does ENSO Affect East Asian Climate?*, J. Climate, 2000; 13: 1517-1536.
1）IOD对气候的影响
2）IOBM(Indian Ocean Basin Mode)对气候的影响
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, 5889-5902 .
Nino 3 SST (150-90 W,5S-5N)
IOBM指数（40-110E,20 S-20N）
El Nino 事件，Nino 3 指数和IOBM指数标准化合成
ENSO（0）发展年
ENSO（1）衰减年
本章小结
海陆物理性质的差异
海陆分布对气候的影响
全球气候的影响效应
局地气候的影响效应
海陆气候特征的差异
环流
海洋环流
局地气候的影响效应
热带海洋
遥响应
作业4：
为什么海洋上多平流雾，陆地上多辐射雾？
简述海洋环流对我国气候的影响；
海气相互作用对气候影响的复杂性表现在哪些方面？
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、使用了什么方法、得到了什么成果等。