第九講中高緯度海氣相互作用

第九講中高緯度海氣相互作用第一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一課程設(shè)計(jì)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(cè)資料，詮釋大洋環(huán)流和海氣相互作用的基本概念和動(dòng)力學(xué)理論，重點(diǎn)分析當(dāng)代氣候數(shù)值模擬中幾個(gè)受關(guān)注程度較大的問(wèn)題；同時(shí)介紹有關(guān)模式設(shè)計(jì)和模式評(píng)估的初步知識(shí)。

第二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一海氣相互作用研究的三個(gè)核心環(huán)節(jié)“understanding”則是整個(gè)鏈條的核心環(huán)節(jié)。模式發(fā)展一定要和觀測(cè)、理論研究相結(jié)合，模式進(jìn)步的基礎(chǔ)在于“understanding”。本課程的側(cè)重點(diǎn)雖然是“數(shù)值模擬”，但也力圖將觀測(cè)和理論結(jié)合進(jìn)來(lái)，以期選修本課程的研究生（無(wú)論他們將來(lái)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(shí)的同時(shí)，也能對(duì)以上的道理有所領(lǐng)悟。觀測(cè)理論模式觀測(cè)第三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一???本講所關(guān)心的海氣相互作用區(qū)域第四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一本講關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同中高緯度大氣對(duì)海洋的強(qiáng)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)的海氣相互作用第五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同

第六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一熱帶海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫作用GillA.E.（1980）第七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一熱帶海洋對(duì)大氣強(qiáng)迫作用的經(jīng)典文獻(xiàn)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.第八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一AGCM對(duì)印度洋增暖的響應(yīng)第九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一第十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一熱帶海洋對(duì)大氣強(qiáng)迫作用熱帶海溫異常的加熱作用，能夠激發(fā)出強(qiáng)烈的大氣環(huán)流異常環(huán)流異常對(duì)海洋具有顯著反饋?zhàn)饔?/p>

中高緯度的海氣相互作用特征如何？第十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一Permanent溫躍層第十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一全球海氣相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域(AfterWebster)赤道極地第十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一對(duì)于大氣來(lái)說(shuō)，低緯熱帶地區(qū)的對(duì)流層高度最高；對(duì)于海洋而言，高緯極地海域的對(duì)流深度最厚。在經(jīng)向上，海洋和大氣劇烈活動(dòng)區(qū)的位置恰好相反。在大氣中，對(duì)流層頂把動(dòng)力過(guò)程緩慢的平流層與動(dòng)力過(guò)程較快的對(duì)流層分隔開(kāi)來(lái)；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(kāi)來(lái)。從某種意義上說(shuō)，對(duì)流層之對(duì)于大氣，和溫躍層之對(duì)于海洋，角色非常相似。第十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一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)第十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一大氣中的經(jīng)圈環(huán)流第十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一大氣對(duì)流層頂?shù)母叨?，在低緯約為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(guò)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(kuò)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(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，或者說(shuō)海水發(fā)生劇烈下沉。第十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一鹽析作用(brinerejection)海冰的鹽度很低，這樣在由海水向海冰的形成過(guò)程中，就會(huì)大量的鹽度釋放出來(lái)排入海洋中，造成局地海水密度的增大。這一過(guò)程被稱作鹽析過(guò)程。因鹽析過(guò)程造成的對(duì)流不穩(wěn)定，被認(rèn)為是南極大陸的羅斯海、威德?tīng)柡８浇心蠘O底層水形成的主要原因。第十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一對(duì)于大氣和海洋各自的子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(qiáng)烈混合，且都是由重力不穩(wěn)定這一物理機(jī)制引起的。

第十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一與熱帶大氣和極地海洋的不穩(wěn)定形成鮮明對(duì)比的是，熱帶海洋和極地大氣相對(duì)穩(wěn)定。熱帶海洋的層結(jié)較為穩(wěn)定，因?yàn)槔渌谂旅?，形成的海洋層結(jié)重力穩(wěn)定，這一點(diǎn)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?yàn)榕瘹鈭F(tuán)在冷空氣上面，形成的大氣層結(jié)同樣重力穩(wěn)定。第二十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一暖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(tuán)的特征，與大洋經(jīng)圈環(huán)流相聯(lián)系。第二十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一海洋中的深對(duì)流只發(fā)生少數(shù)邊緣海第二十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一/~visbeck/labsea/TheLabradorSeaConvectionExperiment第二十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一中高緯度與熱帶海氣相互作用的不同

從對(duì)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(duì)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(qiáng)烈混合，且都是由重力不穩(wěn)定這一物理機(jī)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(tuán)的特征，與大洋經(jīng)圈環(huán)流相聯(lián)系。（本講總結(jié)之一）第二十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一中高緯度大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫作用以及海洋的弱反饋第二十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一海氣相互作用研究上的一段“公案”讀史明志以史為鑒第二十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一圍繞著熱帶外和熱帶海溫在強(qiáng)迫全球大氣中的相對(duì)重要性，學(xué)術(shù)界曾經(jīng)廣有爭(zhēng)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(zhǎng)期預(yù)報(bào)的角度，強(qiáng)調(diào)熱帶外大洋對(duì)大氣的作用（Namias,1963），后者從全球觀點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)熱帶大洋的驅(qū)動(dòng)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(duì)大氣的強(qiáng)迫作用，即使存在也很弱。與之相反，熱帶大洋在驅(qū)動(dòng)全球氣候異常中的重要作用，逐漸被學(xué)術(shù)界所認(rèn)同。第二十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一Namias于1953年發(fā)表了“30天預(yù)報(bào)～10a經(jīng)驗(yàn)總結(jié)”一文。系統(tǒng)地論述了月平均（30天）環(huán)流預(yù)報(bào)的方法。Namias的研究有3個(gè)重要意義：（1）他把長(zhǎng)期預(yù)報(bào)的工具定為30天平均圖。這是一個(gè)巨大的貢獻(xiàn)，原蘇聯(lián)采用逐日天氣圖劃天氣型，未能與氣候動(dòng)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(cè)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(cè)的可能性。Namias的研究開(kāi)現(xiàn)代氣候預(yù)測(cè)之先河。盡管當(dāng)時(shí)，他還沒(méi)有意識(shí)到用大氣環(huán)流模式作預(yù)測(cè)。因?yàn)槟菚r(shí)，數(shù)值短期天氣預(yù)報(bào)也僅處于萌芽時(shí)期。

第二十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一觀測(cè)理論模式否定之否定：觀測(cè)事實(shí)是認(rèn)知自然的基石第二十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一第三十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一在許多大氣環(huán)流模式試驗(yàn)中，常用海表溫度的異常作為外部強(qiáng)迫，去考察大氣對(duì)它的響應(yīng)。這類試驗(yàn)的一個(gè)隱含的假設(shè)是，在海氣相互作用過(guò)程中，海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫是主要的，而大氣對(duì)海洋的反饋過(guò)程則可以忽略。第三十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一這在熱帶海洋上可能是一個(gè)合理的近似，但對(duì)熱帶外海洋、尤其是在冬季來(lái)說(shuō)，則未必正確。第三十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一冬季熱帶外海洋的SST和大尺度大氣環(huán)流存在很強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)。它來(lái)自兩個(gè)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(duì)海洋的影響。第三十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一研究表明，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(duì)熱帶外海洋的強(qiáng)迫作用可能占主導(dǎo)地位，提供了觀測(cè)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(duì)海洋的強(qiáng)迫，特別是在冬季（張學(xué)洪等，1998；Zhouetal.2002）。

第三十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(shí)間傾向異（而不是SST本身）的異常，存在顯著負(fù)相關(guān)，最強(qiáng)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(duì)于SST的變化具有決定作用。第三十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一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。第三十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一其中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、潛熱通量第三十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一第三十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一右端各項(xiàng)順序?yàn)椋簝舻暮１頍嵬俊⑺狡搅?、垂直平流、垂直混合、水平混合和?duì)流。其中凈海表熱通量由向下的凈短波輻射（S）、凈長(zhǎng)波輻射（L）、潛熱和感熱通量組成：對(duì)熱帶外海洋而言，水平混合和垂直對(duì)流所產(chǎn)生的加熱作用可忽略不計(jì)，因此，只考慮感熱、潛熱、水平平流、短波輻射、垂直平流和長(zhǎng)波輻射6個(gè)因子的作用表層海溫的控制方程第三十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一基本原理：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(shí)質(zhì)反映的是大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫（向下的熱通量增多，SST呈增暖趨勢(shì)）。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(shuō)SST異常與向下的感熱、潛熱異常呈顯著負(fù)相關(guān)），則實(shí)質(zhì)反映的是海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫。判斷局地海氣相互作用是海洋強(qiáng)迫大氣還是大氣強(qiáng)迫海洋的方法第四十頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一張學(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(gè)全球海氣耦合模式長(zhǎng)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第四十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一熱帶外海洋的相關(guān)性高于熱帶：表明熱帶外海洋上潛熱和感熱異常對(duì)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(zhǎng)波輻射6個(gè)因子的作用？第四十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一海氣之間的熱交換：感熱、潛熱、短波和長(zhǎng)波輻射海洋動(dòng)力學(xué)過(guò)程產(chǎn)生的加熱或冷卻作用：水平和垂直平流對(duì)每一因子的異常，定義其對(duì)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(duì)重要性第四十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一第四十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一大尺度大氣環(huán)流的型式第四十五頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一以日本以東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(chǎng)為負(fù)異常時(shí)，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?yàn)槎臼⑿形黠L(fēng)或西北風(fēng)），有利于加強(qiáng)向上的湍流熱輸送。第四十六頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(méi)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(duì)海洋的強(qiáng)迫作用。第四十七頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一根據(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(qiáng)烈地影響著海洋的熱狀況。在這個(gè)意義上，我們可以說(shuō)大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫（而不是相反）在海氣相互作用過(guò)程中居于支配地位。第四十八頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一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(duì)海洋的強(qiáng)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(duì)大氣的強(qiáng)迫作用，常利用SST強(qiáng)迫AGCM，這類試驗(yàn)假設(shè)了在海氣相互作用過(guò)程中，海洋對(duì)大氣的強(qiáng)迫是主要的，而大氣對(duì)海洋的反饋過(guò)程則可以忽略。這在熱帶海洋上可能是一個(gè)合理的近似，但對(duì)熱帶外海洋、尤其是在冬季來(lái)說(shuō)，則未必正確。實(shí)際觀測(cè)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(wèn)題討論中，是一非常有用的工具。（本講總結(jié)之二）第四十九頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一中高緯度海溫異常對(duì)大氣的弱反饋?zhàn)饔玫谖迨?yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一Kushniretal.(2002)第五十一頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一中緯度的SST異常表現(xiàn)出大范圍的、海盆尺度的特征，在時(shí)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(shí)間，要長(zhǎng)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(qiáng)，并且在大氣超前海洋一個(gè)月時(shí)表現(xiàn)最為顯著。負(fù)的海溫距平，伴有表層西風(fēng)增強(qiáng)；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(duì)應(yīng)大氣環(huán)流異常：觀測(cè)證據(jù)第五十二頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一AGCMresponsetostationaryandsimplifiedSSTanomaliesAGCMresponsetotime-varyingSSTvariabilityin“realistic”modelintegrationsCoupledmodelintegrationsofextratropicalinteraction（見(jiàn)關(guān)于大氣橋的討論）AGCM對(duì)熱帶外海溫異常的響應(yīng)：檢驗(yàn)熱帶外海溫對(duì)大氣影響的試驗(yàn)手段第五十三頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一北大西洋濤動(dòng)（NAO）NAO實(shí)際上是氣團(tuán)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(dòng)的主要模態(tài)。觀測(cè)研究已經(jīng)證實(shí)，NAO對(duì)整個(gè)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(qiáng)，中緯度西風(fēng)帶加強(qiáng)，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(dòng)加強(qiáng)。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。第五十四頁(yè)，共六十頁(yè)，編輯于2023年，星期一WinterinBergen(62°N):

ContributionsofNAOandGulfstreamTakenonDec16th2001atBergen,thebackgroundistheBjerknessCenter(GeophysicalInstitute)TakenonNov20th2001atBe