中高纬海气相互作用.pptx

课程设计思路课程设计思路 利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果，结合观测资料，诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论，重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题；同时介绍有关模式设计和模式评估的初步知识。海气相互作用研究的三个核心环节海气相互作用研究的三个核心环节“understanding”则是整个链条的核心环节。模式发展一定要和观测、理论研究相结合，模式进步的基础在于“understanding”。本课程的侧重点虽然是“数值模拟”，但也力图将观测和理论结合进来，以期选修本课程的研究生（无论他们将来从事模式发展还是模式应用）在学习有关入门知识的同时，也能对以上的道理有所领悟。观观观观 测测测测理理理理 论论论论模模模模 式式式式观测观测?本讲所关心的海气相互作用区域本讲所关心的海气相互作用区域本讲关注的科学问题本讲关注的科学问题1.1.中高纬度与热带海气相互作用的不同中高纬度与热带海气相互作用的不同 2.2.中高纬度大气对海洋的强迫作用以及海中高纬度大气对海洋的强迫作用以及海洋的弱反馈洋的弱反馈 3.3.热带海洋影响热带外海洋变化的热带海洋影响热带外海洋变化的“大气大气桥梁桥梁”4.4.亚澳季风区的海气相互作用亚澳季风区的海气相互作用中高纬度与热带海气相互中高纬度与热带海气相互作用的不同作用的不同 热带海洋对大气的强迫作用热带海洋对大气的强迫作用Gill A.E.（1980）热带海洋对大气强迫作用的经典文献热带海洋对大气强迫作用的经典文献1.Gill,A.E.,1980:Some simple solutions for heat-induced tropical circulation.Quart.J.Roy.Met.Soc.,106,447-462.2.Lindzen,R.S.,and S.Nigam,1987:On the role of sea surface temperature gradients in forcing low level winds and convergence in the trop-ics.J.Atmos.Sci.,44,2440-2458.AGCMAGCM对印度洋增暖的响应对印度洋增暖的响应热带海洋对大气强迫作用热带海洋对大气强迫作用热带海温异常的加热作用，能够激发热带海温异常的加热作用，能够激发出强烈的大气环流异常出强烈的大气环流异常环流异常对海洋具有显著反馈作用环流异常对海洋具有显著反馈作用 中高纬度的海气相互作用特征如何？中高纬度的海气相互作用特征如何？Permanent Permanent 温跃层温跃层全球海气相互作用最为强烈的区域全球海气相互作用最为强烈的区域(After Webster)赤道赤道极地极地u对对于于大大气气来来说说，低低纬纬热热带带地地区区的的对对流流层层高高度度最最高高；对于海洋而言，高纬极地海域的对流深度最厚。对于海洋而言，高纬极地海域的对流深度最厚。u在在经经向向上上，海海洋洋和和大大气气剧剧烈烈活活动动区区的的位位置置恰恰好好相相反。反。u在在大大气气中中，对对流流层层顶顶把把动动力力过过程程缓缓慢慢的的平平流流层层与与动力过程较快的对流层分隔开来；动力过程较快的对流层分隔开来；u在在海海洋洋中中，温温跃跃层层把把变变化化缓缓慢慢的的深深海海与与变变化化迅迅速速的上层海洋分隔开来。的上层海洋分隔开来。u从从某某种种意意义义上上说说，对对流流层层之之对对于于大大气气，和和温温跃跃层层之对于海洋，角色非常相似。之对于海洋，角色非常相似。全球海气相互作用最为剧烈的区域全球海气相互作用最为剧烈的区域热带加热热带加热极地冷却极地冷却大洋热盐环流大洋热盐环流气候系统中的经圈环流系统示意图气候系统中的经圈环流系统示意图海洋海洋大气大气(After Webster)大气中的经圈环流大气中的经圈环流u大大气气对对流流层层顶顶的的高高度度，在在低低纬纬约约为为1517km，在在高纬则小于高纬则小于10km。u与与大大气气相相反反，海海洋洋温温跃跃层层的的厚厚度度，在在高高纬纬深深，在在低低纬纬浅浅（高高纬纬度度海海域域的的温温跃跃层层有有可可能能季季节节性性地地消消失失，在在深水形成区的情形更为复杂）。深水形成区的情形更为复杂）。u在在热热带带海海洋洋，温温跃跃层层可可大大致致视视为为快快、慢慢过过程程的的分分界界线。线。u在在高高纬纬海海域域，该该分分界界线线变变得得非非常常深深，风风生生流流受受温温跃跃层层的的影影响响较较小小，能能够够向向下下扩扩展展到到大大洋洋深深处处，例例如如南南极极绕极环流（绕极环流（ACC）就可以达到大洋深处。就可以达到大洋深处。u在在高高纬纬海海域域，受受辐辐射射冷冷却却和和盐盐析析作作用用共共同同影影响响，表表层层海海水水密密度度增增大大，导导致致海海水水强强对对流流的的发发生生，或或者者说说海海水发生剧烈下沉。水发生剧烈下沉。盐析作用盐析作用(brine rejection)海冰的盐度很低，这样在由海水向海冰的形成过程中，就会大量的盐度释放出来排入海洋中，造成局地海水密度的增大。这一过程被称作盐析过程。因盐析过程造成的对流不稳定，被认为是南极大陆的罗斯海、威德尔海附近有南极底层水形成的主要原因。对对于于大大气气和和海海洋洋各各自自的的子子系系统统来来说说，热热带带大大气气和和高高纬纬海海洋洋的的作作用用非非常常相相似似，都都能能够够引引起起其其子子系系统统内内表表层层和和深深层层的的强强烈烈混混合合，且且都都是是由由重重力力不不稳稳定这一物理机制引起的。定这一物理机制引起的。u与与热热带带大大气气和和极极地地海海洋洋的的不不稳稳定定形形成成鲜鲜明明对对比比的的是是，热热带带海洋和极地大气相对稳定。海洋和极地大气相对稳定。u热热带带海海洋洋的的层层结结较较为为稳稳定定，因因为为冷冷水水在在暖暖水水下下面面，形形成成的的海海洋洋层层结结重重力力稳稳定定，这这一一点点从从纬纬圈圈平平均均的的温温度度分分布布上上可可以以清清楚地看到。楚地看到。u极极地地大大气气也也很很稳稳定定，因因为为暖暖气气团团在在冷冷空空气气上上面面，形形成成的的大大气层结同样重力稳定。气层结同样重力稳定。u暖暖SSTSST和和热热带带大大气气决决定定着着中中层层大大气的状态，与经向环流相联系；气的状态，与经向环流相联系；u极极地地海海洋洋混混合合层层决决定定着着深深海海水水团团的的特特征征，与与大大洋洋经经圈圈环环流流相相联联系。系。海洋中的深对流只发生少数边缘海海洋中的深对流只发生少数边缘海http:/www.ldeo.columbia.edu/visbeck/labsea/The Labrador Sea Convection Experiment中高纬度与热带海气相互作用的不同中高纬度与热带海气相互作用的不同 u从从对对流流的的角角度度看看，热热带带大大气气和和极极地地海海洋洋是是不不稳稳定的，热带海洋和极地大气相对稳定；定的，热带海洋和极地大气相对稳定；u热热带带大大气气和和高高纬纬海海洋洋的的作作用用非非常常相相似似，都都能能够够引引起起其其子子系系统统内内表表层层和和深深层层的的强强烈烈混混合合，且且都都是是由重力不稳定这一物理机制引起的。由重力不稳定这一物理机制引起的。u暖暖SSTSST和和热热带带大大气气决决定定着着中中层层大大气气的的状状态态，与与经经向向环环流流相相联联系系；极极地地海海洋洋混混合合层层决决定定着着深深海海水水团的特征，与大洋经圈环流相联系。团的特征，与大洋经圈环流相联系。（本讲总结之一）（本讲总结之一）中高纬度大气对海洋的强中高纬度大气对海洋的强迫作用以及海洋的弱反馈迫作用以及海洋的弱反馈 海气相互作用研究上的一段海气相互作用研究上的一段“公案公案”读史明志读史明志 以史为鉴以史为鉴u围绕着热带外和热带海温在强迫全球大气中的相对重要性，学术界曾经广有争议。大尺度海气相互作用研究的先驱人物，首推Namias和Bjerknes。u前者从中长期预报的角度，强调热带外大洋对大气的作用（Namias,1963），后者从全球观点，强调热带大洋的驱动作用（Bjerknes,1969）。u目前一般认为，尽管中纬度特定区域的海温在特定的季节，能够影响到随后的大气变化，但中纬度海温对大气的强迫作用，即使存在也很弱。与之相反，热带大洋在驱动全球气候异常中的重要作用，逐渐被学术界所认同。Namias于于1953年年发发表表了了“30天天预预报报10a经经验验总总结结”一一文文。系系统统地地论论述述了了月月平平均均（30天天）环环流流预预报报的的方方法法。Namias的的研研究究有有3个重要意义：个重要意义：（1）他他把把长长期期预预报报的的工工具具定定为为30天天平平均均图图。这这是是一一个个巨巨大大的的贡贡献献，原原苏苏联联采采用用逐逐日日天天气气图图划划天天气气型型，未未能能与与气气候候动动力力学学的的研研究究结合，早已被淘汰。结合，早已被淘汰。（2）指指出出月月平平均均环环流流与与月月平平均均天天气气、即即月月平平均均气气温温、月月总总降降水水量量等等气气候候要要素素有有密密切切关关系系。为为用用大大气气环环流流模模式式作作短短期期气气候候预预测测打打下了基础。下了基础。（3）指指出出月月平平均均环环流流的的发发展展有有一一定定的的规规律律性性。从从理理论论上上论论证证了了气候预测的可能性。气候预测的可能性。Namias的的研研究究开开现现代代气气候候预预测测之之先先河河。尽尽管管当当时时，他他还还没没有有意意识识到到用用大大气气环环流流模模式式作作预预测测。因因为为那那时时，数数值值短短期期天天气气预预报报也也仅处于萌芽时期。仅处于萌芽时期。观观观观 测测测测理理理理 论论论论 模模模模 式式式式否定之否定：观测事实是认知自然的基石否定之否定：观测事实是认知自然的基石u在许多大气环流模式试验中，常用海表温度的异常作为外部强迫，去考察大气对它的响应。u这类试验的一个隐含的假设是，在海气相互作用过程中，海洋对大气的强迫是主要的，而大气对海洋的反馈过程则可以忽略。这这在在热热带带海海洋洋上上可可能能是是一一个个合合理理的的近近似似，但但对对热热带带外外海海洋洋、尤尤其其是是在在冬冬季季来来说说，则则未未必必正正确。确。冬冬季季热热带带外外海海洋洋的的SST和和大大尺尺度度大大气气环环流流存存在在很很强强的的相相互互关关联。它来自两个方面：联。它来自两个方面：一一是是热热带带海海洋洋热热状状况况的的变变化化所所引引起起的的热热带带和和热热带带外外大大气气的的相相互互作作用用，二二是是热热带带外外大大气气环环流流变化对海洋的影响变化对海洋的影响。研研究究表表明明，热热带带外外地地区区大大气气环环流流异异常常与与海海温温异异常常之之间间的的超超前前相相关关，大大于于它它们们之之间间的的滞滞后后相相关关（Wallace and Jiang,1987），这这就就为为大大气气对对热热带带外外海海洋洋的的强强迫迫作作用用可可能能占占主主导导地地位位，提提供供了了观观测上的证据。测上的证据。基基于于海海气气耦耦合合模模式式的的研研究究也也表表明明，热热带带外外中中纬纬度度地地区区的的海海气气相相互互作作用用，主主要要表表现现为为大大气气对对海海洋洋的的强强迫迫，特特别别是是在在冬冬季季（张张学学洪洪等等，1998；Zhou et al.2002）。Cayan D R(1992)利用利用COADS资料的分析表明：资料的分析表明：u 海海表表湍湍流流热热通通量量与与SST异异常常有有关关联联。这这种种关关联联在在不不同同纬纬度和不同季节表现出不同的特征。度和不同季节表现出不同的特征。u热热带带海海洋洋和和部部分分暖暖季季的的热热带带外外海海洋洋，由由海海洋洋向向大大气气释释放放的的潜潜热热和和感感热热通通量量异异常常，与与SST本本身身的的异异常常出出现现显显著著正正相相关关，意味着潜热和感热异常主要由海洋的热状况异常决定。意味着潜热和感热异常主要由海洋的热状况异常决定。u在在冬冬季季的的热热带带外外海海洋洋，向向上上的的感感热热和和潜潜热热通通量量异异常常和和SST的的时时间间倾倾向向异异（而而不不是是SST本本身身）的的异异常常，存存在在显显著著负负相相关关，最最强强的的负负相相关关出出现现在在两两大大洋洋的的20-40N之之间间副副热热带带大大涡涡所所在在区域，表明它们对于区域，表明它们对于SST的变化具有决定作用。的变化具有决定作用。Cayan D R(1992):u 在在冬冬季季的的热热带带外外大大洋洋上上，由由于于辐辐射射热热通通量量处处于于最最弱弱阶阶段段，占占支支配配地地位位的的是湍流热通量。是湍流热通量。u30N以北：潜热和感热同等重要；以北：潜热和感热同等重要；u15-30N：潜热是主要的；潜热是主要的；u10N以以南南的的热热带带海海洋洋：短短波波辐辐射射和和潜热同等重要。潜热同等重要。其中Ta和qa分别是大气的温度和比湿，Ts是海面温度（SST），qs(Ts)是饱和比湿，cp和LE分别是大气的定压比热和凝结潜热。CT 1.010-3称为Stantan数，CE1.210-3称为Dalton数。基本概念：感热、潜热通量基本概念：感热、潜热通量右端各项顺序为：净的海表热通量、水平平流、垂直平流、垂直混合、右端各项顺序为：净的海表热通量、水平平流、垂直平流、垂直混合、水平混合和对流。水平混合和对流。其其中中净净海海表表热热通通量量由由向向下下的的净净短短波波辐辐射射（S S）、净净长长波波辐辐射射（L L）、潜热和感热通量组成：潜热和感热通量组成：对热带外海洋而言，水平混合和垂直对流所产生的加热作用可忽略对热带外海洋而言，水平混合和垂直对流所产生的加热作用可忽略不计，因此，只考虑感热、潜热、水平平流、短波辐射、垂直平流不计，因此，只考虑感热、潜热、水平平流、短波辐射、垂直平流和长波辐射和长波辐射6 6个因子的作用个因子的作用表层海温的控制方程表层海温的控制方程基本原理：基本原理：由由方方程程可可知知，净净海海表表热热通通量量异异常常直直接接与与表表层层海海温温的的倾倾向变化相联系；向变化相联系；向向下下的的热热通通量量异异常常与与SSTSST倾倾向向异异常常的的显显著著正正相相关关，实实质质反反映映的的是是大大气气对对海海洋洋的的强强迫迫（向向下下的的热热通通量量增增多多，SSTSST呈增暖趋势）。呈增暖趋势）。由由感感热热和和潜潜热热的的总总体体公公式式可可知知，如如果果SSTSST异异常常自自身身和和向向上上的的感感热热、潜潜热热异异常常呈呈显显著著正正相相关关（或或者者说说SSTSST异异常常与与向向下下的的感感热热、潜潜热热异异常常呈呈显显著著负负相相关关），则则实实质质反反映映的是海洋对大气的强迫。的是海洋对大气的强迫。判断局地海气相互作用是海洋强迫大气判断局地海气相互作用是海洋强迫大气还是大气强迫海洋的方法还是大气强迫海洋的方法张学洪等，1998，冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用：基于一个全球海气耦合模式长期积分的诊断分析，大气科学，22，511521.冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用冬季北太平洋海表热通量异常和海气相互作用u热带外海洋的相关性高于热带：表明热带外海洋上热带外海洋的相关性高于热带：表明热带外海洋上潜热和感热异常对潜热和感热异常对SSTSST异常起决定作用异常起决定作用u赤道海洋湍流热通量与赤道海洋湍流热通量与SSTSST异常呈显著负相关：赤道异常呈显著负相关：赤道上主要是上主要是SSTSST异常决定湍流热通量异常异常决定湍流热通量异常感热、潜热、水平平流、短波辐射、垂直平流和长波辐射感热、潜热、水平平流、短波辐射、垂直平流和长波辐射6 6个因子个因子的作用？的作用？海气之间的热交换：感热、潜热、短波和长波辐射海气之间的热交换：感热、潜热、短波和长波辐射海洋动力学过程产生的加热或冷却作用：水平和垂直海洋动力学过程产生的加热或冷却作用：水平和垂直平流平流对每一因子的异常，定义其对SST倾向异常的归一化协方差：影响影响SSTSST异常的各种因子的相对重要性异常的各种因子的相对重要性大尺度大气环流的型式大尺度大气环流的型式 以日本以东30-45N之间的正相关区为例，当EOF1表征的海平面气压场为负异常时，该区域将出现偏北或偏西北的地转风异常，它将冬季亚洲大陆上的冷干空气带到海洋上，加大了海气之间的温度和湿度差，使得海洋向大气输送的感热和潜热通量增加。在这种情况下，该区域的风速具有正距平（因为冬季盛行西风或西北风），有利于加强向上的湍流热输送。u湍流热通量异常与近海平面气温本身的异常，在大部分热带外大湍流热通量异常与近海平面气温本身的异常，在大部分热带外大洋呈显著正相关；洋呈显著正相关；u湍流热通量异常同近海面气温倾向之间，没有明显相关性。湍流热通量异常同近海面气温倾向之间，没有明显相关性。u冬季北太平洋的海气相互作用，主要地表现为大气对海洋的强迫冬季北太平洋的海气相互作用，主要地表现为大气对海洋的强迫作用。作用。根据上述讨论证据，在冬季热带根据上述讨论证据，在冬季热带外北太平洋海域，是大气环流的异外北太平洋海域，是大气环流的异常决定了湍流热通量的异常，从而常决定了湍流热通量的异常，从而强烈地影响着海洋的热状况。强烈地影响着海洋的热状况。在这个意义上，我们可以说大气在这个意义上，我们可以说大气对海洋的强迫（而不是相反）在海对海洋的强迫（而不是相反）在海气相互作用过程中居于支配地位气相互作用过程中居于支配地位。中纬度海气相互作用典型特征中纬度海气相互作用典型特征 u热热带带外外中中纬纬度度地地区区的的海海气气相相互互作作用用，主主要要表表现现为为大大气对海洋的强迫，特别是在冬季；气对海洋的强迫，特别是在冬季；u气气候候学学研研究究中中，为为考考察察海海表表温温度度的的异异常常对对大大气气的的强强迫迫作作用用，常常利利用用SSTSST强强迫迫AGCMAGCM，这这类类试试验验假假设设了了在在海海气气相相互互作作用用过过程程中中，海海洋洋对对大大气气的的强强迫迫是是主主要要的的，而而大大气气对对海海洋洋的的反反馈馈过过程程则则可可以以忽忽略略。这这在在热热带带海海洋洋上上可可能能是是一一个个合合理理的的近近似似，但但对对热热带带外外海海洋洋、尤尤其其是是在在冬季来说，则未必正确。冬季来说，则未必正确。u 实实际际观观测测中中，大大洋洋上上的的资资料料极极为为匮匮乏乏，海海气气耦耦合合模式在相关科学问题讨论中，是一非常有用的工具。模式在相关科学问题讨论中，是一非常有用的工具。（本讲总结之二）（本讲总结之二）中高纬度海温异常对大气中高纬度海温异常对大气的弱反馈作用的弱反馈作用 Kushnir et al.(2002)v中中纬纬度度的的SSTSST异异常常表表现现出出大大范范围围的的、海海盆盆尺尺度度的的特特征征，在在时时间间尺尺度度上上主要是低频变化。主要是低频变化。vSSTSST异异常常是是混混合合良良好好的的上上层层海海洋洋热热容容量量变变化化的的反反映映，这这决决定定了了表表层层海海温距平的持续时间，要长于大气。温距平的持续时间，要长于大气。v在在全全球球大大洋洋几几乎乎所所有有地地区区，月月和和季季节节平平均均的的海海温温距距平平，与与紧紧邻邻其其上上的表层气温都存在显著的相关。的表层气温都存在显著的相关。v在在中中纬纬度度地地区区，月月、季季节节平平均均海海温温距距平平的的主主导导模模态态，都都和和大大气气环环流流距距平平的的主主导导模模态态存存在在显显著著的的相相关关关关系系。这这种种关关系系在在冬冬季季最最强强，并并且且在在大气超前海洋一个月时表现最为显著。大气超前海洋一个月时表现最为显著。v负的海温距平，伴有表层西风增强；正的海温距平，情况则反之。负的海温距平，伴有表层西风增强；正的海温距平，情况则反之。v在在冬冬季季，与与海海温温异异常常相相伴伴随随的的大大气气异异常常，在在垂垂直直方方向向上上表表现现出出正正压压特征。特征。中纬度海温异常及与之对应大气环流异常：中纬度海温异常及与之对应大气环流异常：观观测证据测证据vAGCM response to stationary and simplified SST anomaliesvAGCM response to time-varying SST variability in“realistic”model integrationsvCoupled model integrations of extratropical interaction（见关于大气桥的讨论）AGCMAGCM对热带外海温异常的响应：对热带外海温异常的响应：检验热带外海温对大气影响的试验手段检验热带外海温对大气影响的试验手段北大西洋涛动（北大西洋涛动（NAONAO）NAO实际上是气团的大尺度跷跷板型的协调变化，其中心分别位于冰岛低压区和亚速尔高压区。它是大西洋地区大气活动的主要模态。观测研究已经证实，NAO对整个北大西洋地区乃至北半球气候都有重要影响。在高指数年，冰岛低压偏低，亚速尔高压偏强，中纬度西风带加强，从北美东北沿岸到大不列颠群岛直至斯堪得纳维亚半岛，风暴活动加强。在低指数年，冰岛低压和亚速尔高压都减弱，西风带偏弱，风暴路径从北美东北沿岸，移至拉布拉多海区域。Winter in Bergen(62N):Contributions of NAO and GulfstreamTaken on Dec 16th 2001 at Bergen,the background is the Bjerkness Center(Geophysical Institute)Taken on Nov 20th 2001 at Bergen.Winter is a cloudy and rainy season,occasionally with snowfall.大气对大西洋大气对大西洋SSTSST异常的响应异常的响应NAONAO强迫的海温距平型强迫的海温距平型强迫的海温距平型强迫的海温距平型:Tri-polar SST anomalyTri-polar SST anomaly三核型三核型三核型三核型SSTSST异常的反馈作用：异常的反馈作用：异常的反馈作用：异常的反馈作用：CAM2CAM2的的的的 ensembleensemble积分结果积分结果积分结果积分结果大气对北太平洋大气对北太平洋SSTSST异常的响应异常的响应(After Peng Shiling)利用大气模式所开展的关于可预报性的讨论，多是利用的第二类数值试验；利用同样的海温强迫，但大气模式的初值场不同，这样的一组试验，称为“集合模拟”(ensemble)；不同集合成员之间(realization)的方差，反映的是内部噪音；集合平均结果的方差，反映的是“信号”。基本概念：集合模拟基本概念：集合模拟大气的可预报性大气的可预报性（来自海温强迫的信号）（来自海温强迫的信号）Kushnir et al.(2002)利用SST强迫AGCM，这类试验假设了在海气相互作用过程中，海洋对大气的强迫是主要的，而大气对海洋的反馈过程则可以忽略。这在热带海洋上可能是一个合理的近似，但对热带外海洋、尤其是在冬季来说，则未必正确。u中纬度地区的海温变化，的确能够影响到边界层以上的大气变化，但是较之大气内部变率的幅度而言，这种影响只能算是中等强度的。u从线性响应的角度看，大气对海温变化的响应强度，在500hPa高度场上为20mk-1。利用大气环流模式AGCM所开展的敏感性试验，证实了这一强度。关于中纬度海温对大气强迫作用的基本结论关于中纬度海温对大气强迫作用的基本结论（本讲总结之三）（本讲总结之三）