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1、海洋与人类社会第四讲 物理海洋学基础-海气相互作用高高 抒抒 南京大学地理与海洋科学学院南京大学地理与海洋科学学院本科阶段的“学习”与“研究” Learn, Study, Research The process of learning: looking for answers from the literature Research: find out the fact by your own effort, and identify the logic linkage Study: combination of both第四讲内容 能量供给的来源和转换 大气海水界面上的物质交换 大洋与陆架
2、环流 埃尔尼诺与南方涛动(ENSO) 风暴潮 环境效应、减灾防灾方法Earths climate system: note the roles of land, atmosphere, oceans and sea ice能量供给的来源和转换 海气相互作用主要由太阳能驱动太阳l46亿年、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1l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3.81026wl我国最大的水电站三峡电站的装机容量为1010w量级l太阳可按照现在的状况再持续约40亿年
3、地球接收的太阳热能 以地球的投影面计，接收的太阳能为1360 w/m2 以地球表面平均计，则为340 w/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0.1 w/m2（与太阳能相比微不足道） 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？ 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
4、动扩散造成的损失 在海洋的低纬地区海水是吸收热量的，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，净能量收支的值是相对较小的，在最大值的 10S10N范围也只占10左右表4-1 海洋表面的年平均热热收支（w/m2）观测值观测值纬纬度带带QR*QEQHQT5070N354821-343050N909318-211030N15513710810S10N1541105393010S1431378-25030S939011-8*注：QR =QS (1 - ) - QN大气海水界面上的物质交换 大气海水界面上的物质交换十分活跃。通过大气降水和海面 蒸发作用，
5、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：P=降水量，E=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 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3000 mm/yr，而在热带太平洋东部这样的地方，降水量可在100 mm/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1500-2000 mm/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2500 mm/yr 就海洋整体而言，蒸发量大于降水量(多出部分参与陆地水循环) 大气中含有一定量的CO2，
6、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： 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20温度和盐度值为35时，KH0.065 ，总体上随温度、盐度和静水压力的升高而降低 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
7、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，死亡的生物体被 细菌所分解时可能造成这种现象 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
8、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 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 这部分盐类的输入对于海洋的盐度影响不大。海洋每年还要接纳31012kg盐类物质，但其中大部分是来自河流，大气降尘的贡献很小 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
9、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 综上所述，大气海水界面是一个物质交换活跃的地方 但是，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洋流的产生太阳能的输入 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
10、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Convection cell circulation on a non-rotating uniform earthHadley cellsAverage surface currents of the ocean全球主要海洋风生环流 北大西洋流涡、北太平洋流涡、南大西洋流涡、印度洋 流涡、南太平洋流涡、南极绕极流黑潮 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
11、，其流速达到了1m/s的量级，而总的流量达到了108 m3/s量级（长江流量为104 m3/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）From Garrison (1993); Figure 9.14河口环流在径流和潮汐的共同作用下， 河口产生的表层向海、底层 向陆的环流体系，被称为 Estuarine Circulation。 洋流与大气运动有关，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
12、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” 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 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
13、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埃尔尼诺与南方涛动(ENSO) 埃尔尼诺El Nino ，西班牙语“圣婴”， “厄尔尼诺” 南方涛动South Oscillation 拉尼诺La Ni a ，西班牙语“圣女、小女孩”，“拉尼娜” 埃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经典
14、的埃尔尼诺事件 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，埃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Normal and El Nino conditions over the Pacific Ocean南方涛动现象 与埃尔尼诺相伴 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） 在非埃尔尼诺年
15、，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 埃尔尼诺发生时，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 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：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处于低值时，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为高值时，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，因而成为“涛动” 埃尔尼诺是海洋现象，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
16、成机制上的关联性。海气相互作用过程的研究结果表明，南方涛动指数的变化伴随着热带辐聚带的变化 在正常情况下存在着两条辐聚带，其一是热带辐聚带（ITCZ），它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；其二是南太平洋辐聚带（SPCZ），它从澳大利亚北部向东南延伸至南太平洋中部区域非埃尔尼诺年 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
