中高纬海气相互作用.pptx
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1、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
2、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
3、.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.S
4、ci.,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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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,
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
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