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All Rights Reserved 侵权必究【图文】第5章 海洋与大气-2013_百度文库
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第5章 海洋与大气-2013
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你可能喜欢第九章 大气与海洋
气候系统(Climate System)
1．气候系统的组成(Makeupofclimatesystem)：
由五个主要分量构成的综合系统，这五个相互联系和相互作用的分量是：大气圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)、冰雪圈、岩石圈(lithosphere)和生物圈(biosphere)。
概念：既包括大气和海洋等子系统内部的各种过程，又反映了各个子系统间的相互作用。
＊天文因素（主要是太阳活动）是影响气候系统的主要外部因素。
＊大气运动及气候的状态和变化同太阳辐射(solarradiation)有重要的关系。
＊太阳辐射(solarradiation)为大气和海洋的运动以至生物活动提供了最基本的能源。
＊太阳活动引起的太阳辐射的改变也必然对地球气候及其变化发生重要影响。
2．气候系统的性质(Characterofclimatesystem)：
1）各子系统是开放的非孤立系统。从能量角度看是非孤立系统，其内部是串级系统；从物质交换角度看则是准孤立系统，内部是一个准封闭的串级系统。物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送，
且生成了大量反馈机制。
2）各分量是非均匀的热力学&&动力学系统(energetic&dynamic
system)。他们可以用化学组成，热力学及力学状态加以描述。
3）各不同分量的估计时间尺度在不同子系统之间变化很大，甚至在同一个子系统内变化也很大。研究时可依序考虑内部系统和外部系统。
4）气候系统主要由两个外强迫来制约全球行为。即太阳辐射和重力。太阳辐射是主要因子，提供了驱动气候系统的几乎所有能量。
海洋在气候系统中的地位
(Ocean'sImportanceInClimaticSystem)
海洋是地球气候系统的最重要组成部分。
具有如下性质：
1）全球海洋吸收的Qs占进入大气顶的总Qs的70%左右。因此海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能源。
2）海洋有着极大的热容量(capacity)。相对大气运动，海洋比较稳定，运动和变化比较缓慢。
3）海洋是地球大气系统总CO2最大的汇(pool)。
以上性质，决定了海洋对大气运动和气候变化具有不可忽视的影响。
1、海洋对大气系统热力平衡的影响(Ocean'seffcttoatmosphericenergeticbalance）
ġ吸收Qs的70%的绝大部分（85%）储存于海洋表层（混合层）中。这些能量将以潜热(latent
heat)、长波辐射(long-waveradiation)和感热交换的形式输送给大气，驱动大气的运动。
ġ海洋环流在大气系统能量输送和平衡中的重要作用。30%的经向能量输送由海洋承担。
2、海洋对水汽循环的影响(Effectofoceantovaporcirculation)
大气中水汽量的86%由海洋提供。尤其低纬度海洋，是大气水汽的主要源地。
3、海洋对大气运动的调谐作用（Effectofoceantoatmospheremovement）
海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性。一是将大气环流变化信息存于海洋中，再对大气产生作用。二是海洋的热惯性使海洋状况的变化有滞后效应。
4、海洋对温室效应的缓解作用(Catabaticeffectofoceantogreenhouseeffect)
海洋环流减小了低纬大气的增热，使高纬大气加热，降水量亦相应改变。而且大气对某些因素变化的敏感性降低。减少大气中二氧化碳含量。
海洋与大气相互作用的基本特征(Characters of Interaction of Ocean and Atmosphere)
在相互制约的大气&&海洋系统中，海洋对大气的作用主要是热力的(energetic)，大气对海洋的作用主要是动力的(dynamic)。
1．海洋对大气的热力作用（Energeticeffectfromoceantoatmosphere）：
海洋，特别是热带海洋，是驱动大气系统运动的重要能量来源。提供热量方式有潜热(latentheat)和感热两种，主要是潜热(latent
heat)，要求水汽辐合上升，即相应的大气环流条件。
大洋环流(circulation)影响海洋热含量的分布及向大气的热量输送过程。是全球尺度特征。
2．大气对海洋的风应力强迫(Wind force from
atmosphere to ocean)：
大洋环流与风应力强迫有密切关系。
3．海洋上混合层(UML,简称海洋混合层)(Mixing layer of
upper ocean)：
对气候和大气环流变化，海洋混合层十分重要。混合层的辐合(Convergence)、辐散(Disvergence)过程通过Ekman抽吸效应影响深层海洋环流；深层海洋环流通过改变混合层的状况对大气运动影响。
太阳辐射能通过影响混合层而成为驱动整个海洋运动的重要原动力。
ENSO及其对大气环流的影响
1．ENSO，El~Nino、南方涛动和La~Nina定义(DefinitionofENSO)：
ENSO是厄尔尼诺(El~Nino)和南方涛动（SouthernOscillation）的合称，二者有非常好的相关关系。当赤道东太平洋表层水温（SST）正距平，南方涛动指数往往是负。
ENSO成为大尺度海气相互作用以及气候变化研究的中心课题。
厄尔尼诺El~Nino：圣诞前后，沿厄瓜多尔和秘鲁沿岸，出现一弱的洋流，代替了通常对应的冷水。近年指一种更大尺度的海洋异常现象，整个赤道东太平洋表现振幅达几摄氏度的增暖。与此相
联系，海洋和大气环流发生很大的异常。
南方涛动：热带东太平洋与热带东印度洋气压场反相变化的跷跷板现象。
南方涛动指数（SOI）：塔希提（Tahiti）岛与达尔文岛之间的气压差。
拉尼娜La~Nina：冷水事件，是El~Nino恢复到正常状态的过渡过程。
2．El~Nino和La~Nina事件对大气环流及全球气候变异的影响(EffectofEnso):
由于赤道东太平洋SST异常(El~Nino现象)，大气中的Hadley环流将会增强。ITCZ(赤道辐合带)的位置有明显的东移趋势，这必将影响西太平洋台风运动。对西太平洋副热带高压活动有明显的影响，包括副高位置和强度。与
El~Nino年ITCZ位置偏南相匹配，西太副高也偏南。而在La~Nina年副高脊线较常年偏北。
全球范围的气候异常。南美东岸的环流上升支西移到了南美西岸，积云对流活动在秘鲁沿岸极为强烈，造成哥伦比亚、厄瓜多尔和秘鲁等地持续大&#3秘&#倍)。而南亚、印度尼西亚和东南非洲的大范围干旱。厄尔尼诺使中高纬度西风加强，阿留申低压往往比正常时强，因而常给北美西岸造成频繁的强风暴活动，暴风雨和风暴浪潮严重。
对中国气候也有明显影响。
众多的气候灾害说明厄尔尼诺和拉尼娜现象影响大气环流从而导致全球气候异常。
大气环流(Atmospheric Circulation)
气压带和风带及季节变化(Pressure Belts,Wind Band and Seasonal Changes)
一、地球大气的成分(Composition of the air)
1、组成(composition)：地球大气由多种气体组成，并掺有一些悬浮的固体和液体微粒。在85km以下的各种气体成分中，一般可分为两类。一类称为定常成分，这些气体主要是氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)和一些微量惰性气体如氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及氦(He)等；另一类称可变成分，包括水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)和一些碳、硫、氮的化合物。
2、干洁大气(dryair)：通常把除水汽以外的纯净大气称为干洁大气，简称干空气。其中氮、氧、氩三种气体就占了空气容积&#%。其他的及其微少。氧气占地球大气质量的23%，除了游离存在的氧气以外，氧还以硅酸盐、氧化物和水等化合物形式存在，在高空则还有臭氧及原子氧。臭氧(ozone)主要分布&#2)km高度处，近地面含量很少，极大值&#2)km附近。具有强烈吸收太阳紫外辐&#2&m-0.3&m)的能力，对气候变化和人类生活会带来巨大影响。大气的高层，主要成分仍为氮和氧，其他气体的含量减少。大气中二氧化碳(carbondioxide)只占整个大气容积的万分之三，多集中在20km以下。二氧化碳能强烈地吸收地球表面发出的长波辐射并放出长波辐射。&温室效应&将引起严重的气候问题。
3、含有水汽的空气称为湿空气(wetair)。大气中水汽仅占地球总水量&#%。大气中水汽的主要来源是水面，特别是海洋表面的蒸发。
二、大气垂直分层(Verticalstructureoftheatmosphere)
1、对流层(troposphere)：
高度&地面到对流层顶温度随高度增加而降低铅直混合强；气象要素水平分布不均匀。温度平均递减&#K/km,最&#2度。集中了大气质量&#和几乎全部水汽。主要天气现象和过程都发生在这一层。当温度平均递减率2K/km的最低高度，规定为对流层顶层,其高度随季节和纬度而变化。低ĥ20km，极地和温ĥ12km。
2、平流层(stratosphere)：
对流层顶到50km左右。温度低层无变化，上部随高度增加明显增高。上界温ʜ氏度，最高温可ʜ氏度。几乎无天气现象，由于尘埃很少，大气透明度很高。（臭氧）
3、中间层(mesosphere)：
平流层顶ĥ85km。温度随高度增加降低，到层顶降到-90oC。是大气最冷的部分。水汽极少，但高纬黄昏前后偶尔存在夜光云。强烈铅直运动。
4、暖层、热成层(thermosphere)：
中层顶&#km。温度随高度而增加。小&#&m紫外线几乎全被该层吸收。温度&#k以上。温度日变化显著，还受太阳活动影响。高纬度出现极光现象。
5、散逸层(ionosphere)&#km以上。
三、气象要素(Weatherelements)：
1、气温(temperature)：表示大气冷热程度的物理量，实质是空气分子平均动能的体现。
温标(thermometricscale)：摄氏和开氏；地面气温指离地&#m百叶箱测温。
分布：受太阳辐射、海陆分布、陆地表面特征和地面地形、环流作用等影响。
2、气压(atmosphericpressure)：观测高度到大气上界单位面积上的铅直空气柱的重量。(Atmosphericpressureistheforcewithwhichacolumnofoverlyingairpressesonanareaoftheearth'ssurface.)
观测仪器：水银气压表和空盒气压计。
单位(unit)：Pa，气象hPa，与mb相当。
气压随高度增加呈指数减小。水平分布由于地表非均一及动力、热力影响，不呈简单纬向分布。高低压、高压脊、低压槽等
3、湿度(humidity)：大气中水汽含量。探空汽球用羊皮膜。
4、比湿(specifichumidity)：单位体积大气中，水汽质量与总大气质量。
5、水汽压和饱和水汽压(steampressureandsaturationsteampressure)：由水汽引起的压强称水汽压；
6、相对湿度(relativehumidity)：空气中水汽压与饱和水汽压之比。
7、露点(dewpoint)：湿空气等压降温达饱和时的温度。完全由水汽压决定。
温度露点差：气温与露点温度的差，代表相对湿度。
8、风(wind)：
空气相对地面作水平运动。风向指来向)位。
风速(windspeed):气流前进速度m/s。风力浦福风力。
风速计(anemometer)：、风压板、超声。
四、气压带和风带(Pressurebeltsandwindbands)
1、气压带(pressurebelts)：热带低气压区(tropicallowerpressurezone)；副热带高压区(subtropicalhighpressurezone)；
副极地低压区(subpolarlowerpressurezone)；极地高压区(Polarhighpressurezone)；极锋；副热带锋。
2、风带(windbands)：东南、东北信风(Tradewind)；西风(Westerlies)；极地东风(PolarEasterlies)。
五、季风环流(Monsooncirculation)
季风环流(monsooncirculation)，垂直环流(verticalcirculation)
1、季风是大范围盛行风向随季节有显著变化的风系。主要是由于海陆温度对比的季节性变化和地球上行星风系的季节性南北移动所致。
2、季风是两种不同性质气流的交替，它具有以下特点：
(1)盛行风向随着季节的变化而有很大的不同，甚至接近于相反方向；
(2)两种季节(冬季风和夏季风)各有不同的源地，因而其气团性质有着本质的差异；
(3)能够给天气现象造成明显不同的各种季节，例如雨季和旱季、冬夏明显对比等。
3、全球有三个季风区，一个是印度季风区，二是东亚季风区，三是西非季风区。
东亚南亚是世界最著名的季风气候区，这里冬季盛行东北气流(华北东北为西北气流)，天气寒冷、干燥、少雨；夏季盛行西南气流(中国东部至日本盛行东南气流)，天气炎热、湿润、多雨。
4、季风的形成和维持受各种因素的影响，主要有：
(1)海陆影响
(2)行星环流影响
(3)青藏高原大地形影响
除海陆分布影响行星风带的冷暖季节变化以及大地形影响外，南北半球气流间的相互作用等，也直接影响季风的形成及维持。
天气系统(Weather System)
一、大气锋面(Front)
1、气团(airmass)：温、湿度、稳定度等相对比较均匀的大规模空气集团。
2、锋面(front)
1）暖锋(warmfront)：暖气团占主导地位
2）冷锋(coldfront)：冷气团占主导地位
3）静止锋(stationaryfront)：冷、暖气团相当。
4）锢囚锋(occludedfront)：冷暖锋面相遇形成。
二、温带气旋(Temperatezonecyclone)
波动阶段(undulatingphase)；
成熟阶段；
锢囚阶段；
消亡阶段
三、爆发性气旋(Cyclone)
四、热带气旋(Tropicalcyclone)
1、一般说明：热带气旋：飓风、台风(typhoon)、热带风暴、热带低压
2、台风结构：气压场；台风眼；云壁
3、台风生成机制和发展过程，台风移动：
五、副热带高压(Subtropicalhigh-pressure)
六、热带辐合带(Tropicalconvergencezone)
七、中小尺度天气系统(Mesoscaleweathersystem)
龙卷风；雹线
八、区域性天气系统(Weathersysteminlocalareas)
海陆风(land-seabreeze)：
海风(onshorebreeze)：白天，海向陆吹；
陆风(offshorebreeze)：黑天，从陆地吹向海洋。
焚风(foehn)：
山谷风：白天吹谷风（从山下向山上吹），夜晚吹山风。
谷风：山的斜坡加热，气流上升，周围气流从水平和下面补充，形成沿山坡向上吹的谷风
山风：夜晚降温，气流下沉，形成向下吹的山风。
中国海气候特征(Climatic Characters of ChinaSea)
中国海：天气特征(Weathercharacter)
气候分布(Climatedistribution)
寒潮(ColdWave)
台风(Typhoon)、南风(Souther)、北风(Norther)
生物(organism)：植物(plant)，光合作用(photosynthesis)；动物(animal)，昼夜迁栖习惯。
区分水团和海流：光的散射(Scatter)和吸收(Absorption)与悬浮物质(Suspend
Material)、混浊度(Turbidity)有关。
海洋热力状况：海水吸收辐射能主要在表层。
海底摄影
二、海水的光学特性(Opticalcharacterofseawater)
太阳辐射能谱：
红外(infrared)、可见(visible)、紫外线(ultravioletradiation)。
反射(reflection)与折射(refraction)
1、海水对光的吸收(absorption)
光能量在水中损失的过程就是吸收。
有选择性，长波优先。&蓝色窗口&。与海水浑浊度有关，混浊度大，&窗口&向长波转移。海水中&黄色物质&影响对光吸收与纯水不同。随深度增加指数衰减。
2、海水对光的散射(scatter)
散射系数随深度增加指数衰减。
分子散射：瑞利定律
粒子散射：梅氏效应
3、海水对光的衰减(attenuation)：
既是吸收和散射。衰减系数等于吸收系数和散射系数之和。
三、透明度和水色(Transparency&Watercolor)
1、定义(Definition)：
1)透明度(transparency):
相对透明度：直径30cm的白色圆盘垂直沉入海水中，直到刚看不见为止的深度。
透明度仪：一束准平行光束，经过一段距离后其光能强度与原强度之比。L=1/&为衰减长度。
2)水色(watercolor)：
将透明度盘提升至透明度一半深度处，俯视透明度盘之上的水柱颜色。由海水的光学性质决定。
水色计
3）海色(seacolor)：站在岸边观察的海水的颜色。主要是反映天空的颜色。
2、透明度和水色的分布(Distributionoftransparency&watercolor)：
二者分布一致。
浅海透明度小，水色低；远洋透明度大，水色高。
低纬透明度大，水色高；高纬透明度小，水色低。其分布与海流方向一致。
四、光与海洋生物(Lightandmarineorganism)
生物对光的吸收和散射
生物发光(noctilucence)：受激发光，自然发光&&海洋的神秘现象
生物对光的利用：光合作用(photosynthesis)}