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2017年12月12日 星期二

丁酉(鸡)年十月廿五

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  海洋与大气之间各种物理量的交换、各种尺度运动之间的相互影响、相互制约和相互适应的关系。海洋和大气是地球上两部分密度不同的流体,它们之间有着广阔的交界面,构成了相互作用的耦合系统。海-气关系已成为海洋科学和大气科学中共同研究的领域。
  海-气交换 海洋和大气之间的相互作用,首先表现在通过海洋和大气交界面的各种物理量的交换。它包括热量、动量、水分、盐粒、尘埃和其他微粒物质,以及二氧化碳气体和电荷等的交换。由于海洋和大气的物理特性不同,它们在相互交换和全球能量的收支中所起的作用也不同。
  占地球表面约71%的海洋,同大气相比,具有下列热力学和动力学的特性。海洋主要从海面加热,层结比较稳定。海水密度大(约为近海面大气的800倍),总质量大(约为大气的258倍),比热大(约为大气的4倍),因此具有巨大的热容量。由于大气对太阳的短波辐射是近乎透明的(仅吸收19%),所以到达地球表面的太阳辐射能大部分被海洋所吸收,而且被贮藏起来。这些能量通过红外辐射、感热通量和潜热通量的方式向大气输送(加热低层大气)。因此,海-气之间的热量交换过程,主要是海洋向大气输送热量的过程。海洋是驱使大气运动的能量的主要供应者和调节器,又是地球的一个“大水库”,全球海水的总质量约占地球水圈总质量的96.5%。大气中的水汽,绝大部分来源于海洋的蒸发。海-气之间的水分交换过程,主要是海洋向大气输送水汽。盐粒交换也主要是海洋向大气输送。根据计算的结果,海洋在全球大气的能量平衡中,有重要的作用(见热量平衡大气环流的能量平衡和转换)。
  大气是海-气系统中比较多变的成员。 运动着的大气,不断通过海面将动能输送给海洋。除了海洋中温度和盐度分布的作用外,风是海流形成的主要动力。同时,大气的运动状况,不仅能影响海水的水平输送,而且能引起海水的铅直输送。大气的热力层结、云量及其分布,也能影响海面对太阳辐射的吸收和海-气之间的热量交换,从而影响海洋的热状况和温度分布。
  为了研究海-气交换,许多国家曾进行过大量的工作,包括在海面附近直接用仪器测量,或根据物理过程,利用海洋和气象资料进行理论的和经验的计算。已编制出的全球海洋与大气之间的能量交换图,是研究海-气相互作用的基础资料。
  各种尺度海气相互作用的现象 海洋与大气之间的相互作用,包括各种时间和空间尺度的过程。
  小尺度相互作用 主要研究海洋上大气边界层的物理结构,以及边界层内的热量、水分和动量的交换机制和测定方法。人们利用船舶、浮标、飞机、气球及人造卫星的综合观测,进行海洋大气边界层试验,取得了一些基础资料。在此基础上,对热带对流过程、积云等形成过程中的海-气相互作用,有了新的认识(见热带气象学)。
  天气尺度相互作用 温带气旋入海后的加强,与海面温度和海-气之间的能量交换有密切的关系。 台风和其他热带气旋的生成和发展,也显著地受到海面温度的影响。通常,暖的海面有利于热带气旋和温带气旋的发展;气旋通过海面时,在海洋埃克曼层内因海水辐散上涌,海面温度可明显降低。因此,在有强烈的气旋和台风活动的海区,会形成范围相当大的降温区。此外,海洋中存在的中尺度涡旋,其空间尺度与大气中气旋和反气旋接近,其间的海-气相互作用尚待进一步研究。
  行星尺度相互作用 指半球或全球尺度的海洋与大气之间的相互作用,它对于大气环流气候的异常,有十分重要的影响。许多气候学家认为,海洋和大气的相互作用,是气候形成和变化的重要环节。人们认为主要的洋流系统和大气环流系统十分相似,这是行星尺度相互作用的最好例证。已经发现在主要洋流区,如大西洋上的湾流区和太平洋上的黑潮区(北半球最强大的两支暖洋流)以及赤道东太平洋区(称为赤道冷水带),海洋和大气之间的相互作用最为激烈。在黑潮和湾流区,冬季时海洋向大气输送的总热量,可以达到1000卡/(日·厘米2),成为一个强大的热源。在这些海区,海面温度的距平值常常可以达到±2~3°C,相当于对大气热量的供给改变 100卡/(日·厘米2)。海洋向大气加热状况的变化,往往可持续几个月甚至一年以上。其空间尺度可达数千公里,与大气活动中心的尺度相当。已经发现,大气活动中心和某些天气系统,如太平洋高压、阿留申低压、热带辐合带和东亚沿岸西风槽的位置和强度,以及平均经圈环流和纬圈环流的强度等,都显著地受到海洋状况的影响。海洋不仅影响其局地上空的大气,而且还与大范围的天气气候相关联。许多异常气候往往在海洋上出现先兆,因而海面温度已成为长期天气预报的一个重要指标。异常的大气环流对海洋也有显著的影响。它可造成异常的海水输送、辐散、辐合和铅直运动,形成异常的海面温度分布。赤道东太平洋著名的埃尔尼诺现象是大尺度海洋环流和大气环流的相互作用的明显例子之一。
  海冰与气候 两极和高纬度地区的海冰对气候有显著的影响。海冰有很大的反射率(平均比海面约大 3倍),所以吸收的太阳辐射少,使其上空的大气降温,影响周围海水温度,海水的温度又影响大气的温度。在气候模式中,极冰是必须考虑的一个重要因子(见气候模拟)。
  海-气相互作用的研究,已经从现象的揭露发展到对相互作用的机制和理论的研究。 有的海-气耦合的大气环流模式和气候模式,已取得一些有意义的结果,但尚无成熟的理论。
  参考书目
 E. B. Kraus, Atmosphere-Ocean Interactions,Clarendon Press,London,1972.
J.S.Malkus,Large-scale Interactions,The Sea,Vol.1,pp.88~294,1962.

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更新时间 : 2009-06-04

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