气候演变中的大洋环流与海气相互作用课件

气候演变中的大洋环流与海气相互作用欢迎来到《气候演变中的大洋环流与海气相互作用》课程本课程旨在探讨海洋环流系统如何影响全球气候变化，以及大气与海洋之间复杂的相互作用机制我们将系统地介绍气候系统的四大圈层（大气圈、水圈、岩石圈和生物圈）及其相互作用，尤其关注海洋在全球气候调节中的核心作用通过理解这些机制，我们能更好地预测未来气候变化趋势，为应对全球环境挑战提供科学基础本课程结合最新的观测数据、模拟技术和研究成果，带您深入了解这一影响全人类未来的关键科学领域海洋与气候系统的关系能量吸收与分配热量再分配水循环枢纽海洋占地球表面积的，吸收太阳辐海洋环流系统将热带地区吸收的热量输海洋是全球水循环的核心，通过蒸发向71%射能量的能力远超陆地海洋能吸收地送到高纬度地区，减少了地球不同纬度大气提供水汽，这些水汽最终形成云和球接收太阳能量的约，成为地球最间的温度差异如果没有海洋的这种热降水这一过程不仅影响全球降水格93%大的热能储存库这种能量储存能力使量再分配作用，极地和热带地区的温度局，还通过潜热释放影响大气环流结海洋成为调节全球气候的缓冲器，减差异将比现在大得多构缓了气候变化的速率大洋环流基础定义表层环流深层环流主要由风力驱动，深度通常在主要由水团密度差异驱动，又称米以内包括各大洋的环温盐环流覆盖全球大洋深处，1000流系统，如北太平洋环流、北大移动速度较慢但输送水量巨大，西洋环流等这些环流对短期气对长期气候变化具有决定性影候变化有显著影响响中尺度涡旋海洋中的天气系统，直径从几十到几百公里不等这些涡旋在热量、盐分和其他物质的输送过程中起着关键作用，是连接大尺度环流和小尺度混合的重要环节大气环流概述极地环流纬度区域的气流系统60°-90°费雷尔环流纬度区域的气流系统30°-60°哈德莱环流纬度区域的气流系统0°-30°大气环流是全球气候系统的重要组成部分，主要由太阳辐射不均衡引起赤道地区接收的太阳辐射比极地更多，这种能量不平衡驱动了全球大气环流系统哈德莱环流是最强大的环流系统，热带地区上升气流形成赤道低压带，在纬度下沉形成副热带高压带费雷尔环流连接中纬度与高纬度30°系统，而极地环流则主要发生在极地地区这三个环流圈共同构成了地球的大气传输系统，调节着全球的温度分布和降水模式全球主要大洋环流系统北大西洋环流1包括墨西哥湾流、北大西洋暖流等，对欧洲气候影响显著墨西哥湾流每秒输送约亿立方米的海水，是世界上最强大的洋流之一，将加

1.5勒比海区域的热量向北输送到欧洲西部北太平洋环流2包括黑潮、北太平洋暖流和加利福尼亚寒流等黑潮是西太平洋的强大暖流，类似于大西洋的墨西哥湾流，对东亚地区气候有重要影响南半球大洋环流3包括南赤道流、南极绕极流等南极绕极流是地球上最大的海洋环流，每秒输送约亿立方米的海水，完全环绕南极洲，对全球气候

1.35系统有着深远影响温盐环流（全球输送带）表层暖流北传极地水团下沉低纬度暖水向极地方向流动高纬度海水冷却增密下沉上升流返回表层深层冷流南传深层水在低纬度上升回到表层高密度冷水向低纬度深层流动温盐环流是一个全球性的海洋传送带，贯穿所有大洋，深度从表层延伸到海底这一庞大系统的驱动力是海水密度差异，而密度主要受温度和盐度影响，故称温盐环流北大西洋的深水形成区和南极周边的威德尔海是温盐环流的关键区域在这些区域，表层海水变得异常冷且咸，密度增大后下沉至深海，形成全球深层洋流系统的起点一个完整的温盐环流周期可能需要长达年时间，这使其成为地球长期气候变化的重要调节器1000表层海流与深层海流对比特征表层海流深层海流主要驱动力风应力密度差异深度范围0-1000米1000-4000米流速较快（可达几米/秒）较慢（厘米/秒）变化时间尺度季节至年际十年至千年气候影响短期气候变化长期气候演变表层海流和深层海流在形成机制和气候影响上有显著差异表层海流主要受风力驱动，对季节性和年际气候变化响应迅速，如厄尔尼诺现象而深层海流则由海水密度差异驱动，流速虽慢但水量巨大，对长期气候变化具有决定性影响表层环流系统对天气和短期气候变化具有直接影响，而深层环流则是长期气候稳定的关键如果深层环流减弱或停止，将可能触发全球范围的剧烈气候变化，类似于古气候记录中的新仙女木事件等突变期大洋环流的能量来源风应力地转偏向力表层热力作用大气运动产生的摩擦力是表层海洋环流的由地球自转产生的科氏力使海流在北半球海水温度和盐度的差异导致海水密度不主要驱动力全球风场格局，特别是信风向右偏转，在南半球向左偏转这一力的同，进而产生压力梯度力这些密度差异和西风带，直接塑造了主要洋盆的表层环存在导致了大洋环流呈现出闭合的环状结是深层环流的主要驱动力，特别在极地地流系统强劲的风场可以将能量传递到数构，形成了各大洋的特征性环流系统，如区的深水形成区，表层海水冷却增密下百米深的海洋，驱动大尺度环流北大西洋和北太平洋的顺时针环流沉，启动了全球温盐环流系统海气相互作用基础能量交换辐射、感热和潜热传输水分交换蒸发、降水和径流循环动量交换风应力和海表摩擦物质交换二氧化碳等气体溶解海气相互作用是指海洋与大气之间的能量、水分、动量和物质交换过程这些交换过程通过复杂的正反馈和负反馈机制相互影响，共同塑造了地球的气候系统海气界面是这些交换过程的关键场所，在这里，海洋将热量释放到大气中，同时接收太阳辐射；大气将动量通过风应力传递给海洋，驱动表层环流；海洋向大气提供水汽，形成云和降水；同时，二氧化碳等气体也在海气界面不断交换，影响全球碳循环热通量交换与气候影响短波辐射太阳辐射穿透大气到达海面，约50%被表层海水吸收感热交换通过海气温差直接传导热能，占总热交换约10%潜热交换海水蒸发消耗热量，水汽凝结释放热量，占总热交换约70%长波辐射海面向大气和外太空发射红外辐射，部分被温室气体吸收海洋和大气之间的热交换是全球气候调节的关键过程海洋吸收的太阳辐射能量主要通过三种方式传递给大气长波辐射、感热传导和潜热传输其中，潜热传输是最主要的方式，占总热交换的约70%热带海洋是地球热量的主要接收区，而高纬度海洋则是热量的释放区这种不平衡的热量收支驱动了全球大气和海洋环流，如果没有这些环流系统，热带地区将变得更热，极地地区将变得更冷，全球气候差异将比现在显著得多蒸发与降水分布格局全球海洋蒸发与降水分布呈现出明显的区域差异蒸发量最大的区域通常位于副热带高压带（纬度），如北大西洋的撒哈15°-35°拉沙漠外海和北太平洋的夏威夷群岛附近这些区域因为气温高、相对湿度低且风速适中，形成了蒸发高值区而降水量最大的区域则集中在赤道附近的热带辐合带和季风区正是这种蒸发与降水的空间不平衡，维持了全球的大气水循环海洋每年通过蒸发向大气输送约万亿吨水，相当于地表径流的倍，这些水汽的跨洋和跨洲输送对全球和区域气候格局产生深远

4.510影响压力场与海洋表层风场互作大气压力梯度驱动风场风场驱动海洋表层环流大气中的高低压差异产生水平气持续的风应力通过海气界面传递压梯度力，是风的直接驱动力动量，驱动海洋表层水体运动如热带地区的沃克环流就是由太如北太平洋和北大西洋的大型环平洋东西两侧气压差异驱动形成流系统主要由副热带高压带的信的，直接影响赤道太平洋的表层风和中纬度的西风带共同驱动洋流和上升流海表温度影响气压分布海表温度的变化会改变海气界面的热通量交换，进而影响大气压力场如厄尔尼诺期间，中东太平洋海温升高导致该区域大气压力降低，进一步减弱了信风强度海洋表层风场和大气压力场之间存在复杂的相互作用机制一方面，大气压力梯度驱动风场形成；另一方面，风场又通过改变海洋表层环流和温度分布，间接影响大气压力场这种相互作用在厄尔尼诺南方涛动（）等现象中表现得尤为ENSO明显主要海气相互作用现象厄尔尼诺和拉尼娜印度洋偶极子北大西洋涛动发生在热带太平洋的海气耦合现象，以海印度洋东西部海表温度呈现相反异常的模表现为北大西洋区域冰岛低压和亚速尔高表温度异常为特征厄尔尼诺期间，赤道式在正位相时，西印度洋异常暖，东印压强度的反相振荡正位相时，两NAO太平洋中东部海表温度异常升高，信风减度洋异常冷；负位相则相反这种模式会者压力差增大，西风加强；负位相则相弱；拉尼娜期间则相反这一现象每显著影响东非、印度次大陆和澳大利亚的反这种振荡直接影响欧洲和北美东部的2-7年发生一次，影响全球天气和气候模式，降水，常与厄尔尼诺现象相互影响，但也冬季温度和降水模式，同时也与北大西洋常导致干旱、洪水等极端天气事件有独立发生的情况洋流强度有密切关联（厄尔尼诺南方涛动）机制解析ENSO-正常状态赤道太平洋西部暖池形成，东部上升流带来冷水信风减弱赤道太平洋西风异常产生，压制东部上升流海温异常中东太平洋表层温度升高，暖水东移正反馈形成海温异常进一步减弱信风，加强异常状态厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）是全球最显著的年际气候变化信号，其核心机制是太平洋赤道海气系统的正反馈过程通常状态下，信风将热带太平洋表层暖水堆积在西太平洋，形成暖池，同时在东太平洋产生上升流，带来冷水当某些因素导致信风减弱时，西太平洋暖池的水向东扩展，抑制了东太平洋的上升流，使该区域海表温度升高温度升高又进一步弱化大气沃克环流和信风强度，形成正反馈循环，最终发展成完整的厄尔尼诺事件这一过程涉及海洋开尔文波和罗斯贝波的传播，以及热带大气的响应，是典型的海气耦合系统对全球气候的影响ENSO北美影响亚洲影响墨西哥湾和美国东南部冬季多雨印度季风减弱，降水减少美国西北部温暖干燥东南亚和菲律宾干旱加勒比和中美洲干旱日本冬季温和南美影响澳大利亚影响秘鲁和厄瓜多尔洪涝灾害东部和北部严重干旱巴西东北部干旱农业产量下降亚马逊流域降水减少山火风险增加厄尔尼诺事件通过改变大气环流模式，对全球多个区域的天气和气候产生遥相关影响这些影响可引发洪水、干旱、热浪等极端气候事件，导致严重的经济损失和人道主义危机强厄尔尼诺年份，全球平均气温常出现显著升高年和年的超强厄尔尼诺事件分别造成全球数千亿美元的经济损1997-19982015-2016失了解对全球气候的影响模式，对于气候预测和防灾减灾具有重要意义ENSO北大西洋涛动（）与气候NAO正位相特征负位相特征NAO NAO在正位相期间，冰岛低压进一步加深，而亚速尔高压进一负位相时，冰岛低压和亚速尔高压均减弱，气压梯度减NAO NAO步增强，两者之间的气压梯度增大这导致北大西洋中高纬度小西风减弱，风暴轨迹南移欧洲北部变得寒冷干燥，而地地区西风带加强，大西洋风暴轨迹北移中海地区则多雨北美东部常出现寒潮和暴雪天气欧洲北部（如英国、斯堪的纳维亚）经历温暖湿润的冬季，而负位相期间，北大西洋暖流强度通常减弱，这进一步加剧了欧地中海地区则相对干燥北美东部通常气温较高，降水适中洲的寒冷天气同时，地中海地区的充沛降水可能导致洪涝灾这种气候模式有利于欧洲北部农业，但可能导致南欧水资源短害，但有助于缓解长期干旱格陵兰和北极地区则往往气温升缺高北大西洋涛动（）是北半球中高纬度地区最显著的大气变化模态之一，其指数反映了北大西洋地区大气压力场的变化NAO NAO不仅影响欧洲和北美的天气和气候，还与北大西洋海洋环流有着密切联系，是典型的海气耦合现象南方涛动与多年代际变化PDO指数AMO指数海洋环流演变的观测证据现代海洋观测系统为我们提供了丰富的环流演变证据卫星高度计能够精确测量海面高度，通过地转平衡关系推算表层环流速度和方向这些卫星数据自年以来持续积累，揭示了主要环流系统如墨西哥湾流、库罗西奥暖流等强度和位置的长期变化趋势1993深海观测则主要依靠自动剖面浮标（如系统）、锚系观测阵列和水下滑翔机全球系统由超过个自动浮标组成，每天采Argo Argo400010集一次从表层到米深度的温盐剖面，为研究大洋三维环流提供了前所未有的数据此外，特殊锚系观测阵列如和专门2000RAPID OSNAP监测北大西洋温盐环流，这些观测显示近几十年来北大西洋经向翻转环流有弱化趋势，引发了科学界对全球气候变化影响的广泛关注海气相互作用的观测技术卫星遥感浮浮标系统TAO/TRITON Argo标阵列多种卫星传感器可同时全球超过4000个自动剖观测海表温度、风场、由约70个锚定浮标组面浮标提供从表层到降水等参数，如成，分布在热带太平2000米的三维海洋观MODIS、TRMM、洋，用于监测ENSO相关测Argo数据是研究海QuikSCAT等这些卫的海气相互作用这些洋热含量和盐度变化的星数据提供了全球覆盖浮标实时测量表层和次主要来源的海气界面观测，尤其表层海温、盐度、流速对偏远海域研究意义重以及海面气象参数大研究船观测提供高精度、高垂直分辨率的海洋和大气观测特别是CTD观测和ADCP测流提供了海洋垂直结构的详细信息现代海气相互作用观测技术形成了多平台、多尺度的综合观测网络这些观测系统相互补充，共同构成了全球海洋观测系统（GOOS），为理解海气相互作用提供了丰富的数据支持近年来，机器学习和大数据技术的应用，进一步提高了这些观测数据的分析和利用效率大气与海洋耦合模式大气环流模式（）AGCM模拟全球大气动力学和物理过程海洋环流模式（）OGCM模拟海洋三维环流和热盐过程耦合器（）Coupler实现海气界面信息交换与反馈完全耦合地球系统模式整合大气、海洋、陆地、冰雪和生物地球化学过程大气与海洋耦合模式是现代气候研究的核心工具，它通过数值方法模拟大气和海洋的物理过程及其相互作用耦合模式的基本原理是将大气模式和海洋模式作为独立组件开发，然后通过耦合器实现二者之间的信息交换CMIP6（耦合模式比较计划第六阶段）是目前最先进的全球气候模式集合，包含来自世界各国的近百个模式这些模式具有不同的分辨率和参数化方案，共同构成了评估气候变化的科学基础耦合模式能够模拟从季节内到多世纪的气候变化，是预测未来气候变化、研究极端事件和分析气候系统敏感性的重要工具数值模拟在环流相互作用研究中的应用/季节气候预测耦合模式可预测ENSO、IOD等海气耦合现象及其全球影响，预测提前期通常为6-12个月这些预测对农业规划、水资源管理和防灾减灾具有重要价值目前ENSO预测的技巧得分在提前6个月时约为

0.6-

0.7过去气候重建通过古气候模拟，重现末次盛冰期、全新世中期等特征时期的海洋环流状态这些模拟帮助我们理解气候系统对外部强迫的响应机制与古气候记录的对比验证模式性能并改进参数化方案气候变化预估在不同温室气体排放情景下，预估未来海洋环流变化，如大西洋经向翻转环流（AMOC）减弱、西边界流变化等这些预估为气候适应性政策制定提供科学依据过程研究与机理分析通过理想化实验和敏感性试验，研究特定过程的影响，如海冰消融对AMOC的影响、气溶胶强迫对季风系统的影响等这些研究帮助分离不同因素的贡献，理清因果关系数值模拟已成为海洋环流和海气相互作用研究的重要手段，但仍面临多种挑战模式分辨率限制了对中尺度涡旋和沿岸流的准确模拟；参数化方案中的不确定性影响了云辐射反馈等关键过程；初始条件的不确定性限制了预测的准确性模型中的海气交换参数化-动量通量参数化关键参数包括海表粗糙度、风应力系数等风应力与风速的关系通常采用二次函数，但在极端风速下需要特殊处理高分辨率模式考虑了风场的湍流特性和海浪的影响热通量参数化包括感热通量和潜热通量的计算采用体积转移系数将温度梯度和水汽梯度转换为热通量考虑大气稳定度对转移系数的影响，在强对流和稳定边界层条件下采用不同参数化方案辐射通量参数化短波辐射受云量、气溶胶和海表反照率影响长波辐射考虑海表温度、大气温度剖面和温室气体浓度辐射方案是气候模式中计算量最大的部分之一气体与气溶胶交换参数化二氧化碳、甲烷等温室气体的海气交换速率与风速、海表温度和生物活动相关海盐气溶胶的排放与风速和海浪状态有关，影响云的形成和辐射平衡海-气交换的参数化是气候模式中最关键也最具挑战性的部分这些参数化方案将微观尺度和亚网格尺度的物理过程简化为可计算的公式，是连接大气和海洋的重要桥梁随着观测技术和理论研究的进步，参数化方案不断改进，提高了模式模拟的准确性海洋环流变化的历史重建°

1.5C末次盛冰期深海温度比现在冷约

1.5°C，根据底栖有孔虫氧同位素记录重建30%强度变化AMOC新仙女木事件期间减弱约30%，根据沉积物231Pa/230Th比值重建4-8‰冰芯变化δ18O格陵兰冰芯记录的D-O事件期间氧同位素变化幅度年20k重建时间跨度高分辨率海洋沉积物能够提供的环流重建记录长度古气候记录为重建过去海洋环流变化提供了关键证据海洋沉积物中的氧同位素（δ18O）记录了全球冰量和海水温度变化；放射性核素如231Pa/230Th比值指示了深海环流强度；底栖有孔虫壳体中的镁钙比（Mg/Ca）可用于重建深海温度这些古气候记录揭示了冰期-间冰期循环中海洋环流的显著变化数据表明，末次盛冰期（约2万年前）的大西洋经向翻转环流（AMOC）较现在弱且浅，南极底层水的影响范围更广新仙女木事件（约12800-11500年前）期间，AMOC可能经历了显著减弱甚至暂时停滞，导致北半球气温急剧下降这些历史记录为理解海洋环流与气候变化的关系提供了宝贵参考工业时代以来的环流变化趋势海表温度变化°C海洋热含量变化10^22J温盐环流对气候演变的贡献极地冰融水增加北大西洋表层淡化格陵兰冰盖和北极海冰融化高纬度表层水盐度降低减弱密度分层增强AMOC北大西洋深水形成减少表层低密度水阻碍深层对流温盐环流作为全球气候系统的热量传送带，其变化对气候演变具有深远影响观测和模拟研究表明，北大西洋深水形成是温盐环流最敏感的环节在全球变暖背景下，格陵兰冰盖和北极海冰加速融化，大量淡水注入北大西洋，降低了表层海水密度，抑制了深水形成过程IPCC第六次评估报告指出，到2100年，大西洋经向翻转环流（AMOC）很可能减弱15-30%AMOC减弱将导致欧洲西北部降温，南半球升温，同时改变全球降水格局古气候记录表明，过去AMOC突然减弱曾引发北半球显著降温，如新仙女木事件期间格陵兰温度下降高达10°C因此，监测和理解温盐环流变化对预测未来气候具有重要意义热带太平洋环流的年代际变异正位相负位相全球影响PDO PDO IPO太平洋年代际振荡（）正位相特征负位相表现为东北太平洋异常冷，跨十年际太平洋振荡（）是的南PDO PDOIPO PDO是东北太平洋异常暖，中西部北太平洋异中西部北太平洋异常暖这一模式与北半球延伸通过改变热带和副热带IPO常冷这一模式类似于厄尔尼诺的模正位相相反，也与拉尼娜的模太平洋的海温模式，影响全球大气环流SST PDOSST式，但空间尺度更大，时间尺度更长式类似负位相期间，美国西北部研究表明，的转变与全球变暖的停PDOIPO正位相通常持续年，与北美通常降水增加，而美国西南部和墨西哥则滞期和加速期密切相关，如PDO20-301998-西部干旱和阿拉斯加湾地区降水增加相更容易出现干旱年的全球变暖停滞期与负位2013IPO关相吻合极地环流与极端气候事件北极海冰减少自1979年卫星观测开始，北极海冰覆盖面积以每十年约13%的速率减少极涡减弱北极增温导致极地与中纬度温差减小，使极涡不稳定且强度减弱急流摆动增加极地急流路径变得更加弯曲，高低压系统往往在同一区域停留更长时间极端天气增多中纬度地区（如北美、欧洲和亚洲）寒潮、热浪和持续降水事件频率增加极地地区是全球变暖最敏感的区域，北极增温速率是全球平均值的2-3倍这种北极放大效应（ArcticAmplification）主要由冰-反照率正反馈机制引起海冰减少，露出更多深色海面，吸收更多太阳辐射，进一步加速海冰融化南极绕极流作为世界上最强大的海洋环流，近几十年来向南移动并增强了约10%这主要是由于南半球西风带增强和向极移动所致，而西风带变化与平流层臭氧消耗和温室气体增加有关绕极流的变化影响了南大洋碳吸收、热量吸收和营养盐循环，对南半球气候和全球碳循环产生深远影响人类活动对海气相互作用的影响温室气体增加气溶胶排放人为排放的二氧化碳约30%被海洋吸人为气溶胶（如硫酸盐、黑碳等）通过改收，导致海洋表层pH值下降约

0.1（海洋变太阳辐射和云特性，影响海表温度分酸化）同时，温室气体增加造成的全球布20世纪后半叶，北半球气溶胶排放可变暖改变了海洋层结，影响了垂直混合和能抑制了热带北大西洋的变暖，对大西洋上升流强度，进而影响营养盐循环和初级多年代际振荡（AMO）和飓风活动产生生产力影响淡水输入冰盖融化和降水格局变化改变了海洋表层淡水分布格陵兰冰盖每年向北大西洋输入约2700亿吨融水，这些淡水增加了海洋层结稳定性，可能削弱北大西洋深水形成和温盐环流强度人类活动已经深刻改变了海气相互作用的多个方面除了上述直接影响外，土地利用变化（如森林砍伐和城市化）也通过改变地表反照率、碳循环和水循环，间接影响海洋与大气之间的能量和物质交换未来几十年，随着人类活动的持续影响，海气相互作用的变化可能加速特别是海洋温度上升和层结增强可能导致极端天气事件频率和强度的增加，如热带气旋、海洋热浪和极端降水事件理解这些人类影响对预测未来气候变化和制定减缓及适应策略至关重要海洋热含量与热浪事件持续时间天最大温度异常°C影响面积万平方公里海洋环流异常对极端天气的触发作用热带气旋与海温持续干旱极端降水海洋热含量是热带气旋强度的关键影响因海洋环流异常可能导致大气阻塞高压系统海洋为大气提供水汽，环流异常可集中水素高海表温度（通常）提供能形成，抑制降水例如，年汽输送年日本西部破纪录降水与26°C2012-20152018量和水汽，而深层暖水则延长了热带气旋加州极端干旱与异常暖的东北太平洋海温异常强的太平洋日本遥相关模态有关，-的增强期近年来，西北太平洋和北大西有关，这种海温模式导致了持续的高压该模态受黑潮延伸体区域的海温异常驱洋的快速增强风暴（小时内风速增加脊，将风暴系统转向北方同样，印度洋动同样，年长江流域特大洪水与242020节以上）频率显著增加，与这些海域偶极子正位相事件与澳大利亚东部干旱以印度洋西太平洋暖池区异常高温有关，30-上层海洋热含量增加密切相关及东非洪水密切相关这加强了水汽向东亚输送剖析、等年代际振荡与气候演变PDO AMO影响机制影响机制PDO AMO太平洋年代际振荡（）主要通过改变阿留申低压系统强度和大西洋多年代际振荡（）主要通过影响北大西洋环流、飓PDO AMO位置影响北太平洋环流和天气格局正位相期间，阿留申低风活动和非洲季风影响气候正位相期间，北大西洋普遍PDO AMO压加深且向东南方向扩展，导致北太平洋西部信风增强，东部减偏暖，特别是副热带和中高纬度地区这种海温模式增强了热带弱这引起黑潮黑潮延伸体系统强度和位置变化，间接影响东大西洋的对流活动，影响了位置和美国东南部夏季降水-ITCZ亚气候和北美西部降水历史记录显示，年和年为正位相自工业革命以来，经历了年和年的1925-19461977-1998PDO AMO1860-19001940-1970期，年和年为负位相期位相转换正位相，以及年和年的负位相目前1947-19761999-2013PDO1900-19401970-2000与全球气温台阶式上升密切相关，如年和年处于正位相（自约年起）研究表明，可能与1976/771998/99AMO2000AMO的气候跃变大西洋经向翻转环流（）强度变化有关，但其确切形成机AMOC制仍有争议和这类年代际振荡在不同时间尺度上调制了等年际变率现象的影响，共同塑造了全球气候的长期演变模式例如，当PDO AMOENSO和处于同相位时（如正厄尔尼诺），其对北美气候的影响会增强；当二者反相位时，影响则相互抵消理解这些多尺PDO ENSOPDO+度海气相互作用对提高长期气候预测能力至关重要气候系统中的多圈层耦合水圈大气圈储存和再分配热量传输热量和水汽调节长期气候变化主导短期气候变化记录气候变化历史对外部强迫响应快速1冰冻圈调节地球反照率记录古气候信息影响海平面变化生物圈参与碳氮氧循环岩石圈影响陆地反照率控制陆地分布改变地表粗糙度提供矿物风化吸收CO₂通过火山活动释放气体气候系统是由大气圈、水圈、冰冻圈、岩石圈和生物圈相互耦合形成的复杂系统这些圈层以不同方式和不同时间尺度相互作用，共同决定了地球气候的演变历程大气圈与水圈的耦合形成海气相互作用，是短期气候变率的主导因素；而大气-海洋-冰冻圈的相互作用则主导了长期气候变化陆地过程（如植被变化、土壤水文过程）通过改变地表反照率、粗糙度和蒸散发，影响大气环流和海气相互作用例如，亚马逊森林砍伐不仅改变局地水循环，还可能通过大气遥相关影响遥远地区的气候同样，冰冻圈（特别是北极海冰和格陵兰冰盖）的变化通过改变反照率、海表淡水平衡和大气环流，对全球气候产生广泛影响热带环流变化与季风系统响应季风强度变化亚洲和非洲季风系统对海温异常敏感1哈德莱环流扩张2热带辐合带和副热带高压带向极移动沃克环流减弱西太平洋与东太平洋气压差异减小热带环流系统正经历显著变化，其中最明显的是哈德莱环流的扩张和沃克环流的减弱卫星观测和再分析数据表明，自年以来，哈德莱环1979流的边界（副热带高压带）已向两极方向扩张约度纬度这一扩张导致副热带干旱区向中纬度扩展，影响中纬度地区水资源和生态系统1-2亚洲季风系统与关系复杂通常，厄尔尼诺年份印度夏季风减弱，降水减少；而拉尼娜年份则相反然而，这一关系在过去几十年显示出ENSO不稳定性，可能与印度洋增暖和欧亚大陆雪盖变化有关东亚季风则呈现出南涝北旱的长期趋势，与西太平洋副热带高压增强和位置偏北有关气候模型预测，未来全球季风降水总量可能增加，但区域差异显著，且季节内变率和极端事件可能增加海洋环流对生物地球化学循环的意义上升流与初级生产力海洋上升流区（如秘鲁沿岸、赤道太平洋东部等）将深层富含营养物质的冷水带到表层，支持了高水平的浮游植物生长这些区域虽仅占海洋面积的约5%，却贡献了全球海洋初级生产力的20-25%上升流强度的变化直接影响渔业资源和碳循环效率碳的物理泵和生物泵海洋每年吸收约30%的人为二氧化碳排放，其中约一半通过物理溶解（物理泵），另一半通过生物活动（生物泵）温盐环流将碳从表层输送到深海，是碳储存的关键过程同时，表层浮游生物将无机碳转化为有机碳，死亡后沉降到深海，形成长期碳封存氧气最小区与反硝化作用东太平洋和北印度洋的氧气最小区是海洋环流和生物活动共同作用的结果这些区域由于上层高生产力和受限的水平交换，导致中层水体氧气严重消耗氧气最小区是海洋氮循环的关键区域，支持反硝化作用，影响全球固氮生物的分布和海洋生态系统的健康海洋环流通过控制营养盐分布、氧气供应和碳封存，在全球生物地球化学循环中扮演核心角色环流变化可能对这些过程产生深远影响全球变暖正导致海洋层结增强，抑制垂直混合和营养盐供应，可能降低未来海洋的生物生产力和碳吸收能力全球变暖对大洋环流的未来影响15-30%减弱幅度AMOCIPCC AR6预测21世纪AMOC可能减弱的范围20%西边界流偏移黑潮和墨西哥湾流可能向极移动的距离25%热带辐合带扩张ITCZ可能的南北向扩张幅度35%极地增温放大极地地区温度上升超过全球平均的程度全球气候模式预测，未来大洋环流将经历多方面的变化最显著的是大西洋经向翻转环流（AMOC）的减弱，这主要由北大西洋表层淡化和增暖导致的层结增强引起虽然模型一致预测AMOC将减弱，但减弱的程度和时间进程存在不确定性大多数模式显示21世纪AMOC不太可能完全崩溃，但不能排除在高排放情景下发生临界点转变的可能性其他预期的环流变化包括副热带西边界流（如墨西哥湾流、黑潮）的极向偏移和加强；热带太平洋沃克环流的减弱；南极绕极流的加强和南移这些环流变化将重塑全球热量和水汽分布，影响区域气候和极端事件但模式预测仍存在显著不确定性，特别是对于区域尺度的变化和极端事件的预测，这部分源于模式分辨率限制和海-气反馈过程的复杂性案例分析年超级厄尔尼诺11997/98案例分析年海洋热浪22013-2016暖水团形成生态系统影响陆地气候影响年末，北太平洋东北部出现了一个巨大这次海洋热浪对生态系统产生了严重影响这次海洋热浪与加州历史性干旱同时发生，2013的海表温度异常暖区，科学家将其称为暖水海水异常升温导致大量鱼类向北迁移，使阿并可能加剧了干旱状况大气环流异常（高团（）这一热浪区域面积超过拉斯加海域出现了通常在更南地区的物种压脊）既导致了海洋热浪，又减少了向加州The Blob万平方公里，海表温度异常达同时，加州沿岸的巨藻森林几乎完全消失，的降水此外，沿海地区温度升高，特别是2003-4°C这一异常暖区在年扩展至美国西海岸，导致依赖它们的海胆数量激增热浪期间，夜间最低温度，进一步增加了蒸发和干旱压2014并持续到年初研究表明，其形成主要有毒藻华大规模爆发，导致鱼类和海鸟大规力研究表明，这种联合极端事件可能是全2016由反常的大气高压脊导致，这减少了海洋表模死亡，并迫使商业和休闲渔业关闭球变暖背景下出现的新常态层的热量损失和垂直混合案例分析北大西洋温盐环流变弱3自年计划开始系统监测以来，北大西洋经向翻转环流（）已显示出约的减弱趋势横断面测量显示，输送量2004RAPID AMOC15%

26.5°N AMOC从年的约（）下降到近期的约这一减弱趋势超出了自然变率范围，可能部分归因于人类活动导致的全球变

200418.5Sv1Sv=10^6m³/s

15.5Sv暖特别是格陵兰冰盖加速融化和北极地区增暖可能增加了北大西洋表层的淡水输入和热量收入，减弱了深水形成过程减弱的证据还包括北大西洋次表层增温、表层的冷水团（）异常，以及格陵兰南部海域盐度降低这种变化已产生区域气候影AMOCcold blob响，如欧洲西部冬季气温变化模式和大西洋飓风活动的变化虽然当前减弱尚未达到临界点，但若减弱趋势持续，可能导致欧洲气候显著变冷、非洲亚洲季风系统变化，以及海平面区域性升高多模式预测显示，在高排放情景下，本世纪末可能减弱，但完全崩溃的可能性较-AMOC34-45%低典型观测计划介绍（如）TOGA,WOCE,GOOS计划名称实施时间主要贡献TOGA（热带海洋和全球大气计划）1985-1994建立了TAO/TRITON热带太平洋浮标阵列，极大促进了ENSO机理研究和预测WOCE（世界大洋环流实验）1990-2002首次系统测量全球大洋环流，为理解全球温盐环流提供基础GOOS（全球海洋观测系统）1991-至今整合多种观测平台，提供长期持续的海洋观测Argo计划2000-至今部署全球超过4000个自动剖面浮标，提供海洋上层热盐结构RAPID计划2004-至今在

26.5°N建立横断面观测，连续监测AMOC强度变化这些大型观测计划为理解全球海洋环流和海气相互作用提供了宝贵数据TOGA计划的创新之处在于将海洋观测与气候预测直接联系起来，其建立的TAO/TRITON浮标阵列至今仍是ENSO监测的核心WOCE计划则首次通过全球密集观测断面，揭示了全球海洋三维环流结构，奠定了对温盐环流的现代认识当前的全球海洋观测系统（GOOS）整合了多种观测平台，形成协同观测网络Argo计划的自动剖面浮标提供了前所未有的全球海洋内部结构数据；卫星高度计持续监测全球海面高度变化；固定锚系阵列（如RAPID、OSNAP、SAMOC）则提供关键断面的连续时间序列这些观测系统共同构成了海洋科学的基础设施，为气候研究和预测提供了至关重要的实时数据未来观测与模拟发展方向综合卫星观测自主观测系统未来卫星观测将走向更高分辨率、更多参未来10年，自主观测平台如深海Argo、生数同步观测的方向例如，NASA的物Argo和水下滑翔机将大幅扩展这些平SWOT（水面地形测量）卫星能够以前所台能够长期独立工作，到达传统观测难以未有的分辨率测量海面高度，揭示中尺度覆盖的区域，如极地海域和深海特别是涡旋和湍流；而中国的海洋二号系列卫Bio-Argo浮标将携带生物地球化学传感星提供海表温度、风场和盐度的综合观器，同时测量物理和生化参数，弥合物理测多卫星联合观测将成为趋势，允许近海洋学和海洋生物学之间的鸿沟实时重建三维海洋状态高分辨率耦合模式下一代耦合模式将解决中尺度过程，模拟分辨率达到公里级，能够明确表现中尺度涡旋、沿岸上升流和边界流等关键过程这些模式将整合更复杂的生物地球化学和生态系统组件，实现从物理到生态的全系统模拟人工智能和机器学习技术将用于改进参数化方案和模式数据融合观测与模拟的融合将是未来发展的核心趋势数据同化技术将不断进步，实现观测数据与模式的最优结合，生成高分辨率、三维、连续的海洋和大气状态估计同时，量子计算和人工智能将在处理和分析海量数据方面发挥越来越重要的作用这些技术进步将显著提高我们监测和预测海洋环流变化的能力，特别是在极地区域、深海和沿海复杂区域对海-气-冰-陆多圈层耦合系统的更全面理解，将使我们能够更准确地预测未来气候变化及其对人类社会的影响海洋环流变异性及其检测新技术机器学习与大数据自动化浮标与水下滑翔机高分辨率卫星遥感人工智能和机器学习技术正被用于分析海量新一代自主观测平台正在革新海洋观测方新一代卫星遥感技术如雷达干涉测量海洋观测数据，从中提取模式和预测变化式水下滑翔机能够在海洋中飞行数千公（）、任务和海色遥感正在提InSAR SWOT深度学习算法已成功用于预测，显著延里，收集长时间序列的三维数据深海供前所未有的空间分辨率这些技术能够观ENSO Argo长了预测提前期自组织映射（）和卷浮标可下潜至米，填补了深海观测的空测到中尺度涡旋和次中尺度过程，揭示环流SOM6000积神经网络（）等技术能够自动识别海白生物地球化学则搭载了氧气、叶绿的精细结构多星组网观测已成为趋势，通CNN Argo洋环流模态和异常，帮助科学家从海量数据素、硝酸盐等传感器，同时监测物理和生化过多颗卫星同时观测，提供全天候、高时空中提取有价值的信息参数，为研究环流对生态系统的影响提供关分辨率的海洋表层信息键数据海气相互作用的新兴研究领域海表微层过程海表微层（SML）是海气界面最上层的微米级薄层，在海气相互作用中扮演关键角色这一区域具有独特的物理、化学和生物特性，直接影响气体、热量和动量的交换过程近年研究表明，海表微层中的表面活性物质可显著改变气体溶解度和交换速率；而微塑料污染物在此积累，可能影响辐射传输和生物过程海洋表层微生物对能量交换的影响海洋表层的微生物组是海气界面的活跃参与者最新研究揭示，浮游植物和细菌释放的有机物可改变海水表面张力和粘度，间接影响海气界面的能量和物质交换特别是在藻华期间，生物活动可显著改变海面反照率、热吸收特性和粗糙度，进而影响辐射平衡和动量交换极端事件下的海气相互作用极端气候事件（如热带气旋、极端海洋热浪）下的海气相互作用过程是新兴研究热点高风速条件下，传统的气体交换和热通量参数化方案可能失效；而极端温度条件下，海洋层结和混合过程也发生显著变化了解这些极端条件下的相互作用机制，对提高极端事件预测能力至关重要这些新兴研究领域正在改变我们对海气相互作用的传统认识，强调了微尺度过程和生物因素的重要性随着观测技术的进步，科学家能够以前所未有的精度研究海气界面的复杂过程，揭示更多以前被忽视的机制和反馈国际科研与政策合作海洋与冰冻圈报告世界气候研究计划全球气候治理协作IPCC（）WCRP政府间气候变化专门委员会《巴黎协定》为全球气候治理（IPCC）于2019年发布的《海WCRP下的气候与海洋-变异提供了框架，各国承诺减少温洋与冰冻圈特别报告》，是首性、可预测性和变化室气体排放，限制全球平均温份系统评估海洋变化对人类影（CLIVAR）项目是国际海气相度升高海洋科学为这一政策响的权威文件该报告汇集了互作用研究的主要平台该项框架提供支持，特别是在评估全球66个国家的104位科学家目协调全球海洋观测网络，制碳预算、预测海平面上升和极的研究，为各国制定应对气候定研究议程，促进数据共享，端事件方面变化政策提供科学依据并定期举办科学研讨会，推动国际科研合作国际数据共享平台全球海洋数据同化试验（GODAE）和全球海洋观测系统（GOOS）促进了海洋数据的开放共享这些平台使研究人员能够访问全球海洋观测数据，推动了跨国合作研究国际科研与政策合作是应对全球气候变化挑战的关键海洋作为无国界的系统，其研究和管理本质上需要国际协作近年来，南北半球国家、发达和发展中国家之间的合作日益加强，形成了更全面的全球观测网络和研究框架中国在国际海洋和气候研究中的参与度不断提高，通过一带一路海洋合作、中国-东盟海洋合作等平台，加强了与周边国家在海洋观测和气候研究方面的合作中国科学家积极参与IPCC评估报告编写、WCRP科学指导，并贡献了大量观测数据和研究成果未来，随着全球气候治理的深入，国际科研与政策合作将进一步加强课程小结一大洋环流重要性回顾气候调节器热量传输大洋环流是全球气候系统的主要调节器环流输送热量，平衡全球温度分布天气系统碳封存环流异常可触发极端天气事件深层环流将碳从表层带到深海在本课程的前半部分，我们系统地介绍了大洋环流系统的基本概念、驱动机制和全球分布大洋环流作为地球气候系统的关键组成部分，通过热量和水分的再分配，深刻影响着全球气候格局表层环流主要受风应力驱动，对短期气候变率（如ENSO）响应迅速；而深层环流（温盐环流）则受海水密度差异驱动，是长期气候稳定的关键我们还探讨了环流系统的观测证据和变化趋势自工业革命以来，特别是近几十年，全球海洋环流系统已显示出多方面的变化信号北大西洋经向翻转环流减弱、西边界流路径北移、南极绕极流增强等这些变化与人类活动导致的全球变暖密切相关，并可能通过改变热量和水汽分布，影响未来气候演变和极端事件发生频率课程小结二海气相互作用核心机制海气耦合系统海洋与大气形成相互影响的复杂系统能量与物质交换热量、水汽、动量和气体在海气界面不断交换环流与天气格局3海气相互作用塑造全球环流和天气系统本课程的后半部分聚焦于海气相互作用的核心机制和主要现象我们详细讨论了海洋与大气之间的能量交换（辐射、感热、潜热）、水分交换（蒸发、降水）、动量交换（风应力、表面摩擦）和气体交换（二氧化碳溶解等）这些交换过程通过复杂的正反馈和负反馈机制相互影响，共同塑造了地球的气候系统我们还分析了典型的海气相互作用现象，如厄尔尼诺南方涛动（）、印度洋偶极子和北大西洋涛动这些现象表现为海洋和大气的协同-ENSO变化，对全球和区域气候有重大影响通过案例分析，我们探讨了年超级厄尔尼诺、年北太平洋海洋热浪等重大事件，理1997/982013-2016解了海气相互作用在极端气候事件中的关键作用考点与复习建议核心概念关键观测证据气候影响机制•大洋环流的基本定义与分类•大洋环流变化的主要观测方法•ENSO对全球气候的影响机制•表层环流与深层环流的区别•环流变化的历史重建方法•海洋环流异常与极端天气的联系•温盐环流（全球传送带）的结构与功能•工业时代以来的环流变化趋势•温盐环流变化对气候的潜在影响•海气相互作用的四种主要交换过程•典型观测计划及其科学贡献•海洋热含量与热浪事件的关系•主要海气相互作用现象的机制•新兴观测技术及应用前景•人类活动对海气相互作用的影响复习建议建议从基础概念入手，确保对大洋环流的分类、驱动机制和全球分布有清晰理解重点掌握海气相互作用的核心机制，特别是能量、水分、动量和气体的交换过程这些是理解更复杂现象的基础对于ENSO等典型海气相互作用现象，建议从物理机制出发，理解其形成、发展和衰减的完整过程，以及对全球气候的影响机制结合案例分析（如1997/98超级厄尔尼诺）深化理解最后，关注全球变暖背景下大洋环流和海气相互作用的变化趋势，以及对未来气候的潜在影响专题研讨与思考题温盐环流变化与气候临界点1评估当前观测和模拟证据，讨论温盐环流是否存在可能被全球变暖触发的临界点如果温盐环流突然减弱或崩溃，全球气候系统可能发生哪些变化？各地区将受到怎样的影响？变化与预测挑战2ENSO分析全球变暖背景下ENSO特性的潜在变化（如强度、频率、类型）讨论这些变化对ENSO预测带来的新挑战，以及改进预测技术的可能方向极端海洋热浪成因与影响3以近年来的典型海洋热浪事件为例，分析其形成机制、气候影响和生态后果探讨在气候变化背景下，减轻海洋热浪负面影响的可能策略数值模拟的不确定性4评估当前气候模式在模拟海气相互作用方面的主要不确定性来源这些不确定性如何影响我们对未来气候变化的预测？如何减少这些不确定性？案例分析探讨选择一个最近发生的与海气相互作用相关的极端气候事件（如厄尔尼诺、海洋热浪、台风等），收集相关数据，分析其发生、发展过程及影响讨论人类活动对该事件强度或频率的可能影响，以及未来类似事件的发展趋势分组辩论题目全球变暖背景下，海洋对人类社会的威胁与机遇一组讨论海洋变暖带来的潜在负面影响（如海平面上升、极端天气增加、生态系统破坏等）；另一组讨论可能的积极方面（如北极航道开通、某些渔业资源增加、可再生能源机会等）分析如何最大化机遇并最小化威胁未来研究展望与挑战未解科学问题气候系统中的关键反馈机制尚未完全理解，如云的反馈、海洋的碳吸收变化等尺度连接挑战需要跨越从微米到全球尺度的多尺度过程理解和模拟数据缺口深海、极地和海气界面微观过程的观测数据仍然不足计算能力限制高分辨率海气耦合模式需要突破计算资源瓶颈海洋环流和海气相互作用研究未来将面临多方面的科学和技术挑战在理论方面，关键问题包括海洋混合过程如何在不同空间尺度上相互作用；中尺度涡对大尺度环流和热量输送的精确贡献；极地海冰-海洋-大气相互作用机制；以及生物地球化学过程与物理海洋过程的耦合技术和方法方面的挑战包括发展更精确、高覆盖度的深海和海气界面观测系统；提高模式分辨率以明确表现中尺度过程；改进关键物理过程（如混合、对流）的参数化方案；开发更高效的数据同化方法，整合多源观测数据此外，将海洋和气候科学研究结果有效转化为政策建议和适应策略，也是一个重要但具有挑战性的方向跨学科合作，特别是与生态学、经济学和社会科学的交叉研究，将成为应对这些挑战的关键路径参考文献与数据资源核心参考文献第一工作组报告《气候变化的物理科学基础》；《海洋与冰冻圈特别报告》；等1IPCC AR620212IPCC20193Wang《全球变暖背景下的动力学》，《科学进展》；等《创纪录的全球海洋热含量表明了持续的地球变暖》，《科学进展》ENSO20204Cheng；等《北大西洋环流减弱的观测证据》，《自然》；刘征宇等《海气相互作用与气候变化》，科学出版社20225Caesar

201862019.数据资源气候数据中心提供全球海洋和大气观测数据；全球数据中心提供全球剖面浮标数据；中国科学院海洋1NOAA NCDC2Argo3大科学数据共享平台整合中国海洋观测数据；再分析数据提供高质量大气再分析数据；数据节点提供多模式气4ECMWF ERA55CMIP6候模拟数据；世界海洋数据库提供历史海洋观测数据集这些资源大多提供在线访问和下载服务，支持多种数据格式，可用于课程相关6WOD的数据分析和研究项目结束致谢与交流邀请感谢参与课程反馈持续交流感谢各位同学在本学期的积极参与欢迎通过课程网站或邮件提供关于课程结束后，欢迎继续就海洋气候和深入思考你们的问题和见解丰课程内容、结构和教学方法的反馈相关话题与我交流可以通过邮件富了课程内容，促进了集体学习意见你们的建议将帮助我们不断（例希望这门课程为你们理解地球气候完善课程，更好地满足学习需求climate@university.edu）或预系统和海洋环流的重要性提供了坚约办公时间讨论研究兴趣或职业规实基础划研究机会对海洋和气候科学研究感兴趣的同学，欢迎了解我们实验室的研究项目和实习机会我们有多个涉及观测分析和模式模拟的研究方向，欢迎本科生和研究生参与海洋和大气科学是当今最具活力和社会影响力的研究领域之一无论你是计划深入这一领域，还是将所学知识应用到其他学科，理解气候系统的综合性和复杂性都将是宝贵的科学素养随着全球变暖加剧和极端气候事件增多，我们面临着前所未有的环境挑战作为未来的科学家、政策制定者或公民，你们将在应对这些挑战中发挥重要作用希望本课程不仅传授了科学知识，也培养了批判性思维和环境意识，使你们能够为构建可持续未来贡献智慧和力量。