海洋气候系统中大洋环流与海气相互作用课件

海洋气候系统中大洋环流与海气相互作用欢迎来到海洋气候系统中大洋环流与海气相互作用课程本课程将带您深入探索地球上最为壮观的环流系统以及它们如何塑造我们的气候海洋覆盖了地球表面的71%，是气候系统中不可或缺的组成部分通过本课程，您将了解大洋环流的形成机制、全球分布特征以及它们与大气之间的复杂相互作用我们将从基础概念出发，逐步深入到前沿研究领域，探讨海洋环流如何影响全球气候变化及其对人类社会的深远影响这是一段激动人心的学习旅程，它将改变您对蓝色星球的认识，并启发您思考海洋与气候之间的奥秘海洋气候系统概述海洋与气候的关系海气耦合机制全球气候调节器海洋是地球上最大的热量储存库，储存的海洋与大气之间存在着密切的相互作用，海洋环流通过跨纬度热量输送，平衡了热热量是大气的约1000倍这一特性使海形成了复杂的耦合系统海水蒸发向大气带与极地之间的能量差异没有海洋的调洋成为调节全球气候的关键因素海洋通提供水汽和能量，而大气通过风应力和热节，地球上的温度差异将远比现在更为极过吸收、储存和再分配太阳能量，有效地通量驱动海洋环流这种双向相互作用构端，赤道地区会更热，极地地区则会更缓和了气候的极端变化成了地球气候系统的核心动力机制冷课程结构前沿研究与未来展望最新研究成果、挑战与趋势海气相互作用气候系统中的海气耦合机制大洋环流动力学环流形成、分布与变化规律基础理论知识海洋学与气候动力学基础本课程采用由浅入深的学习架构，首先建立海洋学与气候动力学的基础知识框架，然后深入探讨大洋环流的形成机制与全球分布特征在此基础上，进一步研究海气相互作用的复杂过程及其对气候系统的影响最后，课程将介绍该领域的前沿研究成果、面临的挑战以及未来发展趋势学习目标理解大洋环流基本概念与分类掌握环流动力学机制掌握海洋环流的基本定义、分类标准以及全球分布特征，建理解科氏力、压力梯度力等对环流形成的影响，掌握风生环立海洋环流系统的整体认知框架流与热盐环流的形成原理与特征分析海气相互作用过程应用观测与模拟方法理解海洋与大气之间的能量、物质交换机制，掌握主要海气了解现代海洋观测技术与数值模拟方法，能够分析与解释海耦合现象及其对全球气候的影响洋环流数据，评估其在气候变化中的作用相关学科与研究前沿气候动力学地球系统模拟探究气候系统的物理机制与变化通过数值方法模拟地球系统各组规律前沿方向包括气候敏感成部分的相互作用最新进展包性、极端事件归因与多尺度气候括高分辨率海气耦合模式与基于物理海洋学预测技术机器学习的混合模型海洋遥感科学研究海洋水体的物理特性、运动规律及其动力学过程最新前沿利用卫星技术对海洋进行大尺度包括混合层动力学、中尺度涡旋观测前沿领域包括海表高度精与全球海洋环流变异性研究准测量与微波遥感新技术大洋环流定义基本概念物理本质大洋环流是指海洋中大尺度、相对从物理本质看，海洋环流是对太阳稳定的水体运动系统这些环流在辐射不均衡分布的响应，是地球系横向尺度上通常超过100公里，垂统调节热量不平衡的重要机制海直尺度可达数千米，时间尺度则从洋环流通过水平与垂直运动，输送季节变化到千年不等热量、盐分、溶解气体和营养物质动力学特征大洋环流受地球自转、海盆形态、风场分布和热盐梯度等多种因素影响，遵循流体力学和地球物理学基本定律在科氏力作用下，北半球环流呈现顺时针方向，南半球则为逆时针方向大洋环流的全球分布大西洋环流系统包括墨西哥湾流、北大西洋漂流、加那利寒流和北赤道流等北大西洋环流对欧洲气候有显著调节作用，其热量输送使西欧温度比同纬度地区高出约10°C太平洋环流系统主要由北太平洋和南太平洋两大环流组成黑潮、北太平洋暖流、加利福尼亚寒流和秘鲁寒流是其中的主要支流太平洋环流对ENSO现象有着决定性影响印度洋与南大洋环流印度洋环流受季风气候强烈影响，具有显著的季节变化特征南大洋的环南极洋流是地球上最大的环流，它连接了三大洋，在全球热量传输中扮演关键角色海洋环流分类表层环流主要受风应力驱动，深度一般不超过1000米典型代表包括赤道流系统和各大洋的环状流表层环流对气候有直接影响，参与短期气候变化过程中层环流位于表层与深层之间的过渡带，深度约1000-2000米受热盐梯度与表层环流共同影响，在全球热量传输中起着重要的缓冲作用经典例子包括地中海出流水深层与底层环流主要受热盐差异驱动，深度超过2000米呈现出大洋传送带特征，周期长达数百至上千年北大西洋深水和南极底层水是其典型代表，对长期气候变化有重要影响沿岸环流受海岸地形、局地风场和潮汐影响的近岸水流系统具有较强的时空变异性，与陆地相互作用频繁上升流区域往往成为重要的渔场和高生产力海域科氏力与地转平衡风力驱动风在海面上产生应力，传递动量给表层水体，初始运动方向与风向基本一致科氏偏转由于地球自转，运动中的水体受到科氏力作用，在北半球向右偏转，南半球向左偏转偏转角度与纬度有关，在赤道处为零，在极点处最大地转平衡当科氏力与压力梯度力达到平衡时，水体将沿等压线运动，形成地转流这种平衡状态是大尺度海洋环流的基本特征环流形成地转平衡在各大洋盆中形成大尺度环状环流，北半球呈顺时针方向，南半球呈逆时针方向，构成全球环流的基本格局风生环流基础风应力传递风通过摩擦力将动量传递给海洋表层埃克曼层响应表层水体在科氏力作用下形成螺旋结构水体辐合与辐散引起海面高度变化和压力梯度地转环流形成压力梯度与科氏力平衡驱动大尺度环流风生环流是海洋表层最主要的环流系统，由持续的风场驱动形成全球风带分布决定了各大洋的环流结构在赤道贸易风带，风向稳定的东风驱动赤道流系统；在中纬度西风带，形成了强大的西边界流，如墨西哥湾流和黑潮；极地地区的环流则受极地东风的影响风生环流对全球热量再分配具有重要作用，是调节气候的关键因子风应力与埃克曼输送重力与压力梯度力海面高度变化压力梯度形成风应力和热盐差异导致海面高度不均匀分海面高度差异在重力作用下产生水平压力布，形成海洋山丘和海洋低洼2梯度地转平衡建立水体运动压力梯度力与科氏力达到平衡，形成沿等压力梯度力驱动水体从高压区流向低压区压线的地转流重力与压力梯度力是控制海洋环流结构的基本力学机制海水密度差异和海面高度变化产生压力梯度，成为驱动水体运动的主要动力在大尺度环流中，压力梯度力与科氏力的平衡决定了流向和流速例如，北大西洋中部海面比西部低约1米，这一高度差形成的压力梯度是墨西哥湾流的主要驱动力吉利斯关系与西边界加速倍千米5-7100-150西边界流速比东边界强西边界流宽度西边界流如墨西哥湾流和黑潮的流速是东边界典型西边界流的宽度仅为100-150公里流的5-7倍千米1000-1500东边界流宽度东边界流宽度通常达1000-1500公里吉利斯关系解释了大洋环流中西边界流增强的现象由于科氏参数随纬度变化（β效应）和地球自转的综合影响，大洋环流在西边界区域出现显著加强的现象，形成强大而狭窄的西边界流，如墨西哥湾流和黑潮这一理论由美国气象学家亨利·吉利斯于1950年代提出，成功解释了为什么所有大洋盆地都在西侧出现强劲的边界流西边界流的加速对区域气候有显著影响，如墨西哥湾流使欧洲气候温暖，黑潮则影响东亚季风气候系统这种不对称分布是大洋环流最显著的特征之一热盐环流概述北大西洋深水形成南极底层水生成上升流区域在挪威海和格陵兰海，海水冷却增密后下在南极威德尔海和罗斯海，超冷的高密度海深层水在北太平洋和印度洋上升至表层，完沉，形成北大西洋深层水，驱动全球大洋水下沉至海底，形成南极底层水，填充全球成循环这些上升流区域往往是海洋生物生传送带这一过程对欧洲气候有重要调节深海盆地，是最致密的海水产力最高的区域，营养物质丰富作用大洋环流形成条件北大西洋环流结构北大西洋环流系统是全球最著名和研究最充分的海洋环流之一它由强大的墨西哥湾流、北大西洋漂流、加那利寒流和北赤道流组成一个完整的环状流系统墨西哥湾流作为典型的西边界流，流速可达

2.5米/秒，每秒输送约150百万立方米水，热量输送量相当于全球人类能源消耗的100倍这一环流系统对欧洲气候有决定性影响墨西哥湾流携带的暖水延伸至北欧沿岸，使欧洲西部气候比同纬度的北美东部温暖许多北大西洋振荡NAO的变化直接影响该环流系统的强度，进而影响欧洲和北美的降水和温度模式北太平洋环流特征黑潮系统西太平洋强大的西边界流，流速可达2米/秒，宽约100公里，深达1000米北太平洋暖流黑潮延伸部分，向东横穿太平洋，输送热量至北美西岸加利福尼亚寒流太平洋东边界的南向寒流，带来上升流和丰富生产力北赤道流贸易风驱动的西向流，完成环流的闭合，流速较慢但宽度大北太平洋环流以其独特的特征区别于北大西洋环流由于太平洋盆地更广、深度更大，环流系统的尺度也更大黑潮作为太平洋的西边界流，是东亚气候的重要调节器，影响日本、韩国和中国东部的气候与大西洋不同，北太平洋缺乏深层水形成，因此垂直环流相对较弱印度洋季风环流夏季季风环流月冬季季风环流月6-912-3西南季风盛行时期，索马里急流形成，流向为北向，流速可达3米/东北季风主导时期，索马里急流完全反转，转变为南向流阿拉伯秒，是世界上流速最快的季节性洋流阿拉伯海出现强烈上升流，海上升流减弱或消失，表层水温升高生产力大幅提高孟加拉湾环流减弱，流向变为顺时针赤道南部的南赤道流增强，孟加拉湾形成气旋式环流，湾流增强，携带大量淡水向北输送赤西向输送增加印度洋赤道急流出现，成为全球唯一的季节性赤道道反流增强，形成东向的季风急流急流印度洋环流系统的最大特点是受季风气候影响显著，表现出强烈的季节性反转现象这在全球大洋环流中是独一无二的季风驱动的环流变化对区域气候、降水模式和渔业资源有重大影响印度洋偶极子现象IOD与这种季节性变化密切相关，并通过遥相关影响全球气候南大洋环流（西风漂流）地球最强大的环流强劲西风驱动南极环流是地球上水量最大的南大洋环流主要由南半球强劲洋流，每秒输送约150百万立方的西风驱动，没有陆地阻挡，米水，相当于全球河流总流量形成连续不断的环状流动在的5000倍它完整环绕南极德雷克海峡等狭窄区域，流速洲，长度超过20000公里，深可达每秒2米，形成强大的水动度可达4000米力环境大洋连接器南极环流连接了大西洋、太平洋和印度洋，促进了三大洋之间的水体交换这种连接作用使南大洋成为全球热量、碳和其他物质循环的关键环节，是全球大洋传送带不可或缺的组成部分南极环流的全球影响墨西哥湾流和黑潮特征参数墨西哥湾流黑潮最大流速

2.5米/秒

2.0米/秒水体输送量150百万立方米/秒130百万立方米/秒宽度80-150公里100-200公里深度约1500米约1200米温度异常比周围水体高5-10°C比周围水体高6-8°C热量输送

1.4×10^15瓦

1.2×10^15瓦墨西哥湾流和黑潮是全球最强大的两个西边界流，它们分别位于北大西洋和北太平洋西侧，具有相似的动力学特征和气候影响这两大洋流都在低纬度形成，向北流动，并在中纬度区域离开海岸向东延伸，形成流速高、边界锐利的狭窄海洋河流墨西哥湾流和黑潮都是重要的热量输送者，对区域气候有显著影响墨西哥湾流使欧洲气候比同纬度的北美温暖，而黑潮则调节了东亚的气候特征两条洋流也是强烈中尺度涡旋的源地，这些涡旋促进了海洋的混合和能量传递过程东部边界流加利福尼亚寒流北太平洋东部的南向寒流，宽度约1000公里，但流速仅为

0.2-

0.5米/秒寒流带来低温水，使加州沿岸夏季气温降低，常有浓雾形成上升流区域支持丰富的海洋生态系统秘鲁寒流（洪堡寒流）南太平洋东部的北向寒流，是世界上最强的上升流系统之一寒流携带丰富的营养物质，支撑了世界上最大的单一鱼类渔业——秘鲁鳀鱼渔业该区域受ENSO事件强烈影响，厄尔尼诺期间上升流减弱，渔业产量大幅下降加那利寒流北大西洋东部的南向寒流，流速缓慢但宽度大寒流带来的上升流使摩洛哥和西撒哈拉沿岸形成重要渔场寒流与沿岸温度影响北非地区的降水模式，是撒哈拉沙漠形成的间接影响因素之一深层翻转环流北大西洋表层流1墨西哥湾流携带暖水向北流动，途经北大西洋到达挪威海和格陵兰海这一阶段热量向大气释放，水体温度下降北大西洋深水形成2高纬度地区海水冷却增密，下沉至约3000米深度，形成北大西洋深层水NADW这一过程是全球海洋传送带的主要驱动力深层水南向输送3NADW沿着大西洋海底向南流动，最终加入环绕南极洲的环流系统在此期间，深层水逐渐与周围水体混合，特性慢慢变化深层水上升与返回4深层水在印度洋和太平洋逐渐上升至表层，完成循环上升的水体重新被加热，通过表层流向西，最终返回大西洋，完成全球环流北大西洋深海形成区热量释放强烈冷却暖流抵达高纬度地区，向大气释放大量热量冬季极地寒冷气团导致海水温度急剧下降海冰形成对流下沉表层水结冰过程中排出盐分，进一步增加水体密高密度水体迅速下沉，触发深层环流3度北大西洋深水形成是全球热盐环流的关键驱动力主要形成区位于拉布拉多海、格陵兰海和挪威海，这些区域具备理想的深水形成条件高盐度的北大西洋暖流抵达高纬度后遇到极地寒冷气团，海水温度迅速下降，同时海冰形成过程中排出额外盐分，使海水密度显著增加，触发强烈的对流下沉过程北大西洋深水形成速率约为15-20百万立方米/秒，供应了全球深海约50%的水体这一过程对欧洲和北美气候有决定性影响，是北大西洋气候振荡的重要组成部分研究表明，全球变暖可能通过影响格陵兰冰盖融化，改变深水形成过程，进而影响全球气候系统南极底层水罗斯海形成区威德尔海形成区阿德利海岸形成区罗斯海是南极底层水的主要形成区之一，特威德尔海是全球最致密海水的形成区域冬靠近东南极的阿德利海岸是另一个重要的底别是罗斯冰架附近区域这里的海水温度接季海冰形成和强烈冷却使海水密度达到最大层水形成区这里的陆架较窄，强烈的离岸近结冰点，盐度因海冰形成而增加，密度极值，形成的底层水沿海底向北流动，可追踪风促进海冰形成和高密度水体生成，产生的高，下沉后填充全球最深的海盆至北大西洋北部底层水主要进入印度洋盆地海盆尺度变化年际变化年代际变化大尺度环流在年际尺度上表现出显环流系统在10-30年尺度上表现出著波动，最典型的例子是ENSO循低频振荡，主要包括太平洋年代际环，其周期为2-7年厄尔尼诺期振荡PDO和大西洋多年代际振荡间，赤道太平洋东部表层温度升高AMOPDO影响北太平洋环流强3-4°C，西边界流如黑潮强度减弱度和位置，进而影响北美气候；约15%，北大西洋环流格局也会发AMO则与北大西洋经向翻转环流强生相应调整度密切相关，影响欧洲和北美降水模式长期趋势近几十年观测表明，全球环流系统存在长期变化趋势南极环流的西风强度增加导致环流向南偏移；墨西哥湾流路径北移约1度纬度；赤道太平洋东西温度梯度减弱，影响沃克环流这些变化与全球变暖趋势密切相关，代表气候系统对外部强迫的响应环流的边界条件海洋环流的分布和强度受到多种边界条件的制约，其中海盆形态和海底地形是最关键的物理边界洋盆大小、形态和深度直接决定了环流系统的空间尺度和结构例如，大西洋狭窄的盆地形态使墨西哥湾流更靠近西边界；而太平洋广阔的盆地使黑潮路径更为复杂多变海底地形对深层环流有显著影响海脊系统如绿岭-冰岛-法罗海脊限制了深层水交换；海山和海岭引导深层流动方向；大型海沟则是重要的深层水通道陆架区域则通过边界混合过程，影响近岸环流和上升流系统地形引导的柱效应对中尺度涡旋生成和深层水路径有重要影β响，是环流动力学研究的重要内容连续体方程与数值模拟千米10^710100+模式网格数量级全球模式分辨率垂直层数现代海洋环流模式的网格点数量达到千万量级典型全球环流模式的水平分辨率约为10公里高分辨率模式垂直方向分层超过100层海洋环流的数值模拟基于流体力学的基本定律连续体方程是最基本的物理方程之一，表达了质量守恒原理在海洋环流模型中，需要同时求解动量方程（描述流速变化）、连续性方程（表达质量守恒）、热力学方程（温度变化）、盐度方程和状态方程（密度计算）等一系列方程现代海洋环流模型分辨率不断提高，全球模式分辨率已达10公里量级，可以分辨中尺度涡旋区域模式分辨率更高，可达1公里以下模式边界条件包括海底地形、海岸线形态、大气强迫和河流输入等模式结果验证依赖卫星观测、ARGO浮标和系泊观测等多种数据源这些模型已成为理解海洋环流动力学和预测气候变化的重要工具海气相互作用简介能量交换感热通量、潜热通量和辐射平衡动量交换风应力驱动与摩擦耗散物质交换3水循环、气体交换和气溶胶迁移耦合过程正反馈与负反馈机制海气相互作用是海洋与大气之间双向的能量与物质交换过程，构成地球气候系统的核心机制海洋储存的巨大热量通过感热通量和潜热通量释放到大气中，每年约有1000万亿焦耳的热量从海洋传递到大气这些热量主要在热带地区被海洋吸收，在中高纬度释放，驱动全球大气环流海气之间还存在复杂的反馈机制例如，海表温度升高会增加蒸发，形成低气压系统，进一步增强风速和蒸发，构成正反馈；但云量增加又会减少太阳辐射，形成负反馈这些相互作用在不同时空尺度上共同调节地球气候系统，是气候变化研究的核心内容表层温度与气候SST气压场与风场响应异常形成SST海表温度出现区域性升高或降低，改变海气温差大气压强调整暖SST区上方空气上升，形成低压系统；冷SST区上方形成高压风场重组压力梯度驱动风场变化，风向风速重组反馈强化风场变化进一步影响海洋环流和SST分布，形成反馈循环海气相互作用中，大气气压场与风场对海洋信号有直接响应当海表温度发生显著变化时，大气压力场会迅速做出响应例如，在厄尔尼诺事件中，赤道中东太平洋SST升高导致该区域大气压降低，而西太平洋压力升高，改变了整个赤道太平洋的气压梯度，最终导致信风减弱甚至反转海气交换的能量传递感热通量海气温差驱动的直接热量传递，全球平均约为11W/m²在中高纬度海域尤为显著，如墨西哥湾流和黑潮区域冬季感热通量可达200-300W/m²，对区域天气有深远影响潜热通量水汽蒸发携带的热量传递，全球平均约为80W/m²热带地区潜热通量最高，可达150W/m²这一热量在空气上升冷却、水汽凝结时释放，是热带气旋等强对流系统的主要能量来源辐射通量包括短波辐射和长波辐射的交换海洋吸收约70%的入射太阳辐射，通过长波辐射和感热、潜热释放能量海冰、云量和水汽分布显著影响辐射平衡，是气候系统反馈的重要组成部分现象与赤道环流ENSO正常状态厄尔尼诺状态赤道太平洋信风自东向西吹拂，将表层暖水推向西太平洋，形成西信风减弱或反转，西太平洋暖池东移，东太平洋上升流减弱，海表高东低的海平面和西暖东冷的温度分布暖池区域上升气流旺盛，温度显著升高3-4°C大气环流响应SST变化，上升气流区域东降水充沛；东太平洋冷舌区域则形成下沉气流，天气干燥次表层移，导致印尼干旱，秘鲁降水增加赤道波动尤其是开尔文波在冷水在东太平洋上升补偿西向表层流，形成典型的沃克环流ENSO相变过程中起关键作用，传递海洋热异常信号ENSO厄尔尼诺-南方涛动是地球系统中最强的年际气候信号，反映了热带太平洋海气系统的耦合震荡ENSO循环包括厄尔尼诺暖相位、拉尼娜冷相位和中性阶段，周期大约2-7年这一现象由比约克内斯反馈机制解释SST变化导致风场变化，风场变化又强化SST异常，形成正反馈过程延迟振荡器理论则解释了ENSO相位转换，海洋记忆通过次表层热容量是系统振荡的关键的全球气候效应ENSO厄尔尼诺期间澳大利亚干旱厄尔尼诺期间秘鲁洪涝拉尼娜期间北美气候异常厄尔尼诺期间，上升气流区东移导致澳大利同一时期，厄尔尼诺导致东太平洋和南美西拉尼娜通过改变高空急流位置，影响北美气亚东部和印尼地区降水显著减少，往往引发海岸降水显著增加1997/98厄尔尼诺期候典型特征包括美国西北部异常湿冷，东严重干旱和森林火灾2015/16厄尔尼诺期间，秘鲁北部降水量达正常值的10倍以上，南部异常温暖干燥这种模式影响农业生间，澳大利亚经历了历史上最严重的干旱之引发大规模洪灾，影响超过500万人口，经产，能源需求和极端天气事件发生概率，具一，农业损失超过50亿美元济损失达35亿美元有重要的经济意义印度洋偶极子（）IOD正相降水异常IOD印度洋西部异常增暖，东部异常降温东非降水增加，印尼和澳大利亚降水减少反向影响负相4IOD东非干旱，印尼和澳大利亚降水增加印度洋东部异常增暖，西部异常降温印度洋偶极子IOD是印度洋海盆尺度的海气耦合现象，表现为东西方向SST异常的反相变化模式正相IOD表现为索马里沿岸海域异常增暖，而印尼附近海域异常降温；负相IOD则呈现相反模式IOD主要在5-11月发展，通常持续4-6个月IOD对区域气候有显著影响正相IOD通常伴随东非降水增加，导致肯尼亚、坦桑尼亚等地洪水频发；同时印尼和澳大利亚西部降水减少，增加干旱和火灾风险1997年的强正相IOD与同期强厄尔尼诺共同作用，导致东非洪水和印尼森林大火，造成数十亿美元损失IOD还通过大气遥相关影响远距离区域气候，如东亚夏季风和欧洲冬季温度太平洋年代际振荡（）PDO北大西洋涛动（）NAO正相负相NAO NAO正相NAO特征是冰岛低压加深，亚速尔高压增强，两者之间的气负相NAO表现为冰岛低压减弱，亚速尔高压减弱，气压梯度减压梯度增大这导致欧洲西风增强，携带更多暖湿空气进入欧洲北小西风带减弱和南移，使北欧和英国变得异常寒冷干燥，而地中部，使北欧、英国和斯堪的纳维亚气温偏高，降水增加同时，地海地区则异常温暖湿润，容易发生洪水中海地区和南欧经历干旱天气负相NAO期间，北大西洋环流减弱，墨西哥湾流输送的热量减正相NAO下，北大西洋环流加强，墨西哥湾流北部延伸增强，向少，北欧寒冷进一步加剧风暴路径南移，影响南欧和北非夏季欧洲输送更多热量，进一步强化温暖信号北大西洋风暴路径北NAO的变化影响欧洲夏季温度和干旱状况，2003年欧洲热浪与移，风暴活动增强，影响航运安全和沿海城市负相夏季NAO有关南方涛动（）SOI太平洋异常SST东太平洋和中太平洋海表温度出现异常变化，厄尔尼诺期间增暖，拉尼娜期间降温气压差异变化塔希提与达尔文之间的气压差异变化，构成南方涛动指数SOI的基础信风强度调整3气压梯度变化导致赤道信风强度变化，厄尔尼诺期间减弱，拉尼娜期间增强全球气候影响通过大气遥相关影响全球多个区域的温度和降水模式南方涛动SO是赤道太平洋东西两侧大气压力的震荡现象，由澳大利亚气象学家沃克于1924年首次描述南方涛动指数SOI是衡量这种震荡的标准指标，通常用塔希提与达尔文标准化海平面气压差计算负SOI值对应厄尔尼诺状态，正SOI值对应拉尼娜状态南方涛动是ENSO现象的大气组成部分，与海洋变化紧密耦合当SOI显著为负时，赤道信风减弱，允许西太平洋暖水东移，加强厄尔尼诺状态；反之则强化拉尼娜状态SOI作为ENSO监测的关键指标，在气候预测中具有重要应用价值研究表明，全球变暖背景下SOI的变异性可能增加，意味着ENSO事件的强度和频率可能发生变化海洋环流对气候影响机理极端气候事件环流异常引发热浪、干旱和强降水等极端事件区域气候模式2影响降水带位置、季风强度和风暴路径能量再分配调节不同纬度带热量分布和温度梯度热量储存与输送4吸收、储存和传输太阳能量的基础过程海洋环流影响气候的核心机制是热量储存与重新分配海洋具有巨大的热容量，储存了地球气候系统90%以上的热量环流系统将这些热量在全球范围内重新分配，从赤道向极地输送，缓解温度梯度北大西洋经向翻转环流每年向北输送约

1.3拍瓦（

1.3×10^15瓦）的热量，相当于100万个大型核电站的输出功率环流系统通过影响海表温度，直接作用于大气环流SST异常改变大气斜压性和风场结构，进而影响风暴路径和降水分布例如，北大西洋多年代际振荡AMO直接影响萨赫勒地区降水和大西洋飓风频率研究表明，全球变暖背景下，海洋热含量持续增加，环流结构可能发生改变，这将带来深远的气候影响海洋对极端气候事件影响热带气旋强化热浪与干旱海洋温度是热带气旋能量的直接来海表温度异常通过改变大气环流模源研究表明，当海表温度超过式引发陆地热浪2003年欧洲热26°C，且次表层温度足够高时，浪与地中海异常高温直接相关；有利于热带气旋形成和加强海洋2019-2020年澳大利亚史无前例热容量决定了气旋可获取的潜在能的干旱和火灾则与印度洋偶极子和量近年海洋温度上升导致热带气中太平洋暖化有关海洋表面温度旋快速增强的案例显著增多，如模式可提前数月指示陆地干旱风2017年的飓风哈维在墨西哥湾异险，为应急管理提供重要参考常暖水上强化为4级飓风极端降水事件海气相互作用增强了大气中的水汽含量和输送，导致极端降水事件频率增加例如，东亚季风区的极端降水与西北太平洋暖池变化密切相关；西北欧的强降水事件则受北大西洋SST模态影响大气河流现象的强度和频率受海洋环流和SST直接控制信风、季风与环流变化信风驱动表层环流赤道信风是热带太平洋和大西洋表层环流的主要驱动力信风强度直接影响赤道上升流强度、海洋温跃层深度和东西向压力梯度厄尔尼诺期间信风减弱，导致太平洋赤道流系统减弱或反转；拉尼娜期间则相反长期观测表明，全球变暖可能导致沃克环流和赤道信风加强，这与大多数气候模型预测相反，成为沃克环流悖论季风影响区域环流季风系统通过风应力直接驱动季节性环流变化，尤其在印度洋最为显著夏季西南季风驱动索马里急流、阿拉伯海上升流和孟加拉湾环流；冬季东北季风则驱动相反方向的环流模式季风强度的年际和年代际变化直接影响这些环流系统，进而影响区域渔业资源和气候特征季风与海洋之间存在复杂的反馈机制，是气候研究的重点领域西风带影响中高纬环流中高纬度西风带是驱动副热带环流和南极环流的主要动力近几十年南半球西风带强度增加和位置南移，导致南极环流增强和南移这一变化与南半球环状模态SAM的正向趋势有关，进而影响全球经向翻转环流格局北半球西风带位置的变化则通过墨西哥湾流和黑潮的路径变化，影响北大西洋和北太平洋热量再分布海洋对二氧化碳吸收作用物理泵生物泵物理泵是基于二氧化碳的溶解度随温生物泵依赖于海洋生物特别是浮游植度变化的物理过程冷水中CO₂溶解物对碳的利用浮游植物通过光合作度高，热水中溶解度低当表层水在用固定CO₂，形成有机碳，部分有机高纬度冷却下沉时，携带大量溶解的碳随死亡的生物体沉降到深海这种CO₂进入深海，形成碳储存这种物垂直输送机制每年可将约100亿吨碳从理泵在北大西洋和南大洋尤为重要，表层输送到深海，是海洋碳循环的关与深层水形成紧密相关全球变暖可键环节生物泵强度受营养盐供应、能减弱物理泵效率，降低海洋碳吸收光照和温度等因素影响，环流变化直能力接影响其效率碳酸盐泵碳酸盐泵涉及海洋生物形成碳酸钙壳体的过程钙化生物如有孔虫和球石藻形成CaCO₃壳体，死亡后沉降至深海，将碳长期封存在沉积物中有趣的是，表层钙化过程实际释放CO₂，但长期封存效应更重要海洋酸化威胁钙化生物，可能减弱碳酸盐泵效率，形成气候正反馈未来气候变化下的海气相互作用环流观测工具现代海洋环流观测依赖多种先进技术卫星遥感是大尺度观测的主要手段，包括海表高度测量（Jason系列卫星）、表面风场（散射计）、海表温度（红外和微波辐射计）和海表盐度（SMOS和SMAP卫星）这些卫星观测提供了全球尺度的同步观测数据，分辨率和精度不断提高原位观测系统包括ARGO剖面浮标网络（全球约4000个浮标，每10天提供一次温盐剖面数据）、全球系泊浮标网络（提供固定位置的连续时间序列）、调查船观测和自主水下航行器（如海洋滑翔机）这些系统共同构成了全球海洋观测网络，为理解海洋环流变化提供了关键数据支撑未来观测系统正向更深海洋（Deep ARGO）、更高分辨率和更多生物地球化学参数方向发展现代海洋观测计划4000+全球浮标数量ARGO每10天提供一次从表层到2000米的温盐剖面1800+表层漂流浮标监测全球海洋表层环流和温度350+海洋时间序列站点提供固定位置的长期连续观测100+参与国家和地区构建全球合作观测网络全球海洋观测系统GOOS是目前最大的国际海洋观测协作计划，协调全球海洋观测活动并制定标准热带大气海洋TAO阵列和后续的热带锚定浮标网TRITON专注于监测热带太平洋，是ENSO监测预测的关键基础设施印度洋的RAMA阵列和大西洋的PIRATA阵列构成了热带海洋监测的完整网络中国的龙系列海洋卫星、科学号科考船和透明海洋计划为全球海洋观测作出重要贡献欧洲的哥白尼海洋服务提供高质量的再分析数据国际ARGO计划正扩展为包括生物地球化学参数的BGC-ARGO和深海观测的Deep-ARGO这些观测计划为理解全球变化背景下的海洋环流变化提供了坚实数据基础，也是气候模式验证的重要依据数值模拟与数据同化数值模拟技术数据同化系统现代海洋环流数值模拟基于原始方程组，包括动量方程、连续性方数据同化是将观测数据与数值模式结合的技术，既保留模式的物理程、热力学方程和状态方程主要模式类型包括z坐标模式（如一致性，又纠正模式偏差主要方法包括最优插值法、三维/四维MOM、POP）、σ坐标模式（如ROMS）和混合坐标模式（如变分同化法和集合卡尔曼滤波全球海洋数据同化系统如HYCOM）全球模式水平分辨率已达到

0.1°（约10公里），能够GODAS、ECCO和GLORYS整合卫星和原位观测数据，生成物分辨中尺度涡旋；垂直方向通常分50-100层，重点解析表层和温理一致的海洋状态估计跃层数据同化产品是气候研究和海洋预报的关键基础，提供长期一致的区域高分辨率模式可达到1公里以下分辨率，用于研究近岸和陆架海洋三维结构例如，ECMWF的海洋再分析可追溯到20世纪区域环流耦合模式整合了海洋、大气、海冰、陆面和生物地球化初，为研究长期气候变化提供依据数据稀疏区域和深海区域的同学过程，是理解气候系统的重要工具化效果仍是主要挑战海洋环流研究最新成果海洋热波研究突破观测新进展AMOC近期研究发现海洋热波（异常高温持RAPID-MOCHA横断面阵列和续数周至数月的海洋现象）频率和强OSNAP观测网络首次提供了北大西度显著增加2013-2015年北太平洋洋经向翻转环流AMOC的连续监的巨型斑块The Blob和2015-测2004年以来的观测表明AMOC2016年塔斯曼海热波导致大规模生态存在显著的季节性和年际变化，系统变化最新研究阐明了中尺度涡2009-2010年出现异常减弱最新旋、大气阻塞和海气热通量异常在热研究发现拉布拉多海对AMOC变异性波形成中的作用，提高了预测能力的贡献超过此前认为的格陵兰海-挪威海区域，改变了传统认识南极环流与碳吸收最新研究表明，南半球西风加强导致南极环流向南移动，改变了南大洋碳吸收格局表层碳吸收减弱，但中层水形成增强，总体碳吸收略有增加同时发现南极冰架底部融化加速，影响南极底层水形成，可能改变全球深层环流这些发现对理解气候变化至关重要研究挑战与未来方向多尺度相互作用理解从微观湍流到全球环流的跨尺度相互作用机制，克服传统模式的参数化局限非线性反馈机制揭示气候系统中复杂的正负反馈过程，识别可能的临界点和不可逆变化预测能力提升发展从季节到年代际的环流预测技术，为气候服务提供科学支撑减缓与适应策略探索利用海洋调节气候的潜力，开发基于自然的解决方案海洋环流与海气相互作用研究面临多重挑战在观测方面，需要发展更完善的深海观测系统和生物地球化学参数监测网络，填补南半球和极地区域的观测空白数据同化系统需要更好整合多源异构数据，提高状态估计的准确性模式发展方面，亟需提高云过程、混合过程和海冰-海洋相互作用的模拟能力，减少气候预测的不确定性未来研究将聚焦气候变化下的海洋环流响应与反馈重点包括北大西洋经向翻转环流的稳定性、西边界流路径变化的机制与影响、南大洋碳循环对气候变化的响应等多尺度耦合过程的跨学科研究将成为主流，结合高性能计算、人工智能和大数据技术，推动海洋气候科学进入新阶段课程总结与重点回顾环流基础知识动力学机制1大洋环流的定义、分类与全球分布特征风生环流与热盐环流的形成原理与特点气候影响海气相互作用4环流对全球与区域气候的多尺度影响能量交换、物质循环与气候调节机制本课程系统介绍了海洋环流与海气相互作用的基本概念、理论基础和研究前沿我们首先学习了大洋环流的基本特征，包括风生环流与热盐环流的形成机制、科氏力与西边界流增强等核心概念；然后探讨了各大洋环流系统的特点，特别是北大西洋环流、太平洋环流和南极环流的结构与功能；接着深入分析了海气相互作用机制，包括能量交换、海气耦合现象及其气候效应；最后讨论了现代观测技术、数值模拟方法和未来研究方向通过本课程学习，您应当掌握了解释海洋环流形成与变化的基本物理机制，理解了海洋对全球气候系统的调节作用，认识到海洋环流研究对理解和应对气候变化的重要意义在复习中，应重点关注各环流系统的特征、动力学原理以及主要海气耦合模态的形成机制与气候影响思考与展望科学认知的边界尽管海洋环流研究取得了巨大进展，但我们对多尺度相互作用、深海环流变化和非线性反馈机制的认识仍然有限气候系统中的临界点和不可逆变化是当前最具挑战性的科学问题之一例如，北大西洋经向翻转环流是否存在临界阈值？南大洋碳吸收能力如何随气候变化调整？不同海气耦合模态之间如何相互影响？这些问题需要更深入的研究技术与方法革新未来研究将受益于观测技术和计算能力的飞跃式发展生物地球化学Argo浮标、深海观测系统、高分辨率卫星和自主水下航行器将提供更全面的观测数据人工智能方法特别是深度学习在参数化物理过程、优化模式和提取数据模式方面显示出巨大潜力地球系统模式的发展将使我们能够更全面地模拟复杂的海气相互作用跨学科研究前景海洋环流研究日益跨学科化，与生物地球化学、生态学、古气候学和社会经济学的交叉将产生新的研究方向例如，环流变化对海洋生态系统和渔业资源的影响、基于自然的气候解决方案评估、古海洋环流重建对未来预测的指导等我们鼓励学生在坚实掌握物理海洋学基础上，积极探索跨学科研究，这将是未来海洋气候科学的重要发展方向。