海洋环流和气候系统课件

海洋环流与气候系统海洋环流是地球气候系统的重要组成部分，它通过输送热量和能量影响全球气候格局本课程将系统介绍海洋环流的形成机制、分类特征以及与气候系统的相互作用关系我们将探讨从基础物理原理到复杂的海气相互作用，从传统观测手段到现代监测技术，以及在气候变化背景下海洋环流的响应与调节作用通过本课程，您将全面了解海洋环流如何塑造地球气候，以及人类活动如何影响这一关键系统绪论海洋与地球气候的核心作用海洋的基本功能气候调节器海洋覆盖地球表面约71%的面积，储存了地球气候系统90%以海洋具有极高的热容量，能够吸收、储存和释放大量热能，缓上的热量和30%的二氧化碳，是全球最大的热量储存库和碳解气温变化，平衡全球热量分布汇全球物质循环气候系统连接器海洋参与全球水循环、碳循环和能量循环，通过环流系统输送海洋环流连接全球各个区域，将热带热量输送至高纬度地区，物质和能量，维持地球系统平衡调节全球温度分布，影响天气模式世界海洋分布与主要特征大洋名称面积百万平方公里平均深度米最大深度米特征太平洋

165.24,28011,034最大洋盆，占海洋总面积46%大西洋

86.53,9268,486南北狭长，有明显的中洋脊印度洋

73.43,9637,450北部受季风影响显著南大洋

20.34,5007,235环绕南极洲，南极绕极流北冰洋

14.11,2055,450大部分被冰覆盖，低盐度海洋环流的定义及分类总览按驱动力分类按深度分类•风生环流由风应力驱动•表层环流0-200米深度•温差环流由密度差异驱动•次表层环流200-1000米•潮汐环流由天体引力驱动•深层环流1000-4000米•底层环流4000米以下按尺度分类•大尺度环流全球尺度•中尺度环流区域尺度•小尺度环流局地尺度全球主要海洋环流系统分布图北半球环流系统赤道环流系统北半球主要环流呈顺时针方向，包括北赤道地区形成独特的环流系统，包括北太平洋环流和北大西洋环流，其中墨西赤道流、南赤道流和赤道逆流，在东西哥湾流和日本黑潮是重要西边界流方向上输送大量水体和热量极地环流系统南半球环流系统南极绕极流是地球上最强大的洋流，环南半球主要环流呈逆时针方向，包括南绕南极洲流动，北冰洋环流则受冰盖影太平洋环流、南大西洋环流和印度洋环响呈现复杂循环模式流，受南半球盛行西风驱动环流与气候基础联系热量再分配海洋环流将低纬度吸收的热量输送到高纬度地区，平衡全球热量分布，减少赤道与极地的温度差异影响大气循环海洋环流影响海表温度分布，进而影响大气环流模式，塑造全球和区域气候带调节水循环通过蒸发和降水过程，海洋环流参与全球水循环，影响降水格局和淡水资源分布碳循环参与者海洋环流吸收和储存大气中的二氧化碳，参与全球碳循环，调节大气温室气体浓度，影响全球气候变化物理基础科里奥利力科里奥利力定义科里奥利力在环流中的作用科里奥利力是地球自转产生的表观力，它使北半球的流体向右偏科里奥利力导致大洋环流在北半球形成顺时针环流，南半球形成转，南半球向左偏转这一力是理解大尺度海洋环流形成的关键逆时针环流这解释了为何西边界流（如墨西哥湾流）强于东边物理基础界流（如加那利寒流）科里奥利参数计算公式为f=2Ω·sinφ，其中Ω是地球自转角速科里奥利力还是地转平衡的重要组成部分，与压力梯度力共同作度，φ是纬度在赤道处f=0，随着纬度增加而增大，在极点达用，形成沿等压线流动的地转流在大尺度海洋环流中，地转平到最大值衡是海水水平运动的主要平衡状态物理基础压力梯度力与摩擦力力平衡作用环流动力学核心是多种力的平衡压力梯度力由海水密度差异和海表高度差异产生摩擦力海水内部、边界和大气交界面的阻力多力共同作用科里奥利力、压力梯度力、摩擦力综合平衡压力梯度力是海洋环流的主要驱动力之一，由海水密度差异和海表高度差异产生海水密度受温度和盐度影响，形成密度梯度，进而产生压力梯度热膨胀和淡水输入也会引起海表高度差异，产生压力梯度力摩擦力主要来自两个方面内摩擦和边界摩擦内摩擦是海水分子间的黏性力；边界摩擦包括与海底和海岸的摩擦以及风应力所产生的表面摩擦这些力共同调节海洋环流的强度和结构大洋环流的驱动力体系风应力驱动大气环流产生的风应力是表层环流的主要驱动力热盐驱动温度和盐度差异产生的密度梯度驱动深层环流潮汐驱动月球和太阳引力产生的潮汐作用驱动局部混合风应力驱动是表层海洋环流的主要动力来源，全球盛行风带（信风带、西风带等）通过摩擦力将动量传递给海洋表层，形成大尺度的风生环流系统这一机制主要影响海洋上层200米的水体运动热盐环流（温差环流）是由海水温度和盐度差异引起的密度变化驱动的在高纬度地区，海水冷却和/或盐度增加导致密度增大，进而下沉，形成深层环流这一过程是全球大洋输送带的关键驱动力，影响从表层到海底的整个水体运动温差流与风生环流的区别风生环流温差环流（热盐环流）•驱动力风应力•驱动力温度和盐度引起的密度差异•影响深度主要在表层（0-200米）•影响深度从表层到深海（可达数千米）•流速相对较快（10-100厘米/秒）•流速相对较慢（1-10厘米/秒）•时间尺度季节至年际变化•时间尺度数十年至千年尺度•方向受科里奥利力影响明显，形成环状•方向多为经向（南北向）运动•代表副热带环流、赤道环流•代表大西洋经向翻转环流（AMOC）表层洋流特点与成因200平均深度（米）表层洋流主要影响上层200米水体30平均流速（厘米/秒）西边界流可达150厘米/秒40%热量传输比例表层洋流输送全球40%的热量50主要环流系统数量全球各大洋共有约50个主要表层环流表层洋流主要由风应力驱动，并受到科里奥利力、压力梯度力和摩擦力的共同影响在北半球，这些力的平衡导致环流呈顺时针方向；在南半球则呈逆时针方向典型表层环流包括赤道流系、西边界流和东边界流表层洋流对全球气候系统具有重要影响，它们输送大量热量和水汽，调节全球温度分布如墨西哥湾流将大量热量从热带输送到北大西洋，使西欧气候比同纬度其他地区温暖得多表层洋流的变化也直接影响区域气候特征和极端天气事件的发生频率深层洋流大洋输送带概述北大西洋深水形成格陵兰海和拉布拉多海区域的表层水冷却增密，下沉形成北大西洋深层水深层水向南传输北大西洋深层水在2000-4000米深度向南流动，经过赤道区域进入南大洋南极绕极深层环流深层水在南极洲周围与南极底层水混合，加入南极绕极流系统印度洋和太平洋上升深层水逐渐上升到印度洋和太平洋的表层，完成垂直循环表层回流通过表层环流系统，水体最终回到北大西洋，完成全球输送带循环洋流的四大类型及举例西边界流东边界流赤道流系位于大洋盆地西侧的强劲暖位于大洋盆地东侧的缓慢寒沿赤道方向运动的流系，包括流，流速快、流量大，宽度流，流速慢、流量小，宽度向西流动的北赤道流和南赤道窄典型代表有墨西哥湾流广典型代表有加那利寒流流，以及在它们之间向东流动（北大西洋）、黑潮（北太平（北大西洋）、加利福尼亚寒的赤道逆流受赤道东风带驱洋）、巴西流（南大西洋）和流（北太平洋）、本格拉寒流动，是热带海区重要的水平环东澳大利亚流（南太平洋）（南大西洋）和秘鲁寒流（南流系统太平洋）环形流围绕特定区域循环流动的洋流，如南极绕极流和北极环流其中南极绕极流是地球上最强大的洋流，环绕南极洲流动，连通三大洋盆西边界流（如墨西哥湾流）东边界流（如加利福尼亚寒流）东边界流特征加利福尼亚寒流案例与西边界流相反，东边界流通常流速缓慢（约10-30厘米/秒），作为北太平洋副热带环流东边界的加利福尼亚寒流，从阿拉斯加宽度广（200-1000公里），流量较小（约10-30个斯维德鲁湾南下沿美国西海岸流动它将冷水南运，导致沿岸地区（如旧普）东边界流多为寒流，将高纬度冷水向低纬度输送金山、洛杉矶）夏季气温明显低于同纬度内陆地区上升流与生物生产力气候影响东边界流区域常伴随沿岸上升流现象，将富含营养盐的深层水带东边界流的存在使得沿岸地区气候凉爽干燥，常形成沿海雾区，至表层，支持高生物生产力这使得东边界流区域成为世界上最如美国加州沿岸和智利中北部海岸这些地区的降水模式和植被重要的渔场之一，如秘鲁寒流和本格拉寒流区域分布都受到海洋环流的显著影响南北赤道逆流赤道洋流系统结构形成机制与物理性质赤道地区的洋流系统主要由向西流动的北赤道流和南赤道流，以赤道逆流的形成与信风带的风应力场和赤道上升流有密切关系及它们之间向东流动的赤道逆流组成这一独特的三带流结构是在北半球和南半球信风带之间的赤道辐合带，风应力旋度为正，热带地区海洋环流的典型特征，在大西洋、太平洋和印度洋均有根据斯韦德鲁普理论，产生向东的流动分布赤道逆流的强度受季节变化影响显著在北半球夏季，随着信风北赤道流位于约8°N-20°N之间，南赤道流位于约3°N-20°S之北移，赤道逆流增强；而冬季则相对减弱在厄尔尼诺期间，太间，而赤道逆流则主要集中在3°N-10°N的区域这些流系的位平洋赤道逆流异常增强，将大量暖水向东输送，影响全球气候系置随季节有所变化，特别是在受季风影响的印度洋北部统副热带环流与副极地环流副热带环流是各大洋中最大的环流系统，位于约15°-45°纬度间，在北半球呈顺时针方向旋转，南半球呈逆时针方向这些环流由东风带和西风带共同驱动，具有明显的西向强化特征，即西边界流强而窄，东边界流弱而宽副极地环流位于45°-60°纬度之间，在北半球呈逆时针方向，南半球呈顺时针方向它们主要由西风带和极地东风带驱动形成与副热带环流不同，副极地环流区域常有深层水形成过程，如北大西洋副极地环流的拉布拉多海和格陵兰海区域是北大西洋深层水的主要形成区，对全球热盐环流有重要影响赤道暖流与赤道逆流作用太平洋赤道流系大西洋赤道流系印度洋季风环流太平洋赤道流系包括北赤道流、南赤道流大西洋赤道流系结构与太平洋类似，但流印度洋赤道流系受季风影响显著，表现出和赤道逆流南赤道流强度约为25-35量较小南赤道流分为两支，其中一支向明显的季节变化夏季西南季风期间，索Sv，流速约30-50cm/s；北赤道流强度北流入加勒比海，最终形成墨西哥湾流；马里洋流北上，形成强烈的上升流；冬季为10-15Sv，流速较低；赤道逆流强度约另一支向南转入巴西流大西洋赤道流系东北季风期间，流向反转这种季节性变25Sv，是太平洋热带海区热量传输的重要是巴西东北部和西非气候的重要影响因化对印度次大陆的降雨模式有重要影响通道素风力环流动力学基础风应力输入风通过表面摩擦向海洋传递动量艾克曼层响应科里奥利力导致流向偏转形成螺旋艾克曼输运表层水体整体向风向右侧北半球运动地转平衡压力梯度力与科里奥利力达成平衡风力环流的动力学基础是风应力通过表面摩擦向海洋传递动量风应力τ与风速W的关系可表示为τ=ρCdW²，其中ρ是空气密度，Cd是拖曳系数风应力的空间分布—主要是风应力旋度curlτ—决定了大尺度环流的结构根据斯韦德鲁普理论，风应力旋度驱动海洋垂直环流，进而通过地转调整形成水平环流在副热带海区，负的风应力旋度导致埃克曼抽吸，形成中心为下沉区的反气旋式环流；在副极地海区，正的风应力旋度导致艾克曼辐散，形成中心为上升区的气旋式环流风应力与经向输运（艾克曼输运）表层风应力科里奥利偏转盛行风通过表面摩擦力向海洋传递动量，是艾地球自转导致海水运动方向偏转，北半球向克曼输运的起始驱动力右，南半球向左净输运方向垂直结构变化整个艾克曼层的净输运方向与风向成90°角，随深度增加，流向继续偏转，流速指数衰减，北半球向右，南半球向左形成艾克曼螺旋艾克曼输运是理解大尺度海洋环流的关键概念根据艾克曼理论，在稳定风场下，表层海水的净输运方向与风向成90°角北半球向风向右侧，南半球向风向左侧艾克曼输运量Me=τ/f，其中τ是风应力，f是科里奥利参数这一理论解释了副热带高压区域（信风带）的辐散和低压区域（西风带）的辐合现象，进而解释了大洋中副热带环流和副极地环流的形成机制艾克曼输运的辐散和辐合导致海表高度的变化，产生压力梯度，在地转平衡下形成大尺度地转流，即我们观测到的洋流系统艾克曼螺线与上升流下沉流/艾克曼螺线结构沿岸上升流与下沉流艾克曼螺线描述了风驱动下海洋表层的流速分布在理想状态沿岸上升流和下沉流是艾克曼输运在海岸边界处的重要应用当下，表层流动方向与风向成45°角（北半球向右），随着深度增风平行于海岸吹拂时，艾克曼输运可能导致表层水体离岸或向岸加，流向继续偏转，流速减小，形成螺旋状结构运动在北半球，当风使海岸位于其左侧时（如北美西海岸的北风），表层水体向离岸方向输运，导致深层水上升补充表层水艾克曼层深度约为DE=π√2A/f，其中A是垂直涡动黏性系体，形成上升流数，f是科里奥利参数在中纬度地区，艾克曼层深度约为50-100米，随纬度增加而减小在整个艾克曼层内，水体的净输运相反，当风使海岸位于其右侧时，表层水体向岸输运，在海岸处方向与风向垂直下沉，形成下沉流上升流区域带来富含营养盐的深层水，通常具有高生物生产力，是重要的渔场；而下沉流区域则相对贫营养，生物生产力较低塞格纳效应与西边界强化理论效应原理β科里奥利参数随纬度变化位涡守恒水柱北移时相对涡度增加边界条件西边界处摩擦力平衡位涡变化环流不对称西边界强化、东边界弱化塞格纳效应（又称西边界强化理论）是解释大洋环流不对称分布的重要理论，由美国海洋学家Henry Stommel于1948年首次提出这一理论的核心是β效应——科里奥利参数f随纬度变化（f=2Ωsinφ），在数学上表示为β=df/dy，其中y是向北的距离根据位涡守恒原理，当水团在北半球向北移动时，由于f值增加，其相对涡度必须为负以保持位涡守恒；相反，水团向南移动时，相对涡度必须为正这一机制在西边界处产生强劲的窄流（如墨西哥湾流），在东边界处形成缓慢的宽流（如加那利寒流），从而解释了大洋环流中观测到的显著不对称现象海表高度、温度异常与环流变异海表高度测量海表温度异常中尺度涡旋活动卫星测高可以精确测量全球海表高度异海表温度异常（SST Anomaly）是实际温卫星观测揭示海洋充满中尺度涡旋（直径常，反映海洋动力学地形动力学海表高度与气候平均态的偏差，反映海洋热状态约50-200公里）这些海洋天气系统具度与地转平衡相关，表明洋流方向与强变化SST异常影响大气环流，进而反馈有显著的海表高度和温度特征，在大洋环度高的海表面区域（如西太平洋暖池）影响海洋环流例如，赤道太平洋的暖流变异中扮演重要角色涡旋通过横向混周围形成顺时针环流，低海表面区域周围SST异常（厄尔尼诺事件）减弱信风，削合和垂直输送影响大尺度环流，它们的频形成逆时针环流弱赤道上升流，进一步增强暖异常率和强度可反映环流系统的稳定性变化环流对热量分布的作用

1.5PW全球海洋热输送峰值海洋在北纬24度输送热量达

1.5拍瓦30%与大气热输送比例低纬度区域海洋输送占总量约30%

1.2°C北大西洋温度贡献墨西哥湾流使西欧温度升高约

1.2度93%全球增温海洋吸收比例海洋吸收了气候系统93%的增加热量海洋环流是地球气候系统中热量再分配的关键机制表层环流将大量太阳辐射热从低纬度输送到高纬度，减缓极地与赤道的温度梯度在北大西洋，墨西哥湾流北上输送的热量使西欧气候比同纬度的北美东部和亚洲显著温暖，展示了海洋环流对区域气候的塑造作用深层环流也在全球热量平衡中扮演重要角色，尤其是在长时间尺度上北大西洋深水形成过程向深海输送热量，而在印度洋和太平洋的广泛上升区域，深层水带来的热量又回到表层系统这种大洋输送带的变化可能导致气候系统的长期变化，如北大西洋经向翻转环流的减弱被认为与过去快速气候变化事件有关洋流与全球能量收支海洋环流对气候的短期调节效果季节性调节年际变化•海洋热容量大，温度变化滞后于•厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）循大气环•夏季吸收热量，冬季释放热量•北大西洋涛动（NAO）与欧洲冬季气候•减缓沿海地区季节温差•印度洋偶极子与亚洲降水•调节季风循环强度和持续时间•太平洋十年涛动的早期阶段极端事件调节•减缓热浪强度（沿海地区）•影响热带气旋发展和路径•参与干旱和洪水事件的形成•海洋热浪对局地气候的影响（厄尔尼诺拉尼娜）机制及影响ENSO/正常态厄尔尼诺事件拉尼娜事件ENSO在正常状态下，太平洋赤道地区盛行信厄尔尼诺期间，信风减弱或反转，西太拉尼娜是厄尔尼诺的相反相位信风异风将表层暖水推向西太平洋，形成暖池平洋暖水东移，东太平洋上升流减弱常增强，将更多暖水推向西太平洋东东太平洋沿岸发生上升流，将冷水带赤道太平洋东部海温异常升高，海平面太平洋上升流增强，海温异常降低沃到表层海表温度呈现东冷西暖格局，东西差异减小沃克环流减弱，降水带克环流增强，西太平洋降水增加海平面东低西高东移全球影响与厄尔尼诺基本相反南美西大气中形成沃克环流西太平洋上升气全球影响包括南美西海岸降雨增加引部干旱；澳大利亚和印尼降雨增加；印流带来降雨，东太平洋下沉气流形成干发洪水；印尼和澳大利亚东部干旱；印度季风增强；北美南部干旱，北部寒燥气候这一正反馈系统保持稳定的太度季风减弱；北美南部湿冷，北部温暖冷；全球平均温度下降拉尼娜事件通平洋气候状态干燥；全球平均温度上升典型厄尔尼常持续时间更长，可达1-3年诺事件持续9-12个月，每2-7年发生一次北大西洋涛动（）NAONAO正相位气候影响（正相位）冰岛低压和亚速尔高压增强，压力梯度加大，西北欧温暖湿润，地中海干燥，美东温暖，格陵兰风带北移并增强寒冷干燥气候影响（负相位）NAO负相位北欧寒冷干燥，地中海多雨，美东寒冷，格陵兰冰岛低压和亚速尔高压减弱，压力梯度减小，西温暖多雨风带南移并减弱北大西洋涛动（NAO）是北半球中高纬度地区最主要的大气环流模态，表现为冰岛低压系统与亚速尔高压系统之间的大气压力摆动NAO指数定义为这两个压力中心标准化海平面气压差异，反映北大西洋地区大气质量的南北再分配NAO与北大西洋环流有着密切的相互作用NAO正相位时，增强的西风带加速北大西洋环流，增强墨西哥湾流向北输送热量的能力；NAO负相位时，西风减弱，海洋热量输送减少研究表明，海洋表层温度异常也能反过来影响NAO强度和持续性，形成复杂的海-气反馈机制这种相互作用对欧洲和北美气候的季节性预测至关重要南方涛动（）与气候关系SOISOI正值（拉尼娜倾向）大气压力达尔文低，塔希提高信风增强，暖水堆积在西太平洋澳大利亚、印尼降水增加东太平洋上升流增强，渔业生产力高SOI接近零（中性状态）大气压力接近正常分布信风强度正常太平洋温度梯度处于平均状态降水格局接近气候平均态SOI负值（厄尔尼诺倾向）大气压力达尔文高，塔希提低信风减弱或反转暖水东移，东太平洋海温升高秘鲁、厄瓜多尔降水增加，澳大利亚干旱南方涛动（SOI）是测量太平洋上空大气压力波动的指标，通常计算为达尔文（澳大利亚北部）和塔希提岛（南太平洋）之间标准化的气压差异SOI与厄尔尼诺现象密切相关，共同构成ENSO（厄尔尼诺-南方涛动）气候系统南方涛动代表大气响应，而厄尔尼诺/拉尼娜则代表海洋变化SOI变化与全球多个地区的降水和温度异常有显著关联例如，SOI负值期间（厄尔尼诺倾向），澳大利亚东部往往面临干旱，而南美西部则降水增加；印度夏季风减弱，东非降水增加这些远距离关联（远程相关）为季节性气候预测提供了重要依据，尤其对农业和水资源管理具有实用价值北极涛动（）与极地影响AOAO正相位极地低压加强，中纬度高压加强，压力梯度增大环极西风带增强并向北移动，将寒冷空气限制在极地地区北半球中高纬度地区气温偏高，降水减少海洋-冰层-大气相互作用AO影响北极海冰覆盖和厚度；海冰变化反过来影响北极地区热量交换和大气环流海表温度异常影响大气边界层稳定性和热通量，进而影响AO强度和持续性AO负相位极地低压减弱，压力梯度减小环极西风带减弱并南移，允许寒冷极地空气向中纬度地区入侵北半球中高纬度地区经历寒冷冬季，降雪增加，风暴路径南移气候变化背景下的演变近几十年AO表现出向正相位的趋势，可能与全球变暖和北极增温放大有关这一变化影响北极海冰减少、永久冻土融化和陆地生态系统变化海洋环流变化对干旱和暴雨的影响海洋环流通过改变大气环流格局和水汽输送路径，显著影响全球干旱和暴雨事件的分布、频率和强度例如，太平洋十年涛动（PDO）的相位变化与北美西部长期干湿循环密切相关，正相位期间加利福尼亚降水减少，阿拉斯加和加拿大西部降水增加印度洋偶极子（IOD）是另一个重要的海洋气候模态，对东非、印度次大陆和澳大利亚的降水有显著影响正相位IOD通常导致东非降水增加，而澳大利亚东部降水减少大西洋多十年涛动（AMO）则影响北美和欧洲的干旱周期，以及加勒比海和撒哈拉地区的降水模式理解这些海洋-大气耦合系统对改进干旱和洪水的季节性预测至关重要利用卫星遥感监测海洋环流测高卫星热红外卫星微波卫星散射计测高卫星如Jason系列和AVHRR和MODIS等热红微波遥感器（如AMSR-卫星散射计测量海表风Sentinel-6通过雷达测量外传感器监测海表温度，E）能够穿透云层观测海场，提供驱动海洋环流的海表高度，精度可达几厘分辨率高但受云层影响表温度和盐度海表盐度风应力数据通过长期风米海表高度反映海洋动海表温度是追踪海洋锋观测对于监测淡水通量、场观测，可研究风生环流力学地形，通过地转关系面、暖流路径和上升流区蒸发-降水平衡以及河流变化和季节性转换风场可推算表层环流这些卫域的重要指标通过连续径流影响至关重要，这些数据还用于改进海洋环流星能够监测大尺度环流变观测海表温度变化，可识因素都会影响区域环流强数值模式的边界条件化、中尺度涡旋和海平面别厄尔尼诺等气候模态度上升浮标与自动化观测网格Argo浮标系统水下滑翔机Argo是全球海洋观测的核心系统，由约4000个自动剖面浮标组成，覆水下滑翔机是一种可控的自主水下航行器，能够通过改变浮力和姿态在盖全球海洋每个浮标在1000-2000米深度漂移10天，然后上升至表海洋中滑翔与Argo浮标相比，滑翔机可以沿预定路径行进，适合观层，同时测量温度、盐度和压力剖面，数据通过卫星实时传输Argo测特定区域如西边界流和沿岸水域现代滑翔机可搭载多种传感器，测系统首次实现了对大洋内部的全球、实时和高质量观测量生物地球化学参数和湍流等锚系浮标网络生物平台观测锚系浮标固定在特定位置，提供连续时间序列观测全球热带锚系浮标将微型传感器附着在海洋动物（如海象、海豹和鲸鱼）上，利用它们的阵列（如TAO/TRITON和PIRATA）是监测热带太平洋和大西洋上层海迁徙行为采集难以到达区域的海洋数据这种生物平台特别适合极地洋动力学和热力学过程的关键系统，对ENSO预测至关重要深海锚系和季节性冰覆盖区域的观测，提供了这些关键区域独特的高分辨率数则提供关键区域如西边界流和深水形成区的长期观测据海洋数值模拟基本原理控制方程组基于Navier-Stokes方程和物质守恒定律空间离散化将连续空间划分为计算网格时间积分通过数值方法逐步求解时间演化参数化过程模拟次网格尺度物理过程海洋数值模拟基于流体力学和热力学基本定律，主要包括动量守恒方程（考虑科里奥利力、压力梯度力和摩擦力）、连续性方程（质量守恒）、能量守恒方程和状态方程这些方程组成一个非线性偏微分方程组，通常没有解析解，需要通过数值方法求解模型分辨率是关键考虑因素全球模式分辨率从1°（约100公里）到1/12°（约10公里）不等，区域模式分辨率可达1公里以下由于计算限制，无法直接模拟所有尺度的运动，需要通过参数化方案表示次网格尺度过程（如湍流混合、对流和波浪作用）边界条件（如大气强迫、河流输入）和初始条件对模拟结果也有重要影响典型全球海洋模式（如、）NEMO MOM模式名称开发机构核心特性典型应用分辨率范围NEMO欧洲联合开发模块化结构，多种垂直坐标气候预测，业务预报1°至1/36°MOM美国地球流体力学实验室高度灵活配置，多种参数化长期气候模拟1°至1/10°HYCOM美国海军研究实验室混合坐标系，适应复杂地形军事应用，涡旋研究1/12°至1/25°POP美国国家大气研究中心高效并行计算，形状保持传输耦合气候模拟1°至1/10°FESOM德国阿尔弗雷德·韦格纳研究所非结构网格，区域加密能力极地过程，全球-区域嵌套可变（约1-100公里）观测与模拟结果对比实例表层环流对比深层环流对比卫星测高观测与高分辨率海洋模型在表层环流模式上展现出良好与表层环流相比，深层环流的观测数据更为稀少，主要依赖于深一致性模型成功捕捉了主要洋流（如墨西哥湾流和黑潮）的位海锚系和ARGO浮标大多数模型能够合理再现大西洋经向翻转置和强度然而，对于中尺度涡旋活动，即使是1/12°分辨率的环流（AMOC）的大尺度结构，但在强度和深度上存在显著差模型也低估了涡旋能量，特别是在强流区域的涡旋脱落过程异观测表明AMOC在

26.5°N的强度约为

18.5±

1.0Sv，而模型结果从15Sv到22Sv不等NEMO模型在墨西哥湾流离岸位置预测上存在约100公里的系统深层西边界流的路径和强度在不同模型间差异较大，这主要受垂性偏差，而HYCOM模型对墨西哥湾流路径变异性的模拟更为准直混合参数化和地形影响新一代模型通过改进垂直分辨率和混确这些差异主要来自底部地形表示和边界层参数化方案的不合方案，减小了与观测的差距，但在极地地区和下沉过程的模拟同上仍有明显不足现代观测结果北半球环流变化趋势北太平洋环流变化北大西洋环流变化黑潮延伸体表现出向北偏移趋势，与北北大西洋经向翻转环流（AMOC）观测太平洋副热带环流整体北移一致阿拉显示2004-2012年减弱约10-15%，之后斯加环流增强，北太平洋中部反气旋环有所恢复墨西哥湾流位置北移约

0.8-流扩大加利福尼亚寒流夏季上升流增

1.0°/十年，同时强度略有增加强变化驱动因素北冰洋环流变化观测到的变化与多种因素有关人为气波弗特环流近30年显著增强并扩大约候变化的强迫信号；多十年自然变率20%，这与海冰减少和风应力增加有（如AMO和PDO）；极地区域的冰-海关大西洋水入侵路径东移，导致欧亚洋-大气相互作用变化盆地沿边增暖现代观测结果南半球环流变化趋势西风带南移与增强卫星和气象观测表明南半球西风带在过去40年向南移动约2-3°，同时强度增加约15-20%这种变化主要归因于臭氧洞和温室气体增加的综合影响南极绕极流响应南极绕极流（ACC）对西风带变化表现出复杂响应流量增加不显著（＜5%），但位置向南移动约

0.5-1°，与理论预期较小这种涡旋饱和状态表上升流与碳吸收明增加的风能主要被中尺度涡旋吸收南大洋上升流区域扩大约10%，深层水上升增强这影响了南大洋碳吸收能力，1990-2000年碳吸收减弱，但2000年后又有所增强，展示出复杂的十年冰架相互作用际变化暖深层水在南极半岛和西南极地区向南输送增强，导致冰架底部融化加速东南极沿岸上升流变化不显著，区域差异明显这些变化对未来海平面上升预测有重要影响气候变化背景下的海洋环流响应全球变暖对深层输送带的潜在影响北大西洋深水形成减弱南大洋深层环流调整全球影响与反馈•格陵兰冰盖融化增加淡水输入•西风带南移影响上升流位置•全球热量再分配格局改变•北极海冰减少改变热量交换•海冰减少改变底层水形成•碳循环与吸收能力变化•高纬度降水增加降低表层盐度•水团性质变化（温度、盐度）•生物地球化学循环和养分供应影响•模型预测形成率减少约30-50%•深层水上升与表层水下沉平衡改变•深海生态系统面临的挑战极端气候事件中的环流异常案例年欧洲热浪年俄罗斯热浪年泰国特大洪水2003201020112003年夏季欧洲经历了有记录以来最严重2010年俄罗斯西部经历了史无前例的热2011年泰国遭遇了有记录以来最严重的洪的热浪之一，导致约7万人死亡研究表浪，莫斯科连续33天气温超过30°C这一水，影响1400万人，经济损失超过450亿明，墨西哥湾流位置异常北移和强度增加事件与极端负北极涛动相关，同时北大西美元这一事件与拉尼娜状态和正印度洋是重要贡献因素环流异常导致大西洋阻洋环流异常形成持久的欧亚大陆阻塞高偶极子共同作用有关这些海洋环流异常塞高压系统增强并持续时间延长，抑制了压分析表明北冰洋海冰减少和喀拉海海增强了夏季季风强度，同时改变了水汽输云形成并增加了地表感热温异常升高增加了热浪的强度和持续性送路径，导致泰国北部和中部降水异常增加200-300%极端事件对生态系统的作用珊瑚礁白化海洋热浪导致大规模珊瑚白化事件渔业资源变动上升流改变影响鱼类分布和产量有害藻华爆发海洋环流异常引发毒藻大规模繁殖食物网重组营养盐输送变化导致生态系统结构调整缺氧区扩张层化增强限制氧气交换导致生物窒息海洋极端事件与环流异常密切相关，对海洋生态系统产生多方面影响例如，2014-2016年北太平洋暖斑事件由异常的大气高压和环流减弱导致，海表温度升高4-5°C，持续近三年这一事件导致东北太平洋生态系统发生显著变化浮游植物群落由硅藻向甲藻转变，有害藻华发生频率增加50%以上，鲑鱼等商业鱼类产量下降30-80%厄尔尼诺事件对全球海洋生态系统的影响尤为广泛通过改变上升流强度和水团分布，厄尔尼诺事件可导致整个生态系统的级联反应在秘鲁沿岸，上升流减弱导致鳀鱼等小型浮游食性鱼类减少90%以上，进而影响海鸟和海洋哺乳动物种群珊瑚礁生态系统对海洋热浪特别敏感，1998年、2010年和2016年全球珊瑚白化事件都与厄尔尼诺引起的海洋环流异常有关以西北太平洋为例台风与环流耦合黑潮影响台风黑潮及其延伸体作为高温高能量通道，为台风提供热量和水汽来源，强化台风强度台风过境黑潮区域时，强度可增加1-2个等级中尺度涡旋作用暖涡增强台风，冷涡削弱台风黑潮延伸体区域丰富的中尺度涡旋活动影响台风强度变化和路径研究表明台风在穿越暖涡时强度可增加30%以上台风反馈环流台风通过风应力和混合作用反馈影响海洋环流强台风可引起25-50米深的混合层，将深层冷水带到表层，形成冷尾迹，持续数天至数周气候变化背景西北太平洋环流格局变化影响台风活动黑潮北移和增温，暖池区扩大，潜在影响台风生成位置和强度台风路径北移趋势与环流变化相关联以南极洲为例极地环流变动与气候南极绕极流的关键作用南大洋环流变化趋势及影响南极绕极流（ACC）是地球上最强大的洋流，流量约为150-170过去几十年观测表明，南半球西风带向南移动并增强，这主要归个斯维德鲁普（Sv），相当于1500个亚马逊河的流量它将太因于平流层臭氧损耗和温室气体增加西风带变化驱动ACC位平洋、大西洋和印度洋连接起来，形成一个全球性的环流系统，置略微南移，但强度增加不明显，这种涡旋饱和状态表明增加对热量、碳和其他物质的全球分布起着关键作用的风能主要被中尺度涡旋吸收ACC在气候系统中扮演着隔离墙和混合器的双重角色一方南大洋碳吸收表现出明显的十年际变化1990-2000年碳吸收面，它阻隔了中纬度暖水向南极大陆的输送，维持了南极洲的低减弱，这与增强的上升流将富碳深层水带至表层有关；而2000温环境；另一方面，通过强烈的涡旋混合，促进了深层水与表层年后碳吸收又有所增强，可能与表层层化增加和生物泵变化有水的垂直交换，这对全球碳循环和气候调节至关重要关南大洋环流变化还通过前锋门控机制影响南极冰架底部融化，进而影响全球海平面上升人类活动对区域环流的影响举例大坝建设影响河口环流沿海城市化影响近岸环流长江三峡大坝建成后，长江入海淡水通量的季节性分布发生变化，夏季大规模沿海开发和填海造陆改变了海岸线形态和底部地形，直接影响近减少约15%，冬季增加约20%这种变化削弱了东海陆架环流的季节性岸环流格局以渤海湾为例，天津港扩建和周边填海工程导致局地环流差异，影响了上升流强度，改变了营养盐输送，进而影响了渔业资源减弱约30%，滞留时间延长，加剧了海湾污染物累积和富营养化问题同时，淡水输入减少导致长江口盐水入侵频率增加人工构筑物也改变了潮流场，影响沉积物运输和海岸演变热污染影响局地环流海上石油开发的影响沿海电厂和工业设施的冷却水排放形成温度异常区，改变局地密度场和海上石油平台等大型设施可干扰局地环流，形成涡旋和尾流墨西哥湾环流结构研究表明，大型核电站冷却水排放可在数公里范围内形成密集的石油平台群对区域环流有累积效应，研究表明它们可减弱近底层

0.5-

2.0°C的温度异常，导致局地层化加强和垂直混合减弱这种变化流速5-15%，影响沉积物运输过程开采活动产生的泄漏物质（如油和影响浮游生物群落结构和初级生产力分布气）通过改变表面张力和波浪特性，间接影响风生环流未来研究前沿高分辨模拟与预警亚中尺度过程模拟数据同化与预报系统气候拐点预测未来模型将达到1公里甚至更高分辨率，能先进的四维变分同化和集合卡尔曼滤波技术识别和预测海洋环流系统潜在的拐点（如够解析亚中尺度过程（如前锋不稳定性、内将整合多源观测数据，显著提高海洋状态估AMOC崩溃、南极冰架不稳定性）是未来研波和小尺度涡旋）这些过程对垂直混合和计的准确性基于这些技术的业务化海洋预究重点新一代耦合模型将结合古气候记录能量级联至关重要，但在当前模型中主要依报系统将提供从天到年尺度的环流预测，支和现代观测，通过先进的统计方法和机器学靠参数化高分辨率模拟将显著改进对上升持航运、渔业、海洋灾害预警等应用卫习技术，寻找环流系统即将发生快速变化的流、层化和混合的表示，提高对生物地球化星、浮标和新型传感器网络的扩展将为同化早期预警信号这些研究对制定气候适应策学过程和生态系统响应的预测能力系统提供更丰富的实时数据略和评估地球工程方案至关重要新技术无人船、大数据在环流监AI测中的应用自主无人船监测系统新一代自主无人船ASV可在恶劣海况下长期工作，搭载多传感器系统连续监测海洋环流先进的太阳能和波浪能技术使其可持续运行6-12个月例如，美国海翼号和中国海燕号无人艇已实现远程操控跨洋监测，可自动调整航线跟踪关键环流特征如涡旋和锋面这些平台成本仅为传统调查船的1/10，大规模部署可显著提高观测覆盖率大数据融合与数字孪生海洋大数据技术将整合卫星、浮标、船舶和模型输出等多源异构数据通过分布式存储和云计算实现PB级数据的高效处理机器学习算法可从复杂数据中识别环流模式和变化趋势，填补观测空白数字海洋孪生项目将创建高精度虚拟海洋环境，实时同化观测数据，实现从分子到全球尺度的无缝连接模拟，为理解环流系统变化提供新视角人工智能预测技术深度学习模型如卷积神经网络和长短期记忆网络在海洋环流预测中展现出优越性能AI模型可从历史数据中学习环流系统的非线性动力学特征，实现更准确的短期预测研究表明，在ENSO预测中，AI模型超越了传统动力模型，提前6-9个月预测准确率达80%以上混合模型架构结合物理约束和数据驱动方法，将成为海洋环流变化研究的新范式国际合作与数据共享平台简介全球海洋观测系统海洋数据共享平台国际研究计划国际实地考察全球海洋观测系统GOOS是由世界海洋数据中心WDC和海世界气候研究计划WCRP下的全球海洋船舶观测系统GO-联合国教科文组织政府间海洋学洋生物地理信息系统OBIS是主气候与海洋-变异性、可预测性SHIP组织高精度、全水深的跨委员会IOC协调的国际合作框要的海洋数据存储库，采用开放和变化CLIVAR项目是协调全洋断面重复观测，提供不可替代架，整合了86个国家和地区的海获取原则和标准化格式存储和分球海洋环流研究的主要框架南的深海环流数据国际极地年洋观测资源GOOS通过Argo发数据区域数据中心如欧洲海大洋观测系统SOOS和热带太IPY和国际南极环带维持观测浮标、卫星观测、船舶测量和固洋观测与数据网络EMODnet平洋观测系统TPOS-2020等ASAP等大型多国协作项目集定站点等多种平台，形成全球协和亚太海洋数据中心AODN提区域计划则聚焦特定海区的系统中资源开展针对关键海区的集中调的海洋观测网络，提供高质供更详细的区域观测数据这些观测这些国际合作项目通过协观测这些大型国际实地考察不量、持续的海洋环境数据，支持平台共同实施一次收集，多次调观测活动、组织科学研讨会和仅获取宝贵数据，也培训新一代气候研究和预测使用的原则，显著提高了海洋促进数据共享，推动海洋环流研海洋科学家，促进国际团队合数据的可获取性和可用性究的快速发展作课程回顾与知识结构梳理环流与气候系统的整体认识理解海洋环流在全球气候系统中的核心作用环流动力学机制掌握海洋环流的物理基础和形成原理观测技术与数据分析了解环流监测方法和观测结果解读数值模拟与预测理解海洋模型原理和应用环流变化与人类活动认识气候变化背景下环流系统的响应本课程从基础概念到前沿研究，系统介绍了海洋环流的形成机制、分类特征、观测方法、模拟技术以及与气候系统的相互作用我们探讨了从物理海洋学基础理论到实际观测结果，从传统监测手段到现代先进技术，从区域环流特征到全球尺度变化趋势理解海洋环流不仅需要掌握流体力学和热力学基本原理，还需要认识海-气-冰-陆相互作用的复杂性课程强调了跨学科视角的重要性，包括物理海洋学、气象学、地球化学和生态学等多领域知识的融合通过案例分析和数据解读，培养了分析问题和解决问题的能力，为未来深入研究或应用奠定基础结语面向未来的展望与重要问题关键科学问题海洋环流研究仍面临诸多基础科学问题环流系统响应外部强迫的非线性特征与阈值效应；中小尺度过程对大尺度环流的反馈作用；深层环流与碳循环的耦合机制；极地环流变化与冰盖稳定性的关系等这些问题需要新理论、新方法和新技术的突破技术发展机遇未来海洋环流研究将受益于观测技术的革命性进步新型生物地球化学传感器网络实现全球覆盖；卫星测高进入厘米级精度时代；深海观测技术突破极端环境限制；高性能计算支持百米级全球模拟；人工智能辅助数据分析提取复杂模式等这些技术突破将深化我们对海洋环流的认识科学与政策衔接海洋环流研究需要更好地服务于社会需求和政策制定为IPCC评估提供更可靠的科学依据；支持蓝碳等基于海洋的气候解决方案；开发适应性管理工具应对海洋环境变化；增强极端事件早期预警能力；促进海洋空间规划的科学决策等科学与政策的有效衔接是未来发展的重要方向人才培养与科普培养跨学科海洋气候人才是未来研究的基础需要加强多学科交叉培养，提升数据科学和计算能力，强化国际交流与合作同时，向公众普及海洋环流与气候关系的科学知识，提高全社会对海洋环境保护和气候变化应对的认识，形成科学共识和行动合力。