大洋环流和海气相互作用的数值模拟
海洋环境中流体动力学的数值模拟方法
海洋环境中流体动力学的数值模拟方法引言流体动力学是研究流体运动和力学性质的学科，广泛应用于海洋科学领域。
海洋环境中的流体动力学问题包括海浪、潮流、洋流等多种现象。
为了更好地理解和预测这些现象，数值模拟方法成为研究者们的重要工具。
本文将介绍海洋环境中流体动力学的数值模拟方法及其应用。
流体动力学基础在介绍数值模拟方法之前，首先简要介绍一些流体动力学的基本概念。
流体动力学基于连续介质假设，将流体视为连续一致的介质。
流体运动可以通过质量守恒、动量守恒和能量守恒三个基本方程描述。
质量守恒方程质量守恒方程描述了流体质量的变化情况。
在海洋环境中，质量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial \\rho}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0 $$其中，$\\rho$是流体密度，$\\mathbf{v}$是流体速度矢量，$\\frac{{\\partial}}{{\\partial t}}$表示时间导数，$\ abla \\cdot$表示散度操作。
动量守恒方程动量守恒方程描述了流体动量的变化情况。
在海洋环境中，动量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial \\rho \\mathbf{v}}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho\\mathbf{v} \\mathbf{v}) = -\ abla p + \\rho \\mathbf{g} + \\mu \ abla^2\\mathbf{v} $$其中，p是流体压强，$\\mathbf{g}$是重力加速度，$\\mu$是流体的粘度系数，abla2表示拉普拉斯算子。
能量守恒方程能量守恒方程描述了流体能量的变化情况。
在海洋环境中，能量守恒方程可以写作:$$ \\frac{{\\partial (\\rho E)}}{{\\partial t}} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v} E) = -\ abla \\cdot (\\mathbf{v} p) + \ abla \\cdot (\\mu \ abla \\mathbf{v}) + \ abla \\cdot (\\mathbf{q} - \\mathbf{v} \\cdot \\mathbf{q}) $$其中，$\\rho E$是单位体积的总能量，$\\mathbf{q}$是热通量矢量。
《南海海洋环流与海气相互作用》随笔
《南海海洋环流与海气相互作用》阅读记录目录一、内容综述 (2)1.1 研究背景与意义 (3)1.2 研究内容与方法 (4)二、南海海洋环流概述 (5)2.1 南海海洋环流的基本特征 (6)2.2 南海海洋环流的主要动力与机制 (7)三、南海海气相互作用 (8)3.1 海气相互作用的基本概念 (9)3.2 海气相互作用的主要过程与现象 (10)四、南海海洋环流与海气相互作用的关联 (11)4.1 海洋环流对海气相互作用的影响 (12)4.2 海气相互作用对海洋环流的影响 (13)五、南海海洋环流与海气相互作用的数值模拟研究 (14)5.1 数值模拟方法与模型介绍 (16)5.2 模拟结果分析与讨论 (17)六、南海海洋环流与海气相互作用的研究展望 (18)6.1 现有研究的不足与局限性 (19)6.2 未来研究的方向与展望 (20)七、结论 (22)7.1 主要研究成果与结论 (23)7.2 对后续研究的建议 (24)一、内容综述《南海海洋环流与海气相互作用》是一部深入探索南海海洋环流现象及其与大气之间相互作用的学术著作。
全书以科学的视角，系统的分析方法，详细阐述了南海海洋环流的形成机制、演变过程以及其与海气相互作用的复杂机制。
在阅读过程中，我了解到南海海洋环流是受到多种因素共同影响的结果，包括地球自转、地形地貌、季节变化等。
这些因素的相互作用导致了南海海洋环流的复杂性和多样性，书中还对南海海洋环流对气候变化的影响进行了深入探讨，阐述了南海海洋环流在全球气候系统中的重要作用。
书中还特别强调了海气相互作用的重要性，南海海洋环流不仅影响海洋本身的环境和生态系统，还通过海气相互作用对全球气候产生影响。
这种相互作用表现在海洋对大气温度、湿度、风速等气象要素的影响，以及大气对海洋环流、海洋环境等的影响。
这种复杂的相互作用关系对于理解全球气候变化、预测自然灾害等具有重要意义。
在阅读过程中，我还了解到南海海洋环流和海气相互作用的研究对于人类社会的发展和进步具有重要意义。
南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用
南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用前言随着人类对于南大洋研究的不断地深入，南大洋在全球气象系统中的重要地位也不断地得到认识。
海洋是气候系统的关键组成部分之一，它吸收太阳辐射并用于加热大气，有力地驱动了大气环流。
南大洋是地球上生物生产量最大的海域，在过去气候变化以及当前和未来由人类活动引起的气候变化中都起着关键作用。
南大洋是世界上盐度最高和最冷水团的生成地，这些水团对于全球的环流变化、气候变化产生重要的作用。
作为世界上最古老的水团之一，位于南极底层的南极底层水是全球热盐输送的一个重要引擎，而且与北大西洋底层水的相互作用被认为是两半球温盐的跷跷板（Didier 等，2009）。
在南极西风带的控制至之下，南大洋产生了南极绕极流，有研究证明它是全球海洋翻转流的主要驱动力。
国内研究的现状借助观测和模拟，唐建成（2005）认为南极冰雪范围、表面特征（主要是反射率）的年际变化对全球水汽环流的强度、全球热平衡和气候变化如温度、降水分布都有明显的影响，是全球变化最重要因子之一。
南大洋不仅可以通过影响越赤道气流改变东亚夏季风的强度，南极底层水和南极绕极水可以有力地调节着全球的热量和能量分布。
南极冰雪区是地球系统的最大冷源和全球水汽环流热力发动机的主要冷极之一。
南极海冰的存在，不仅可以提高下垫面的反照率，而且阻隔海气热量的交换。
在全球变暖的背景下，一旦南极海冰融化，将会降低下垫面的反照率，海洋吸收更多的能量，海冰进一步融化。
但南极海冰的变化与北极逐渐减少不同的是逐年增加，然而对增加的成因却无定论。
进入20世纪30到50年代，极地研究进入了一个新阶段，所涉及的研究范围和领域也更加广泛。
海冰模型的不断进步也推进南极研究的不断前进。
早期的海冰的热动力空间一维模拟浮冰内的垂直热量输送过程，Parkinsion et al 将这一模型应用到南北极区域，以此来计算大气-海冰的相互作用。
Stossel et al 对南极的海冰研究发现，南极底层水的形成速率取决于海冰的过程，尤其是盐分的排放。
大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义
大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义大洋环流和海气相互作用是指海洋的运动与大气的运动之间的相互作用关系。
这种相互作用是地球气候系统中重要的组成部分，对气候和天气的形成和演化起着至关重要的作用。
为了更好地理解大洋环流和海气相互作用的机理和过程，科学家们通过数值模拟的方法研究和预测这一现象。
本文将介绍大洋环流和海气相互作用的数值模拟方法，并提供一些相关参考内容。
一、大洋环流和海气相互作用的数值模拟方法大洋环流和海气相互作用的数值模拟方法主要包括以下几个步骤：1. 收集和整理观测数据：通过收集和整理现有的海洋、大气和地球表层观测数据，获取海洋和大气的初始条件和边界条件。
2. 建立数值模型：建立海洋和大气的数值模型，通过数值方法描述和模拟海洋和大气的运动、湍流、热量和动量交换等过程。
常用的数值模型包括海洋环流模型（Ocean General Circulation Model，OGCM）和大气环流模型（Atmospheric General Circulation Model，AGCM）。
3. 模型初值与边界条件设置：将观测数据中获取的初始条件和边界条件作为数值模型的输入，确定模拟的起始状态和边界特征。
4. 数值实验和参数调整：通过对数值模型进行实验和参数调整，模拟和重现大洋环流和海气相互作用的过程和特征。
这一过程需要多次实验和参数调整，以提高数值模拟结果的准确性和可靠性。
5. 结果验证和分析：对数值模拟结果进行验证和分析，与观测数据进行对比，评估数值模拟结果的可信度和有效性。
对结果进行统计分析和诊断，确定大洋环流和海气相互作用的主要特征和机理。
二、相关参考内容1. Modeling the Ocean Circulation: Numerical models for ocean circulation can be classified into different types according to their resolutions, physical parameterizations, and computational approaches. This reference provides an overview of the models used for simulating ocean circulation and their applications in understanding the interaction between ocean circulation and the atmosphere.2. Atmospheric General Circulation Models: This reference introduces the principles and applications of atmospheric general circulation models, which are crucial in simulating the atmospheric circulation and its interaction with the ocean. It discusses the different components and parameterizations used in atmospheric models and provides insights into their limitations and uncertainties.3. Ocean General Circulation Models: Ocean general circulation models simulate the ocean's physical processes and theirinteractions with the atmosphere. This reference summarizes the development and applications of ocean general circulation models, including their representation of oceanic processes, numerical methods, and parameterizations. It also discusses the challenges and future directions in modeling ocean circulation.4. Coupled Ocean-Atmosphere Models: Coupled ocean-atmosphere models are used to simulate the interactions between the ocean and the atmosphere. This reference describes the development and applications of coupled models, including their coupling techniques, initialization methods, and parameterizations. It also discusses the role of coupled models in climate prediction and the challenges in simulating the feedbacks between the ocean and the atmosphere.5. Evaluation of Coupled Ocean-Atmosphere Models: The evaluation of coupled ocean-atmosphere models is essential to assess their performance and accuracy. This reference discusses the methodologies and metrics used to evaluate the simulations of ocean and atmosphere interactions, including the validation against observations and the assessment of the model's ability to reproduce known climate phenomena.以上是大洋环流和海气相互作用的数值模拟讲义的相关参考内容。
大气环流大洋环流海—气相互作用
海洋输送热量给大气，大 气环流输送到高纬。
海洋输送热量＜大气输热
课堂小结：
全球水热平衡
大洋 环流 海洋
水热交换
大气 环流
大气
探究活动一:读取A、B两海区的水温。
赤 27℃ 道 C
30℃
30℃
22℃
27℃
22℃
D
A
B
E
F
G.T.沃克
赤道
J.皮耶克尼斯 30℃ 22℃
A
B
一、沃克环流
水温高，气压低， 气流上升
堆积下沉， 形成深厚的暖水层
水温低，气压高， 气流下沉 信风
赤 道 暖 流
上升流
秘鲁 寒流
太平洋中、东侧：晴朗、干燥； 太平洋西侧：多雨、湿润.
赤道
C 27℃
30℃
D
A30℃
22℃
27℃
B
E2Biblioteka ℃F赤道C
27℃ 30℃
D
A
30℃
22℃
27℃
B
E
22℃
F
思考： （1）若东、西部温 差变为0，沃克环流是否还能存在呢？ （2）若东部的海水温度大于西部的，沃克环流将 是怎样的呢？ （3）若东、 西部温差变小时，又将怎样变化呢？
三、拉尼娜现象
拉尼娜期间大气环流
赤道中、东太平洋表层海水异常低温， 下沉气流加强，沿岸更加干旱。 西部海区上升气流加强，沿岸更加湿润
三、拉尼娜现象
1、含义：指赤道附近太平洋中东部的海 2、影响：（对赤道附近太平洋东西部）
面温度异常降低的现象。拉尼娜现象一般出 现在厄尔尼诺现象之后。
西部：洪灾
东部：旱灾
林并称地球的两叶肺）
海气作用ppt 中图版
风 风
东北信风带
低纬环流
副热带高压带
纬
地
赤道低压带 副极地低压带 极地高压带
三圈环流图
海洋与陆地的 物理性质不同
一月
冰岛 低压
海洋与陆地对大 气加热的差异
西伯利亚高压 副 蒙古 极 -地 低 气 压 带 阿留申 低压
产生季 风环流
60N
大 西 洋
七月 亚速尔
高压
太
亚欧大陆 副 亚洲（印度）低压 热 带 高 气 压 带
2.海--气相互作用与全球热平衡
0°-30°N： 海洋输送热量 > 大气输热 30°N以北： 大气输送热量 > 海洋输热 50°N附近： 海洋输送热量给大气，大气环流
输送到高纬 通过海—气的相互作用和对热量的 全球输送,维持了地球上的热量平衡。
小结：
海-气相互作用------水热平衡 高低纬间环流
水的三相态，包括吸热或放热的形态变化
二、海---气间热量交换及影响因素
？海—气间是如何进行热量交换的？
储存在海洋表层的热 热量交换的方式： 海水吸收了到达地面 量被以 潜热（海水的蒸发 的大部分太阳辐射而增温， 海洋 大气：蒸发潜热 使海水失去热量，这些热量 并把其中85%的热量储存 随水汽进入大气中。当水汽 在海洋表层（混合层）； 大气 海洋：风力使海水运动 凝结时，将它从海洋吸收的 大 同时也通过长波辐射的形 气 、长波辐 热量释放出来） 式，将部分热量传递给大 逆 气。 射等形式传输给大气，从 长 辐 射 而实现了海—气间热量交 注：海洋对大气的作用是 波 换。这些热量驱动了大气 辐 热力的，大气对海洋的作用是 的运动，反过来，大气又以 射 动力的。 风力的形式推动海水运动。
2.海洋使大气温度变化比较和缓 (日 较差与年较差小) .
南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用
南大洋海-冰-气相互作用在全球气候系统中的作用前言随着人类对于南大洋研究的不断地深入，南大洋在全球气象系统中的重要地位也不断地得到认识。
海洋是气候系统的关键组成部分之一，它吸收太阳辐射并用于加热大气，有力地驱动了大气环流。
南大洋是地球上生物生产量最大的海域，在过去气候变化以及当前和未来由人类活动引起的气候变化中都起着关键作用。
南大洋是世界上盐度最高和最冷水团的生成地，这些水团对于全球的环流变化、气候变化产生重要的作用。
作为世界上最古老的水团之一，位于南极底层的南极底层水是全球热盐输送的一个重要引擎，而且与北大西洋底层水的相互作用被认为是两半球温盐的跷跷板（Didier 等，2009）。
在南极西风带的控制至之下，南大洋产生了南极绕极流，有研究证明它是全球海洋翻转流的主要驱动力。
国内研究的现状借助观测和模拟，唐建成（2005）认为南极冰雪范围、表面特征（主要是反射率）的年际变化对全球水汽环流的强度、全球热平衡和气候变化如温度、降水分布都有明显的影响，是全球变化最重要因子之一。
南大洋不仅可以通过影响越赤道气流改变东亚夏季风的强度，南极底层水和南极绕极水可以有力地调节着全球的热量和能量分布。
南极冰雪区是地球系统的最大冷源和全球水汽环流热力发动机的主要冷极之一。
南极海冰的存在，不仅可以提高下垫面的反照率，而且阻隔海气热量的交换。
在全球变暖的背景下，一旦南极海冰融化，将会降低下垫面的反照率，海洋吸收更多的能量，海冰进一步融化。
但南极海冰的变化与北极逐渐减少不同的是逐年增加，然而对增加的成因却无定论。
进入20世纪30到50年代，极地研究进入了一个新阶段，所涉及的研究范围和领域也更加广泛。
海冰模型的不断进步也推进南极研究的不断前进。
早期的海冰的热动力空间一维模拟浮冰内的垂直热量输送过程，Parkinsion et al 将这一模型应用到南北极区域，以此来计算大气-海冰的相互作用。
Stossel et al 对南极的海冰研究发现，南极底层水的形成速率取决于海冰的过程，尤其是盐分的排放。
海气相互作用表现
海气相互作用表现海洋和大气是地球上两个最重要的组成部分，它们之间的相互作用对于全球气候和环境的影响至关重要。
海气相互作用是指海洋和大气之间的物理、化学和生物过程，这些过程相互作用形成了海洋和大气的复杂耦合系统。
本文将探讨海气相互作用的表现，包括海洋表面温度、海洋表面风、海气气候模式、海洋生态系统和气象灾害等方面。
海洋表面温度海洋表面温度是海气相互作用的重要表现之一。
海洋表面温度是指海洋表面的温度，它受到大气温度、太阳辐射、海洋流和海洋混合等因素的影响。
海洋表面温度对于大气环流、海洋环流和气候变化有着重要的影响。
例如，热带海洋表面温度升高会引起热带风暴和台风的形成，而北极海洋表面温度下降会导致北极冰盖的扩张。
海洋表面风海洋表面风是海气相互作用的另一个重要表现。
海洋表面风是指海洋表面的风速和风向，它受到大气压力、地球自转、海洋表面温度和地形等因素的影响。
海洋表面风对于海洋环流、气候变化和海洋生态系统有着重要的影响。
例如，赤道附近的东北贸易风和东南贸易风是赤道海洋环流的主要驱动力，而南极洲周围的西风带则是南极洋环流的主要驱动力。
海气气候模式海气气候模式是用来模拟海气相互作用的数学模型。
海气气候模式基于物理、化学和生物过程，模拟海洋和大气的相互作用，并预测气候变化和海洋环境的演变。
海气气候模式对于预测气候变化、海洋环境变化和灾害风险等方面有着重要的应用价值。
例如，通过海气气候模式可以预测未来海洋表面温度和海洋表面风的变化趋势，进而预测未来的台风频率和路径。
海洋生态系统海洋生态系统是海气相互作用的重要结果之一。
海洋生态系统是指海洋中的生物和生态系统，它们受到海洋环境和气候变化的影响。
海洋生态系统对于全球生态系统和人类生存有着重要的影响。
例如，海洋生态系统可以吸收大量的二氧化碳，减缓全球气候变化的速度，而海洋生态系统的破坏会导致海洋生物资源的枯竭和生态平衡的破坏。
气象灾害气象灾害是海气相互作用的一种负面表现。
大洋环流和海气相互作用的数值模拟
大洋环流和海气相互作用的数值模拟（研究生课程讲义第二稿）中国科学院大气物理所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG)全球海气耦合模式课题组2007年9月大洋环流和海气相互作用的数值模拟前言张学洪(zxh@)“大洋环流和海气相互作用的数值模拟”是中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点试验室（LASG）全球海气耦合模式课题组集体开设的一门研究生课程，可以看作“气候数值模拟”的入门课程之一。
自上世纪80年代末以来，这个课题组一直从事于LASG/IAP大洋环流数值模式和海洋—大气耦合模式的发展、改进、应用和评估等方面的研究工作，这个过程是和课题组成员对大洋环流和海气相互作用的观测事实和动力学理论的学习和理解相结合进行的。
Robert, H. Stewart在他的《Introduction to Physical Oceanography》一书中说：“Data, numerical models, and theory are all necessary to understand the ocean. Eventually, an understanding of the ocean-atmosphere-land system will lead to predictions of future states of the system”（图P1）。
的确，在海洋—大气耦合系统的研究中，观测、理论和数值模式三者是缺一不可的，而“understanding”则是整个链条的核心环节。
我们自己的经验也表明，模式发展一定要和观测、理论研究相结合，模式进步的基础在于“understanding”。
所以，本课程的侧重点虽然是“数值模拟”，但也力图将观测和理论结合进来，以期选修本课程的研究生（无论他们将来从事模式发展还是模式应用）在学习有关入门知识的同时，也能对以上的道理有所领悟。
海洋物理学中的数值模拟技术
海洋物理学中的数值模拟技术一、引言海洋环境是一个复杂、多元、动态变化的系统，受到各种因素的影响，如气候、地形、洋流等，因此研究海洋环境需要深入了解其本质和规律。
而海洋物理学中的数值模拟技术就是一种重要的研究手段，可以模拟和预测海洋环境在时间和空间上的变化规律，对深入研究海洋环境具有重要意义。
二、数值模拟技术在海洋物理学中的应用1. 求解海洋的物理方程海洋物理学研究的基础是海洋的物理方程，如运动方程、连续方程、热方程和盐度方程等。
数值模拟技术可以通过数值方法求解这些方程，从而得到海洋环境的时间和空间变化规律。
例如，通过有限元方法求解三维流场方程，可以分析海洋中悬浮粒子在洋流中的输运和漂移等问题。
2. 模拟海洋气象系统海洋环境中的气象系统对海洋环境具有重要影响，例如风、降雨、气温等。
数值模拟技术可以模拟这些变化规律，从而更好地理解气象系统对海洋环境的影响。
例如，通过三维数值模拟模拟海洋中的风场，可以分析风场对海浪、暖流、深层水体混合和湍流等变化的影响。
3. 模拟海洋环境中的化学和生物过程海洋环境中的生物和化学过程对海洋环境具有重要影响，例如浮游生物的分布和漂移、海洋中溶解氧的分布等。
数值模拟技术可以模拟这些变化规律，从而更好地理解海洋生态系统和化学循环的作用。
例如，通过研究海洋中的有机碳、游离氮、磷酸盐等物质在垂直方向上的转化和迁移规律，可以深入了解海洋中生物活动的机理和本质。
三、数值模拟技术的方法和技术1. 海洋数值模拟方法海洋物理学中的数值模拟方法包括有限元法、有限差分法、谱方法等。
有限元法和有限差分法是比较常见和广泛应用的数值模拟方法，可以用于求解海洋环境中的物理和化学变化规律。
而谱方法则更适用于模拟海洋中比较复杂的流场和物理过程。
2. 数值模拟技术的软件和工具海洋物理学中的数值模拟技术需要借助计算机软件和工具来实现。
例如，MATLAB、Fortran、C++等编程语言经常用于编写数值模拟程序，Adams、COMSOL、FLUENT、Gambit等数值模拟软件则是比较常用的数值模拟软件。
海洋学中的海洋环流研究
海洋学中的海洋环流研究海洋环流是指大洋中水体在不同地区之间发生的运动。
它是海洋学的重要研究领域，对于了解地球的物理环境、气候变化、水生生物分布等方面都有着重要意义。
本文将介绍海洋环流的研究内容、方法和意义。
一、研究内容海洋环流研究的内容主要包括以下几个方面：1. 海洋水圈循环研究：海洋是地球上最大的水库，其中包括了深海、洋底和地表的全部海水，在全球范围内形成了一个巨大的水圈系统。
海水的循环对于地球大气、陆地和海洋之间能量和物质交换起着重要的作用。
2. 海洋大循环研究：海洋环流受到多种各异的驱动力的影响，包括海水密度、地球自转、风力、潮汐、巨大的洋流等。
海洋大循环是研究海洋中流体的主要特征之一，它包括纬向环流和经向环流两种。
其中纬向环流主要由海洋中的西风漂流和极地水体的深层循环所驱动，而经向环流则由海洋中的盛行风、热带热带振荡和赤道海洋振荡等因素所驱动。
3. 海洋环境变化研究：数据表明，海洋环境变化将对全球气候系统产生重大影响。
在人类通过化石燃料等方式释放的二氧化碳增加的情况下，海水中的溶解二氧化碳浓度也在逐渐升高，从而导致海水酸化、海平面上升、洋流位移等海洋环境变化问题的出现，而研究这些问题的发生和演变规律，可以为生态保护和环境治理提供一些依据。
二、研究方法海洋环流的研究主要采用实物观测和数值模拟两种方法。
实物观测手段包括船载和浮标观测、遥感和卫星数据等，是研究海洋环流的主要手段之一。
目前，全球大洋覆盖有数千个漂浮球和碟形浮标，不仅采集了海洋运动、温度、盐度、氧气含量等多种海洋数据，还为深入研究海洋环流机制提供了有力的数据支撑。
数值模拟则是一种较为先进的研究方法，它可以利用计算机模拟实验的方法，以海洋动力学原理为基础，重现不同地理条件下海洋环流的移动规律。
数值模拟方法不仅能够预测某一地区的海洋环流运动情况，而且可以模拟出全球范围的海流模型，以及不同时间尺度上的海洋环流变化。
三、研究意义海洋环流的研究对于人类来说具有极为重要的意义。
课件2：4.1 海—气相互作用及其影响
海—气相互作用
★ 海—气间相互作用与水热交换 ★ 海—气间相互作用与水热平衡
海—气相互作ห้องสมุดไป่ตู้——水分交换
水汽凝结
海洋是大气中水汽的 最主要来源（86％）
海
大
水
气 低纬海区和有暖流经
蒸 发
降 水
过的海区，水分交换
比较活跃
海洋
海—气相互作用——热量交换
长波 辐射
长 波 辐 射
海—气相互作用——水热平衡
• 不同纬度海洋对大气加热 • 海陆对大气加热
高低纬间环流
季风环流
海—气热力作用 气—海动力作用
大气环流
方向基本 一致
大洋环流
大气环流与大洋环流驱使水热在不同地区传输， 维持地球水热平衡。
3
5
4
6
湖
7
98
2 1
海洋
海—气相互作用——水平衡
• 通过海上内循环和海陆间循环等水体循环流动， 使全球蒸发，降水达到平衡。
海洋是大 气最主要 的热量储 存库
潜热输送 水汽凝结 海大 水气 蒸降 发水
海洋
海—气相互作用 —海洋对大气温度的调节作用
海洋上的气温变化有滞后效应. 海洋使大气温度变化比较缓和(日较 差与年较差小)
海—气间相互作用归纳
★ 海洋是大气中水汽的主要来源 ★ 海洋是大气最主要的热量储存库 ★ 海洋对大气温度具有调节作用 ★ 海洋是地球表层最大的碳储存库 ★ 海-气之间氧气交换（海洋与森林并称地球 的两叶肺）
6.下列属于浮游生物不丰富地区的是
A. 寒暖流交汇处
B. 冷海水上泛的地方
C. 江河入海口
D. 下降洋流处
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大洋环流和海气相互作用的数值模拟（研究生课程讲义第二稿）中国科学院大气物理所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室（LASG)全球海气耦合模式课题组2007年9月大洋环流和海气相互作用的数值模拟前言张学洪(zxh@)“大洋环流和海气相互作用的数值模拟”是中国科学院大气物理研究所（IAP）大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点试验室（LASG）全球海气耦合模式课题组集体开设的一门研究生课程，可以看作“气候数值模拟”的入门课程之一。
自上世纪80年代末以来，这个课题组一直从事于LASG/IAP大洋环流数值模式和海洋—大气耦合模式的发展、改进、应用和评估等方面的研究工作，这个过程是和课题组成员对大洋环流和海气相互作用的观测事实和动力学理论的学习和理解相结合进行的。
Robert, H. Stewart在他的《Introduction to Physical Oceanography》一书中说：“Data, numerical models, and theory are all necessary to understand the ocean. Eventually, an understanding of the ocean-atmosphere-land system will lead to predictions of future states of the system”（图P1）。
的确，在海洋—大气耦合系统的研究中，观测、理论和数值模式三者是缺一不可的，而“understanding”则是整个链条的核心环节。
我们自己的经验也表明，模式发展一定要和观测、理论研究相结合，模式进步的基础在于“understanding”。
所以，本课程的侧重点虽然是“数值模拟”，但也力图将观测和理论结合进来，以期选修本课程的研究生（无论他们将来从事模式发展还是模式应用）在学习有关入门知识的同时，也能对以上的道理有所领悟。
图P1. 观测、数值模式、理论、“understanding”和预测之间的关系（引自Stewart,2004）本课程设计的思路是：利用海洋环流模式和海气耦合模式的模拟结果，结合观测资料，诠释大洋环流和海气相互作用的基本概念和动力学理论，重点分析当代气候数值模拟中几个受关注程度较大的问题，同时介绍有关模式设计和模式评估的初步知识。
课程包括以下十二讲：第一讲热带太平洋SST，赤道流系，温跃层和海表高度第二讲风生环流的Sverdrup理论第三讲风应力，热通量，淡水通量第四讲大洋环流模式设计初步第五讲海洋模式中的参数化过程第六讲云对海气相互作用的影响第七讲ENSO的数值模拟第八讲印度尼西亚贯穿流的模拟第九讲中高纬度海气相互作用第十讲大洋热盐环流第十一讲海冰及其数值模拟第十二讲全球变暖的模拟其中，第一、二、六、七讲侧重讨论热带太平洋的问题，特别是和ENSO 有关的海洋环流和海气相互作用问题，这里‘热带太平洋’通常是指太平洋在30°N—30°S之间的部分（图P2）。
第八讲介绍从热带太平洋到印度洋的输送，即印度尼西亚贯穿流。
第九讲讨论中高纬度海气相互作用和热带海气相互作用的区别和联系。
第十讲（热盐环流）、第十一讲（海冰）和第十二讲（全球变暖）讨论的问题有很强的相互关联，它们都将涉及到中高纬海洋，特别是北大西洋、北冰洋和南大洋（图P2）。
第三、四、五讲介绍有关大洋环流模式的基础知识。
图P2. 大洋的划分（基于Levitus (1982) 的Fig. 122）。
赤道附近的西太平洋和印度洋是连通的，它们的分界线取在澳大利亚以北130°E附近，大致在阿拉弗拉海（Arafura Sea，属西太平洋）和帝汶海（Timor Sea，属印度洋）之间（详见第八讲）。
南半球中高纬度是三大洋相互联系的通道，称为‘南大洋’，除南太平洋东部外，南大洋的北界大部位于38°—42°S之间（刘改有，1989）。
南太平洋和南大西洋的分界线位于67°16′W，即通过南美洲合恩角（Cape Horn）至南极大陆的经线；南太平洋和南印度洋的分界线位于146°15′E，即通过塔斯马尼亚（Tasmania）岛东南角至南极大陆的经线；图中给出的是它们的大致位置。
北冰洋（Arctic Sea）和北大西洋之间以北极圈（66° 33′ 39″）为界（详见第十一讲）。
这份讲义是在2006年讲义（第一稿）的基础上修改和补充而成的，可以为选修这门课的研究生提供一份涵盖课程基本内容的参考材料。
为使其在教学实践中得到不断改进，热诚欢迎读者的批评、指正和提出修改建议。
参考文献Stewart, R.H., 2004: Introduction to Physical Oceanography, pdf version, available at /education/common/notes/PDF_files/book_pdf_files.html. Levitus, S., 1982: Climatological Atlas of the world Ocean, NOAA Professional Paper 13, U.S.Government Printing Office, Washington, D.C., 173pp.刘改有，1989：海洋地理，北京师范大学出版社，313页。
大洋环流和海气相互作用的数值模拟第一讲 热带太平洋SST ，赤道流系，温跃层和海表高度张学洪 (zxh@ )1.1. 热带太平洋 SST热带海洋是大气水分的主要来源，向大气提供热量的主要方式是蒸发潜热，而水汽凝结释放潜热对大气环流（全球风系）有重要的驱动作用。
反过来，风又可以通过驱动洋流和控制海气热交换来影响海面温度（SST ）。
由于SST 在很大程度上控制着海洋向大气输送水分的空间分布和强度，它本身又受到海气相互作用的强烈影响，因而成为联结大气和海洋的最重要的变量。
对于气候模式来说，SST 是单独大气模式的下边界条件，也是检验海洋模式和海气耦合模式能力的第一指标。
因此，关于海洋环流和海气相互作用的讨论可以从了解SST 开始。
图1.1. 热带太平洋年平均SST 和风应力（SST 单位：ºC ；风应力单位：dyn/cm 2. 资料来源：da Silva et al., 1994） 图1.1是热带太平洋年平均SST 和风应力的气候分布，主要的暖水区是西太平洋暖池（warm pool ）和热带辐合带（ITCZ ），主要的冷水区位于太平洋东岸，其中从秘鲁沿岸向赤道伸展的冷舌（cold tongue ）和西太平洋暖池形成鲜明的对比，赤道暖池区的SST 比冷舌区高3ºC 以上。
为了了解造成暖池和冷舌差别的原因，我们来考察海水位温方程和相应的海表边界条件：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂-∂∂-∂∂-=∂∂z T z z T w y T v x T u t T κ (1.1) ↓==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Q c 1z T p00z ρκ (1.2) 其中T 是海水的位温，u, v, w 是洋流速度的三个分量，κ是垂直湍流扩散系数，ρ0和c p 分别是海水的密度和定压比热，Q ↓是净的海表热通量（向下为正）注1。
注1这里使用的是位温方程和海表边界条件的简化形式，有关问题将在第三讲和第四讲讨论。
略去局地变化项，利用海表边界条件可得到海洋表层的热平衡方程：⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡∂∂++∂∂=-=↓Δz z 1p o 1z T Δz κz T w y T v x T u c ρΔz Q ∂∂∂∂ （1.3） 其中∆z 1是海洋模式表层的厚度，T 是表层的平均位温，也就是模式的“SST ”。
（1.3）式意味着：对于年平均气候状态来说，净的海表热通量的加热（或冷却）作用应当和海洋内部的水平平流、垂直平流和“扩散”等过程所产生的动力冷却（或加热）作用相互平衡，而表层海温（即SST ）的年平均气候分布就是由这种热量平衡关系决定的。
表1.1. 赤道暖池区（2︒S-2︒N, 160︒-180︒E ）和冷舌区（2︒S-2︒N,110︒-150︒W ）区域平均的SST ，净向下的海表热通量Q ↓，和温跃层深度DTC 的气候平均值.（资料来源：SST 和Q ↓基于da Silva et al., 1994，DTC 基于Behringer et al., 1998）.SST （ºC ） Q ↓（W/m 2） DTC （m ） 赤道冷舌区25.8 85 94 赤道暖池区 28.8 36 163由（1.3）式结合表1.1可以看出：1）赤道冷舌区和暖池区都获得了正的海表热通量，因而赤道海洋的动力过程是起冷却作用的；2）冷舌区得到的海表热通量远大于暖池区，而SST 却明显地低于后者，说明冷舌区海洋的动力冷却作用比暖池区强得多。
对这些事实的理解需要关于海洋环流和海表热通量的知识。
1.2. 太平洋赤道流系在热带地区，海洋环流对SST 的影响主要是通过风应力驱动的上层洋流来实现的。
除东西边界附近以外，热带太平洋内区的洋流具有带状结构，向东和向西的洋流呈交错分布，构成了“赤道流系”（Equatorial Current System ）。
图 1.2. 海洋环流模式LICOM1.0模拟的热带太平洋年平均表层洋流（1980-2001年的平均结果；单位：cm/s ，未填色部分的流速小于5 cm/s ）. 图1.2是LICOM （LASG/IAP Climate system Ocean Model ）1.0版本（刘海龙等，2004）模拟的热带太平洋年平均表层洋流的分布，其中主要的西向流是南赤道流（SEC ：South Equatorial Current ）和北赤道流（NEC ：North EquatorialCurrent）。
SEC控制着15ºS—4ºN的宽广范围。
在赤道附近，SEC具有显著的辐散特征，且赤道上是流速的极小值带，故SEC又可以分为北、南两个分支，分别记作SEC（N）和SEC（S）。
与SEC的辐散特征相对应的赤道上升流是冷舌形成的主要原因。
NEC则主要位于赤道以北10º-20ºN之间。
SEC和NEC都是直接由信风驱动的洋流，能很快地响应风的变化。
最强的NEC和SEC分别出现在北半球冬季和南半球冬季，分别是东北信风和东南信风最强盛的季节。
在赤道以北，SEC（N）和NEC之间存在着一支逆风而动的东向流，这就是北赤道逆流（NECC：North Equatorial Countercurrent），大体位置在3º-10ºN之间。