[科普中国]-海-气相互作用

研究目的

近年来人们日益认识到海气相互作用是长期天气和气候变化的重要因素，也是研究和预报海洋状况的关键，因而在这方面气象和海洋学家都作了大量研究。海洋和大气是作为一个藕合系统起作用的，海气相互作用发生在整个时空尺度谱中：大气和海洋边界层中的微尺度， 和风暴系统有关的天气尺度，和常称作遥相关的世界范围影响有关的季节和年尺度；以及从几年到冰期，且贯穿地质年代的气候尺度。

海洋对大气的影响主要在于它向大气输送热量和水汽，输送的速率则主要取决于洋面温度及大气边界层中的风以及温度和湿度的垂直分布。而大气对海洋的作用主要表现为动量的输送以及云量对辐射的调节。因此，作为海气相互作用的要素，海洋和大气之间的热量、水汽和动量通量一直是海气相互作用研究的主要目标。1

理论分析长期数值预报研究小组设计了一个海气相互作用模式，在热力学的相互作用方面，在海气交界面上海洋除接受到太阳辐射外，也向大气提供蒸发潜热，同时通过湍流向表层以下海水输送热量；在动力学的相互作用方面，由大气中行星波的涡度控制云量，通过云量调节海面所接受到的太阳辐射量。

对这个模式中所包含运动的频率分析指出，在大气中将出现两类性质完全不同的运动：一类是两组非绝热行星波，其振荡频率如右图所示，图中虚线是正压情况下的绝热行星波频率，可见海气相互作用对这类运动的频率影响不大。另一类非绝热行星波中的一组是发展的，另一组则是阻尼的， 对波长约六千公里的波，发展波的增长率约一个星期增长到e倍。值得注意的是另一类运动，当波长为六千公里时，其振荡频率约0.5 x l0-6/ 秒，即相当周期约三个月。 这类长周期波，当波长大于五千公里后是发展的，增长率约一个月增长e 倍。同时上面的计算还表明，至少对特征时间大于行星波周期的长期过程，存在着大气运动向海温适应的阶段，适应时间不到一个月。这说明在大气运动和海洋加热这一对相互制约的矛盾对立体中，对于长期过程来说，海洋加热场在一个阶段中可以是矛盾的主要方面，大气的长周期运动将受海洋加热的制约。2

应用海气相互作用的主要方向和变化通常认为，大气和海洋平均来说处于稳定层结。但实际上，大气和海洋中，在同一高度上，流体块的密度是不同的，由此产生有效位能，这主要是非绝热的结果。此外，层结流体中任何局地的垂直运动都引起质量的重新分布，从而产生有效位能的变化。除了潮汐力和内部摩擦消耗外，大气和海洋的总动能还能由有效位能的相应变化或边界上的摩擦来改变。这两种过程的效率在大气和海洋这两种介质中是不同的。在大气这一产生动能的热机中，边界摩擦项要小一个量级，而上层海洋的洋流运动则主要通过海气交界面的摩擦来产生。对洋流来说，与其说它是由密度水平变化所产生，还不如说是它产生了密度的水平变化和热量平流，产生海面水平方向热力的不均匀性，反过来把有效位能输入大气。因此，动能是大气大量给予海洋，而不是海洋给大气的。另一方面，水汽和潜热通量几乎无例外是海洋给空气的，可感热总的向上通量也大于向下的通量。海洋和大气之间正是通过这两种不同方向的输送过程联系起来。这样作为地球大气和海洋运动的主要来源的太阳辐射，首先大部分是通过海气交界面为海洋所吸收，然后由海洋以潜热、感热、长波辐射交换等形式通过海面供给大气，转变为大气的动能，运动大气以动量形式供给海洋运动的动能，产生海洋热状况的再分配，再给大气以有效位能，如此相互作用，多次经过海气交界面，问题就更加复杂了。3

不同气候带海气相互作用的若干事实已经发现的长期大尺度海气相互作用的事实表明：在不同地区，由于海陆配置的不同及所处地理纬度的差别，相互作用的特征是不同的。

1. 赤道太平洋信风区的海气相互作用

从世界海面温度纬向距平图可以看到，全球赤道某些地区存在着冷水带，其中赤道太平洋东部的冷水带最冷，伸展得也最远，它自南美沿岸向西伸展约85 个经度，秘鲁沿岸水温比同纬度平均值低8℃。而西太平洋海面温度总是相当高。皮叶克尼斯认为这种东西向的海温梯度形成了赤道平面上的一种“热成环流” ：空气在秘鲁冷水区辐散下沉，在印尼岛屿区附近辐合上升，低层为东风，高层为西风。在赤道印度洋上，由于同一类型的东暖西冷的海温分布，存在着另一个相反方向的热成环流。皮叶克尼斯将这两个赤道大气环流圈称之为“沃克环流” ，将它与沃克提出的南方涛动相联系。沃克1924年提出的“南方涛动” 这一术语，简单地说就是印尼和太平洋热带地区大气环流和水分循环强度的变化。贝尔拉1957年进一步发展了沃克的观点。他发现，赤道太平洋东西部气压距平具有相反的趋势，距平零线在165°E 附近，近乎南北走向。可以把东西部的气压差作为环流指数来表示南美至西太平洋这一占全球赤道四分之一地区东西向空气质量交换的强度。这一环流指数可以用来说明南方涛动的维持。皮叶克尼斯、贝尔拉等指出，赤道冷水西伸范围有显著的年际变化，它可影响东西向的温度梯度、气压梯度，影响沃克环流的强度，产生所谓南方涛动，进而影响全球天气。

2. 印度季风区的海气相互作用

印度洋西冷东暖的海面温度分布产生对大气的不同加热，从而影响了气压场。沙哈分析了沿15°N，30°~150°E 海面温度和气压廓线发现有明显的西高东低的气压分布；西部海洋为次一级的高压脊，东部海洋为低压槽，呈现自西向东的地面气压梯度。沙哈认为这样就可构成一种次一级垂直环流，这与皮叶克尼斯的热成沃克环流是一回事。这一环流圈由索马里沿岸冷水区的下沉，印度沿岸暖水区上升，低层西风，高层东风所组成。沙哈认为这一环流的低层分支，可以用来解释东印度洋赤道西风比西印度洋赤道西风更为典型的观测事实：次一级垂直环流低层的西风加强了赤道西风。将这一环流圈与太平洋上的环流圈一起考虑，便可解释自印度至西太平洋强盛的赤道西风。同时，也可用来解释夏季西太平洋和印度洋特有的双赤道辐合带。

3. 中纬度地区的海气相互作用

观测北太平洋多年平均海平面气压场的季节变化，可以看到上述海面最大增暖区正处于阿留申低压和太平洋高压随季节互相进退的地带。通常海温距平秋季最大，这样冬季在暖舌附近产生异常的气旋活动。这是海面可感热潜热通量加大，凝结潜热释放及斜压性增强的结果。

春季产生相反的气压距平场，太平洋高压向北挺进，它又促进暖舌继续下去。在夏季，虽然暖水对气旋活动稍有增强，多半是个别的热带风暴，水温距平仅仅因为云量或交换作用稍有减小。在秋季，在阿留申和阿拉斯加湾，当气旋移到北部暖水区时强烈发展，它迫使维持一强的太平洋高压，这样它便与其他因子一起重新建立起中太平洋暖水舌。3