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海气相互作用的产物——厄尔尼诺周顺武南京信息工程大学大气科学学院大气科学系近年来，各类媒体越来越关注这样一个名词－厄尔尼诺。众多气候现象与灾难都被归结到厄尔尼诺的肆虐上，例如印尼的森林大火、巴西的暴雨、北美的洪水及暴雨、非洲的干旱等等。厄尔尼诺几乎成了灾难的代名词！北美的暴雨和洪水非洲干旱澳大利亚干旱印尼的森林大火世界天气、气候异常的三大因子1997年－1998年由于“天灾”给全世界造成了百多亿美元以上的经济损失和7000多人的死亡。“老天爷”为何狂躁不安？专家们比较一致的看法由于赤道东南太平洋地区形成了近几百年来持续时间最长的一次厄尔尼诺现象，由此而引起了世界天气、气候异常。世界气象组织（WorldMeteorologicalOrganization，WMO）已把它提升为影响当今世界天气和气候异常的三大因子之首（其余两个因子是人类活动造成的大气温室效应和森林破坏）。主要内容第一节海洋的基础背景知识第二节ENSO含义第三节ENSO形成机制及其对气候的影响第一节海洋的基本背景知识一．海洋对大气的重要性二．海水温度分布的主要特征三．洋流和信风一、海洋对大气的重要性海洋覆盖了全球面积的71%。由于海水和空气的物理属性差别很大，例如海水的热容量约为空气的3100倍，即1立方厘米的海水降低温度1℃所放出的热量，可以使3100立方厘米的空气增高温度1℃。因此海洋的热容量要比大气大得多，海洋温度微小变化能使得大气温度发生强烈的响应，而地球系统中的水分循环更离不开海洋。海洋和大气相互作用：主要指水和热的交换可以说，如不考虑海洋的存在和发生在海洋中运动状态的变化，是模拟不出气候的平均状态来的。另一方面，海流（洋流）又是在大气风应力驱动下运动的，海洋和大气在气候异常变化的时间和空间尺度上是相互作用和相互依存的。海洋与大气的相互作用全球海表面年平均温度（单位：℃，等值线间隔：3℃）二、海水温度分布的主要特征1、海水表层温度分布海表面温度的分布特征海表面温度成条带状，沿纬度增加而逐渐减小。一般来说，低纬度海区的水温，高于高纬度海区的水温。同一海区的水温，夏季高些，冬季低些。同纬度海区，有暖流流经的海区水温要比有寒流流经的海区高。太平洋西暖东冷。？2、海温的垂直分布2004年6月沿赤道太平洋次表层月平均海温深度－经度剖面170E1、请判断三个测站纬度的高低，并说明理由？2、你发现海水温度垂直变化的什么规律?太平洋170E3个不同纬度的测站水温随深度分布曲线深层海水温度变化规律海温随深度增加而递减：1000m以内，降温快；1000m以下，变化小。原因：太阳辐射入海的光能被表层海水吸收，因此海表面温度高于海洋内部。混合层与温跃层海洋上层的温度受到大气影响，在海洋表面向下的几十米的水层里，风浪和海流引起的湍流混合十分强烈，海水温度的垂直变化很小，因此被称为混合层。但到某一个高度以后，很快遇到一个较薄的水层，其海水温度随深度的变化特别剧烈，这一区域被称之为温跃层。温跃层混和层赤道太平洋海水温度垂直分布温跃层把热带海洋分隔成上下两个不同热力性质的海水层，上层为暖水层，而下层则为冷水层。赤道太平洋东部20℃等温线一般位于50m深处，但向西逐渐倾斜，在赤道太平洋西部一般位于200m深处。因此，温跃层也被气象和海洋学家称为斜温层。温跃层又称斜温层三、洋流和信风洋流是海洋表层的水，常年比较稳定地沿着一定的方向作大规模的流动，洋流又称为海流（Oceancurrent）。洋流是海洋水体运动的主要形式。大规模的洋流的形成与大气环流直接相关。表层洋流分布规律信风信风（tradewind，也称为贸易风）在赤道两边的低层大气中，北半球吹东北风，南半球吹东南风，这种风的方向很少改变，它们年年如此，稳定出现，很讲信用，这是tradewind在中文中被翻译成“信风”的原因。哥伦布第一次去美洲时，向西横渡大西洋…经过37天…发现了美洲新大陆。第二次绕了一个大圈，顺着西班牙和北非西海岸南下，接近赤道时才向西横渡大西洋。却只花了20天。信风在航海中的作用信风在海气相互作用中所起的作用在赤道南北两侧东南信风和东北信风的驱动下，赤道太平洋表层海水自东向西流动，形成表层洋流。这股洋流将太平洋表层暖的海水输送到西太平洋堆积，使得西太平洋水位不断上升，热量也不断积蓄。与表层洋流相对应，在东西向海水压力差的驱动下，在其下方形成一个与之方向相反自西向东的赤道潜流。表层洋流与赤道潜流在赤道东太平洋，表层暖的海水流走后，迫使表层以下温度较低的海水上升，以替代流走的海水，因此在这个地区形成巨大的涌升流，称为冷水上翻区，使得该海域水温比周围要低。冷水上翻西东秘鲁渔场的成因示意图太平洋海温西高东低的原因？1.秘鲁寒流沿着大陆两侧北上，其中一部分在赤道附近变成南赤道海流后向西移动；2.沿低纬海域由东向西吹的信风使赤道附近的暖水积蓄在太平洋西侧，通常称为暖池；3.相随于信风沿赤道吹东风，太平洋东侧下层冷海水涌升到海表面。暖池热带西太平洋是全球海温最高的海域，常年维持着28℃以上的高温，全球大约90%的暖海水集中在这里，故称西太平洋暖池（WesternPacificWarmPool）。该区海温异常制约着亚太区域乃至全球的气候变化，是大气热量主要供应地。由于太阳辐射、热量交换、自东向西信风吹送等的作用，大量暖水逐渐积蓄在暖池区，致使该区海表面温度比东太平洋高出3℃～9℃。全球海面水温的年平均分布（℃）第二节ENSO含义一．厄尔尼诺和拉尼娜现象二．ENSO含义三．沃克环流四．ENSO的监测与指标一、什么是厄尔尼诺现象？厄尔尼诺（ElNiño）现象，又称圣婴现象，是指赤道中东太平洋附近的海表温度持续异常增暖现象。ElNiño在西班牙语中意为“圣婴”，也可译作“上帝之子”，因为这种赤道中东太平洋持续异常增暖事件通常在圣诞节前后开始发生。厄尔尼诺厄尔尼诺（ElNiño）是西班牙语“圣婴”音译（上帝之子），原指每年圣诞节前后，沿厄瓜多尔和秘鲁沿岸出现一股弱暖洋流，取代了沿岸原有冷海水的现象。暖水向东回流到东太平洋，秘鲁渔场消失→鱼鸟大量死亡厄尔尼诺期间（1997年12月）正常状态（1990年12月）海表面温度距平（SSTA）海表面温度（SeaSurfaceTemperature,SST）与正常年的偏差，称为海表面温度距平（SeaSurfaceTemperatureAbnormal,SSTA）。厄尔尼诺盛期（1997.12-1998.2）热带太平洋海表面温度距平（红色为异常偏暖区，蓝色为异常偏冷区）。图中赤道东太平洋甚至偏高4℃以上。一、什么是拉尼娜现象？拉尼娜（LaNiña）现象，是指赤道中东太平洋海表温度大范围持续异常偏冷的现象。LaNiña在西班牙意为“小女孩”，正好与意为“圣婴”相反，也称为“反ElNiño”。拉尼娜现象因东风强盛，涌升流强劲使东赤道太平洋海水温度比长期平均值低。拉尼娜盛期（1988.12-1989.2）热带太平洋海表面温度距平（红色为异常偏暖区，蓝色为异常偏冷区）。图中赤道中东太平洋甚至偏低约2－3℃之间。英国数学家沃克爵士（Sir.GilbertWalker）气压跷跷板：热带东太平洋与热带东印度洋气压场反相变化的跷跷板现象（南方涛动现象）。南方涛动－SouthernOscillation塔希提岛达尔文岛南方涛动（SouthOscillation）达尔文与塔希提岛的气压负相关（图中数值100）达尔文岛（红色）和塔希提岛（绿色）海平面气压距平的演变南方涛动指数（SOI）：塔希提（Tahiti）岛与达尔文（Darwin）岛之间的气压差。1.当南方涛动指数较高时，东、西太平洋气压差值增大，赤道地区盛行偏东风；2.当该指数较低时，则东风较弱，在西太平洋地区甚至会出现西风。厄尔尼诺期间，东南太平洋气压明显减弱，印度尼西亚和澳大利亚的气压升高。拉尼娜期间的情况正好相反。气象学家沃克发现：在东赤道太平洋地区强烈的冷海水上翻，使得其海洋表层温度与西赤道太平洋地区的“暖池”之间形成强烈的对比。在东赤道太平洋冷水域的上空大气强烈下沉，西赤道太平洋印度尼西亚海洋大陆上空大气对流强烈，大气以上升为主，这样就形成一个闭合的东西向环流圈，称为沃克环流。二、沃克环流（WalkerCirculation）沃克环流图赤道附近东西向之垂直大气环流结构与海面水温分布（来源:PeixotoandOort，1992)沃克环流把南方涛动和赤道太平洋的海表温度联系在一起。ElNiño现象正常年：海水向西移动，海洋低层低温富有营养盐的涌升流上升补充。厄尔尼诺期间：使海水向西的力量减弱，反而使表层海水向东移，低层营养盐的涌升流不会上升。1960s美国气象家雅各布·皮叶克尼斯（JacobBjerknes）发现：南方涛动与厄尔尼诺事件和拉尼娜事件JacobBjerknes将厄尔尼诺（ElNiño）与南方涛动（SouthernOscillation）合并为ENSO（音：恩索）。厄尔尼诺+南方涛动=ENSO（ElNiño/SouthernOscillation）ENSO实际上就是ElNiño和SouthernOscillation的简称。ENSO事件不仅仅作为一个事件发生，而且还是周而复始的一种循环，其周期大约2～7年，故又称ENSO循环。厄尔尼诺和拉尼娜则是ENSO循环过程中冷暖两种不同位相的异常状态。厄尔尼诺也称为ENSO暖事件；拉尼娜也被称为ENSO冷事件。三、ENSO监测与指标上世纪80年代初，世界气象组织（WMO）等组织为研究ENSO现象及其对气候的影响，制定了为期10年（1985～1994）的“热带海洋和全球大气”（TropicalOcean&GlobalAtmosphere，TOGA）计划，我国是该计划的核心成员国。下图为在赤道太平洋布放了庞大的“TAO”阵列浮标，建立了实时立体监测体系，为ENSO研究提供了丰富的资料，使得ENSO预测成为可能。（ENSO观测系统）FromTropicalAtmosphere&OceanENSO的监测内容ENSO监测主要包括：各区的海温指数、SOI指数、信风指数和沃克指数等。海表面温度：海表面温度是衡量气候变率的重要指标，是ENSO监测和诊断最基本的变量。赤道中、东太平洋被划分为以下4个ENSO监测区（下图），各海区海表面温度的距平值即表示各海区海表温度特征的指数。4个ENSO监测区根据Nino3区（5N~5S,160W~90W）海表面温度距平（SSTA），当该海域月的区域平均海温距平≥0.5℃并持续6个月以上，则定义为一次厄尔尼诺事件；月的区域平均海温距平≤-0.5℃并持续6个月以上，则定义为一次拉尼娜事件。按此定义，1951～2001年期间，厄尔尼诺事件出现了15次，拉尼娜事件出现了11次。1951－2001年期间Nino3区海表面温距平1991年12月太平洋海表面温距平分布1998年12月太平洋海表面温距平分布第三节ENSO形成机制及其对气候的影响一．ENSO形成机制二．ENSO事件对全球气候的影响三．ENSO事件对我国气候的影响正常状况－大气场1.高压(H)→东北信风、东南信风2.低压(L)→西风3.在赤道120E处汇集幅合上升4.印尼、新几内亚地区热带雨林气候—对流旺盛一、ENSO形成机制太平洋东侧太平洋西侧涌升流上升正常状况－海洋场1.东太平洋沿岸形成涌升流，温跃层深度约为50米；2.西太平洋温跃层深达200米；东太平洋赤道地区盛行东风→海水往西流动、堆高西太平洋比东太平洋海平面高出40厘米左右。太平洋西侧太平洋中、东侧多雨、湿润晴朗、干燥海温高、温跃层深海温低、温跃层浅正常状况－天气正常年：稳定信风，向西吹。冷水上翻。厄尔尼诺发生时：信风减弱当信风发生张驰（减弱）时，海水向东流，这导致沿南美沿岸的温跃层加深，海平面高度上升，海面变暖，出现ElNiño的征兆。而在西太平洋海平面高度下降，温跃层上升。赤道太平洋的海水温度结构对信风变化的响应厄尔尼诺年：信风减弱，改变风向。暖水东移。强信风情况，这造成强赤道上翻和南赤道流，西太平洋有暖水积累，温跃