氣候演變中的大洋環(huán)流與海氣相互作用課件

氣候演變中的大洋環(huán)流與海氣相互作用歡迎來到《氣候演變中的大洋環(huán)流與海氣相互作用》課程。本課程旨在探討海洋環(huán)流系統(tǒng)如何影響全球氣候變化，以及大氣與海洋之間復(fù)雜的相互作用機(jī)制。我們將系統(tǒng)地介紹氣候系統(tǒng)的四大圈層（大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈）及其相互作用，尤其關(guān)注海洋在全球氣候調(diào)節(jié)中的核心作用。通過理解這些機(jī)制，我們能更好地預(yù)測(cè)未來氣候變化趨勢(shì)，為應(yīng)對(duì)全球環(huán)境挑戰(zhàn)提供科學(xué)基礎(chǔ)。本課程結(jié)合最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)、模擬技術(shù)和研究成果，帶您深入了解這一影響全人類未來的關(guān)鍵科學(xué)領(lǐng)域。海洋與氣候系統(tǒng)的關(guān)系能量吸收與分配海洋占地球表面積的71%，吸收太陽(yáng)輻射能量的能力遠(yuǎn)超陸地。海洋能吸收地球接收太陽(yáng)能量的約93%，成為地球最大的熱能儲(chǔ)存庫(kù)。這種能量?jī)?chǔ)存能力使海洋成為調(diào)節(jié)全球氣候的"緩沖器"，減緩了氣候變化的速率。熱量再分配海洋環(huán)流系統(tǒng)將熱帶地區(qū)吸收的熱量輸送到高緯度地區(qū)，減少了地球不同緯度間的溫度差異。如果沒有海洋的這種熱量再分配作用，極地和熱帶地區(qū)的溫度差異將比現(xiàn)在大得多。水循環(huán)樞紐海洋是全球水循環(huán)的核心，通過蒸發(fā)向大氣提供水汽，這些水汽最終形成云和降水。這一過程不僅影響全球降水格局，還通過潛熱釋放影響大氣環(huán)流結(jié)構(gòu)。大洋環(huán)流基礎(chǔ)定義表層環(huán)流主要由風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，深度通常在1000米以內(nèi)。包括各大洋的環(huán)流系統(tǒng)，如北太平洋環(huán)流、北大西洋環(huán)流等。這些環(huán)流對(duì)短期氣候變化有顯著影響。深層環(huán)流主要由水團(tuán)密度差異驅(qū)動(dòng)，又稱溫鹽環(huán)流。覆蓋全球大洋深處，移動(dòng)速度較慢但輸送水量巨大，對(duì)長(zhǎng)期氣候變化具有決定性影響。中尺度渦旋海洋中的"天氣系統(tǒng)"，直徑從幾十到幾百公里不等。這些渦旋在熱量、鹽分和其他物質(zhì)的輸送過程中起著關(guān)鍵作用，是連接大尺度環(huán)流和小尺度混合的重要環(huán)節(jié)。大氣環(huán)流概述極地環(huán)流60°-90°緯度區(qū)域的氣流系統(tǒng)費(fèi)雷爾環(huán)流30°-60°緯度區(qū)域的氣流系統(tǒng)哈德萊環(huán)流0°-30°緯度區(qū)域的氣流系統(tǒng)大氣環(huán)流是全球氣候系統(tǒng)的重要組成部分，主要由太陽(yáng)輻射不均衡引起。赤道地區(qū)接收的太陽(yáng)輻射比極地更多，這種能量不平衡驅(qū)動(dòng)了全球大氣環(huán)流系統(tǒng)。哈德萊環(huán)流是最強(qiáng)大的環(huán)流系統(tǒng)，熱帶地區(qū)上升氣流形成赤道低壓帶，在30°緯度下沉形成副熱帶高壓帶。費(fèi)雷爾環(huán)流連接中緯度與高緯度系統(tǒng)，而極地環(huán)流則主要發(fā)生在極地地區(qū)。這三個(gè)環(huán)流圈共同構(gòu)成了地球的大氣傳輸系統(tǒng)，調(diào)節(jié)著全球的溫度分布和降水模式。全球主要大洋環(huán)流系統(tǒng)1北大西洋環(huán)流包括墨西哥灣流、北大西洋暖流等，對(duì)歐洲氣候影響顯著。墨西哥灣流每秒輸送約1.5億立方米的海水，是世界上最強(qiáng)大的洋流之一，將加勒比海區(qū)域的熱量向北輸送到歐洲西部。2北太平洋環(huán)流包括黑潮、北太平洋暖流和加利福尼亞寒流等。黑潮是西太平洋的強(qiáng)大暖流，類似于大西洋的墨西哥灣流，對(duì)東亞地區(qū)氣候有重要影響。3南半球大洋環(huán)流包括南赤道流、南極繞極流等。南極繞極流是地球上最大的海洋環(huán)流，每秒輸送約1.35億立方米的海水，完全環(huán)繞南極洲，對(duì)全球氣候系統(tǒng)有著深遠(yuǎn)影響。溫鹽環(huán)流（全球輸送帶）表層暖流北傳低緯度暖水向極地方向流動(dòng)極地水團(tuán)下沉高緯度海水冷卻增密下沉深層冷流南傳高密度冷水向低緯度深層流動(dòng)上升流返回表層深層水在低緯度上升回到表層溫鹽環(huán)流是一個(gè)全球性的海洋"傳送帶"，貫穿所有大洋，深度從表層延伸到海底。這一龐大系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力是海水密度差異，而密度主要受溫度和鹽度影響，故稱"溫鹽環(huán)流"。北大西洋的深水形成區(qū)和南極周邊的威德爾海是溫鹽環(huán)流的關(guān)鍵區(qū)域。在這些區(qū)域，表層海水變得異常冷且咸，密度增大后下沉至深海，形成全球深層洋流系統(tǒng)的起點(diǎn)。一個(gè)完整的溫鹽環(huán)流周期可能需要長(zhǎng)達(dá)1000年時(shí)間，這使其成為地球長(zhǎng)期氣候變化的重要調(diào)節(jié)器。表層海流與深層海流對(duì)比特征表層海流深層海流主要驅(qū)動(dòng)力風(fēng)應(yīng)力密度差異深度范圍0-1000米1000-4000米流速較快（可達(dá)幾米/秒）較慢（厘米/秒）變化時(shí)間尺度季節(jié)至年際十年至千年氣候影響短期氣候變化長(zhǎng)期氣候演變表層海流和深層海流在形成機(jī)制和氣候影響上有顯著差異。表層海流主要受風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，對(duì)季節(jié)性和年際氣候變化響應(yīng)迅速，如厄爾尼諾現(xiàn)象。而深層海流則由海水密度差異驅(qū)動(dòng)，流速雖慢但水量巨大，對(duì)長(zhǎng)期氣候變化具有決定性影響。表層環(huán)流系統(tǒng)對(duì)天氣和短期氣候變化具有直接影響，而深層環(huán)流則是長(zhǎng)期氣候穩(wěn)定的關(guān)鍵。如果深層環(huán)流減弱或停止，將可能觸發(fā)全球范圍的劇烈氣候變化，類似于古氣候記錄中的"新仙女木事件"等突變期。大洋環(huán)流的能量來源風(fēng)應(yīng)力大氣運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力是表層海洋環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力。全球風(fēng)場(chǎng)格局，特別是信風(fēng)和西風(fēng)帶，直接塑造了主要洋盆的表層環(huán)流系統(tǒng)。強(qiáng)勁的風(fēng)場(chǎng)可以將能量傳遞到數(shù)百米深的海洋，驅(qū)動(dòng)大尺度環(huán)流。地轉(zhuǎn)偏向力由地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力使海流在北半球向右偏轉(zhuǎn)，在南半球向左偏轉(zhuǎn)。這一力的存在導(dǎo)致了大洋環(huán)流呈現(xiàn)出閉合的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形成了各大洋的特征性環(huán)流系統(tǒng)，如北大西洋和北太平洋的順時(shí)針環(huán)流。表層熱力作用海水溫度和鹽度的差異導(dǎo)致海水密度不同，進(jìn)而產(chǎn)生壓力梯度力。這些密度差異是深層環(huán)流的主要驅(qū)動(dòng)力，特別在極地地區(qū)的深水形成區(qū)，表層海水冷卻增密下沉，啟動(dòng)了全球"溫鹽環(huán)流"系統(tǒng)。海氣相互作用基礎(chǔ)能量交換輻射、感熱和潛熱傳輸水分交換蒸發(fā)、降水和徑流循環(huán)動(dòng)量交換風(fēng)應(yīng)力和海表摩擦物質(zhì)交換二氧化碳等氣體溶解海氣相互作用是指海洋與大氣之間的能量、水分、動(dòng)量和物質(zhì)交換過程。這些交換過程通過復(fù)雜的正反饋和負(fù)反饋機(jī)制相互影響，共同塑造了地球的氣候系統(tǒng)。海氣界面是這些交換過程的關(guān)鍵場(chǎng)所，在這里，海洋將熱量釋放到大氣中，同時(shí)接收太陽(yáng)輻射；大氣將動(dòng)量通過風(fēng)應(yīng)力傳遞給海洋，驅(qū)動(dòng)表層環(huán)流；海洋向大氣提供水汽，形成云和降水；同時(shí)，二氧化碳等氣體也在海氣界面不斷交換，影響全球碳循環(huán)。熱通量交換與氣候影響短波輻射太陽(yáng)輻射穿透大氣到達(dá)海面，約50%被表層海水吸收感熱交換通過海氣溫差直接傳導(dǎo)熱能，占總熱交換約10%潛熱交換海水蒸發(fā)消耗熱量，水汽凝結(jié)釋放熱量，占總熱交換約70%長(zhǎng)波輻射海面向大氣和外太空發(fā)射紅外輻射，部分被溫室氣體吸收海洋和大氣之間的熱交換是全球氣候調(diào)節(jié)的關(guān)鍵過程。海洋吸收的太陽(yáng)輻射能量主要通過三種方式傳遞給大氣：長(zhǎng)波輻射、感熱傳導(dǎo)和潛熱傳輸。其中，潛熱傳輸是最主要的方式，占總熱交換的約70%。熱帶海洋是地球熱量的主要接收區(qū)，而高緯度海洋則是熱量的釋放區(qū)。這種不平衡的熱量收支驅(qū)動(dòng)了全球大氣和海洋環(huán)流，如果沒有這些環(huán)流系統(tǒng)，熱帶地區(qū)將變得更熱，極地地區(qū)將變得更冷，全球氣候差異將比現(xiàn)在顯著得多。蒸發(fā)與降水分布格局全球海洋蒸發(fā)與降水分布呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。蒸發(fā)量最大的區(qū)域通常位于副熱帶高壓帶（15°-35°緯度），如北大西洋的撒哈拉沙漠外海和北太平洋的夏威夷群島附近。這些區(qū)域因?yàn)闅鉁馗?、相?duì)濕度低且風(fēng)速適中，形成了"蒸發(fā)高值區(qū)"。而降水量最大的區(qū)域則集中在赤道附近的熱帶輻合帶和季風(fēng)區(qū)。正是這種蒸發(fā)與降水的空間不平衡，維持了全球的大氣水循環(huán)。海洋每年通過蒸發(fā)向大氣輸送約4.5萬億噸水，相當(dāng)于地表徑流的10倍，這些水汽的跨洋和跨洲輸送對(duì)全球和區(qū)域氣候格局產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。壓力場(chǎng)與海洋表層風(fēng)場(chǎng)互作大氣壓力梯度驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)大氣中的高低壓差異產(chǎn)生水平氣壓梯度力，是風(fēng)的直接驅(qū)動(dòng)力。如熱帶地區(qū)的沃克環(huán)流就是由太平洋東西兩側(cè)氣壓差異驅(qū)動(dòng)形成的，直接影響赤道太平洋的表層洋流和上升流。風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)海洋表層環(huán)流持續(xù)的風(fēng)應(yīng)力通過海氣界面?zhèn)鬟f動(dòng)量，驅(qū)動(dòng)海洋表層水體運(yùn)動(dòng)。如北太平洋和北大西洋的大型環(huán)流系統(tǒng)主要由副熱帶高壓帶的信風(fēng)和中緯度的西風(fēng)帶共同驅(qū)動(dòng)。海表溫度影響氣壓分布海表溫度的變化會(huì)改變海氣界面的熱通量交換，進(jìn)而影響大氣壓力場(chǎng)。如厄爾尼諾期間，中東太平洋海溫升高導(dǎo)致該區(qū)域大氣壓力降低，進(jìn)一步減弱了信風(fēng)強(qiáng)度。海洋表層風(fēng)場(chǎng)和大氣壓力場(chǎng)之間存在復(fù)雜的相互作用機(jī)制。一方面，大氣壓力梯度驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)形成；另一方面，風(fēng)場(chǎng)又通過改變海洋表層環(huán)流和溫度分布，間接影響大氣壓力場(chǎng)。這種相互作用在厄爾尼諾南方濤動(dòng)（ENSO）等現(xiàn)象中表現(xiàn)得尤為明顯。主要海氣相互作用現(xiàn)象厄爾尼諾和拉尼娜發(fā)生在熱帶太平洋的海氣耦合現(xiàn)象，以海表溫度異常為特征。厄爾尼諾期間，赤道太平洋中東部海表溫度異常升高，信風(fēng)減弱；拉尼娜期間則相反。這一現(xiàn)象每2-7年發(fā)生一次，影響全球天氣和氣候模式，常導(dǎo)致干旱、洪水等極端天氣事件。印度洋偶極子印度洋東西部海表溫度呈現(xiàn)相反異常的模式。在正位相時(shí)，西印度洋異常暖，東印度洋異常冷；負(fù)位相則相反。這種模式會(huì)顯著影響東非、印度次大陸和澳大利亞的降水，常與厄爾尼諾現(xiàn)象相互影響，但也有獨(dú)立發(fā)生的情況。北大西洋濤動(dòng)表現(xiàn)為北大西洋區(qū)域冰島低壓和亞速爾高壓強(qiáng)度的反相振蕩。NAO正位相時(shí)，兩者壓力差增大，西風(fēng)加強(qiáng)；負(fù)位相則相反。這種振蕩直接影響歐洲和北美東部的冬季溫度和降水模式，同時(shí)也與北大西洋洋流強(qiáng)度有密切關(guān)聯(lián)。ENSO（厄爾尼諾-南方濤動(dòng)）機(jī)制解析正常狀態(tài)赤道太平洋西部暖池形成，東部上升流帶來冷水信風(fēng)減弱赤道太平洋西風(fēng)異常產(chǎn)生，壓制東部上升流海溫異常中東太平洋表層溫度升高，暖水東移正反饋形成海溫異常進(jìn)一步減弱信風(fēng)，加強(qiáng)異常狀態(tài)厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）是全球最顯著的年際氣候變化信號(hào)，其核心機(jī)制是太平洋赤道海氣系統(tǒng)的正反饋過程。通常狀態(tài)下，信風(fēng)將熱帶太平洋表層暖水堆積在西太平洋，形成"暖池"，同時(shí)在東太平洋產(chǎn)生上升流，帶來冷水。當(dāng)某些因素導(dǎo)致信風(fēng)減弱時(shí)，西太平洋暖池的水向東擴(kuò)展，抑制了東太平洋的上升流，使該區(qū)域海表溫度升高。溫度升高又進(jìn)一步弱化大氣沃克環(huán)流和信風(fēng)強(qiáng)度，形成正反饋循環(huán)，最終發(fā)展成完整的厄爾尼諾事件。這一過程涉及海洋開爾文波和羅斯貝波的傳播，以及熱帶大氣的響應(yīng)，是典型的海氣耦合系統(tǒng)。ENSO對(duì)全球氣候的影響北美影響墨西哥灣和美國(guó)東南部冬季多雨美國(guó)西北部溫暖干燥加勒比和中美洲干旱亞洲影響印度季風(fēng)減弱，降水減少東南亞和菲律賓干旱日本冬季溫和澳大利亞影響東部和北部嚴(yán)重干旱農(nóng)業(yè)產(chǎn)量下降山火風(fēng)險(xiǎn)增加南美影響秘魯和厄瓜多爾洪澇災(zāi)害巴西東北部干旱亞馬遜流域降水減少厄爾尼諾事件通過改變大氣環(huán)流模式，對(duì)全球多個(gè)區(qū)域的天氣和氣候產(chǎn)生"遙相關(guān)"影響。這些影響可引發(fā)洪水、干旱、熱浪等極端氣候事件，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人道主義危機(jī)。強(qiáng)厄爾尼諾年份，全球平均氣溫常出現(xiàn)顯著升高。1997-1998年和2015-2016年的超強(qiáng)厄爾尼諾事件分別造成全球數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失。了解ENSO對(duì)全球氣候的影響模式，對(duì)于氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。北大西洋濤動(dòng)（NAO）與氣候NAO正位相特征在NAO正位相期間，冰島低壓進(jìn)一步加深，而亞速爾高壓進(jìn)一步增強(qiáng)，兩者之間的氣壓梯度增大。這導(dǎo)致北大西洋中高緯度地區(qū)西風(fēng)帶加強(qiáng)，大西洋風(fēng)暴軌跡北移。歐洲北部（如英國(guó)、斯堪的納維亞）經(jīng)歷溫暖濕潤(rùn)的冬季，而地中海地區(qū)則相對(duì)干燥。北美東部通常氣溫較高，降水適中。這種氣候模式有利于歐洲北部農(nóng)業(yè)，但可能導(dǎo)致南歐水資源短缺。NAO負(fù)位相特征NAO負(fù)位相時(shí)，冰島低壓和亞速爾高壓均減弱，氣壓梯度減小。西風(fēng)減弱，風(fēng)暴軌跡南移。歐洲北部變得寒冷干燥，而地中海地區(qū)則多雨。北美東部常出現(xiàn)寒潮和暴雪天氣。負(fù)位相期間，北大西洋暖流強(qiáng)度通常減弱，這進(jìn)一步加劇了歐洲的寒冷天氣。同時(shí)，地中海地區(qū)的充沛降水可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害，但有助于緩解長(zhǎng)期干旱。格陵蘭和北極地區(qū)則往往氣溫升高。北大西洋濤動(dòng)（NAO）是北半球中高緯度地區(qū)最顯著的大氣變化模態(tài)之一，其指數(shù)反映了北大西洋地區(qū)大氣壓力場(chǎng)的變化。NAO不僅影響歐洲和北美的天氣和氣候，還與北大西洋海洋環(huán)流有著密切聯(lián)系，是典型的海氣耦合現(xiàn)象。南方濤動(dòng)與多年代際變化PDO指數(shù)AMO指數(shù)太平洋年代際振蕩（PDO）和大西洋多年代際振蕩（AMO）是影響全球氣候系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化模態(tài)。PDO表現(xiàn)為北太平洋海表溫度的長(zhǎng)期振蕩，周期約20-30年。在正位相時(shí)，東北太平洋異常暖，中西部太平洋異常冷；負(fù)位相則相反。PDO對(duì)北美氣候影響顯著，正位相期間美國(guó)西北部溫暖干燥，而阿拉斯加灣則多雨。AMO則是北大西洋海表溫度的長(zhǎng)期變化，周期約60-80年。AMO正位相時(shí)北大西洋普遍偏暖，會(huì)增加美國(guó)東南部和加勒比海地區(qū)的颶風(fēng)活動(dòng)，同時(shí)影響非洲薩赫勒地區(qū)和巴西東北部的降水。這些多年代際振蕩與全球溫鹽環(huán)流變化密切相關(guān)，是理解長(zhǎng)期氣候變化的關(guān)鍵。海洋環(huán)流演變的觀測(cè)證據(jù)現(xiàn)代海洋觀測(cè)系統(tǒng)為我們提供了豐富的環(huán)流演變證據(jù)。衛(wèi)星高度計(jì)能夠精確測(cè)量海面高度，通過地轉(zhuǎn)平衡關(guān)系推算表層環(huán)流速度和方向。這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)自1993年以來持續(xù)積累，揭示了主要環(huán)流系統(tǒng)如墨西哥灣流、庫(kù)羅西奧暖流等強(qiáng)度和位置的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。深海觀測(cè)則主要依靠自動(dòng)剖面浮標(biāo)（如Argo系統(tǒng)）、錨系觀測(cè)陣列和水下滑翔機(jī)。全球Argo系統(tǒng)由超過4000個(gè)自動(dòng)浮標(biāo)組成，每10天采集一次從表層到2000米深度的溫鹽剖面，為研究大洋三維環(huán)流提供了前所未有的數(shù)據(jù)。此外，特殊錨系觀測(cè)陣列如RAPID和OSNAP專門監(jiān)測(cè)北大西洋溫鹽環(huán)流，這些觀測(cè)顯示近幾十年來北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流有弱化趨勢(shì)，引發(fā)了科學(xué)界對(duì)全球氣候變化影響的廣泛關(guān)注。海氣相互作用的觀測(cè)技術(shù)衛(wèi)星遙感多種衛(wèi)星傳感器可同時(shí)觀測(cè)海表溫度、風(fēng)場(chǎng)、降水等參數(shù)，如MODIS、TRMM、QuikSCAT等。這些衛(wèi)星數(shù)據(jù)提供了全球覆蓋的海氣界面觀測(cè)，尤其對(duì)偏遠(yuǎn)海域研究意義重大。TAO/TRITON浮標(biāo)陣列由約70個(gè)錨定浮標(biāo)組成，分布在熱帶太平洋，用于監(jiān)測(cè)ENSO相關(guān)的海氣相互作用。這些浮標(biāo)實(shí)時(shí)測(cè)量表層和次表層海溫、鹽度、流速以及海面氣象參數(shù)。Argo浮標(biāo)系統(tǒng)全球超過4000個(gè)自動(dòng)剖面浮標(biāo)提供從表層到2000米的三維海洋觀測(cè)。Argo數(shù)據(jù)是研究海洋熱含量和鹽度變化的主要來源。研究船觀測(cè)提供高精度、高垂直分辨率的海洋和大氣觀測(cè)。特別是CTD觀測(cè)和ADCP測(cè)流提供了海洋垂直結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息?，F(xiàn)代海氣相互作用觀測(cè)技術(shù)形成了多平臺(tái)、多尺度的綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些觀測(cè)系統(tǒng)相互補(bǔ)充，共同構(gòu)成了全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（GOOS），為理解海氣相互作用提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了這些觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析和利用效率。大氣與海洋耦合模式大氣環(huán)流模式（AGCM）模擬全球大氣動(dòng)力學(xué)和物理過程海洋環(huán)流模式（OGCM）模擬海洋三維環(huán)流和熱鹽過程耦合器（Coupler）實(shí)現(xiàn)海氣界面信息交換與反饋完全耦合地球系統(tǒng)模式整合大氣、海洋、陸地、冰雪和生物地球化學(xué)過程大氣與海洋耦合模式是現(xiàn)代氣候研究的核心工具，它通過數(shù)值方法模擬大氣和海洋的物理過程及其相互作用。耦合模式的基本原理是將大氣模式和海洋模式作為獨(dú)立組件開發(fā)，然后通過"耦合器"實(shí)現(xiàn)二者之間的信息交換。CMIP6（耦合模式比較計(jì)劃第六階段）是目前最先進(jìn)的全球氣候模式集合，包含來自世界各國(guó)的近百個(gè)模式。這些模式具有不同的分辨率和參數(shù)化方案，共同構(gòu)成了評(píng)估氣候變化的科學(xué)基礎(chǔ)。耦合模式能夠模擬從季節(jié)內(nèi)到多世紀(jì)的氣候變化，是預(yù)測(cè)未來氣候變化、研究極端事件和分析氣候系統(tǒng)敏感性的重要工具。數(shù)值模擬在環(huán)流/相互作用研究中的應(yīng)用季節(jié)氣候預(yù)測(cè)耦合模式可預(yù)測(cè)ENSO、IOD等海氣耦合現(xiàn)象及其全球影響，預(yù)測(cè)提前期通常為6-12個(gè)月。這些預(yù)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)規(guī)劃、水資源管理和防災(zāi)減災(zāi)具有重要價(jià)值。目前ENSO預(yù)測(cè)的技巧得分在提前6個(gè)月時(shí)約為0.6-0.7。過去氣候重建通過古氣候模擬，重現(xiàn)末次盛冰期、全新世中期等特征時(shí)期的海洋環(huán)流狀態(tài)。這些模擬幫助我們理解氣候系統(tǒng)對(duì)外部強(qiáng)迫的響應(yīng)機(jī)制。與古氣候記錄的對(duì)比驗(yàn)證模式性能并改進(jìn)參數(shù)化方案。氣候變化預(yù)估在不同溫室氣體排放情景下，預(yù)估未來海洋環(huán)流變化，如大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）減弱、西邊界流變化等。這些預(yù)估為氣候適應(yīng)性政策制定提供科學(xué)依據(jù)。過程研究與機(jī)理分析通過理想化實(shí)驗(yàn)和敏感性試驗(yàn)，研究特定過程的影響，如海冰消融對(duì)AMOC的影響、氣溶膠強(qiáng)迫對(duì)季風(fēng)系統(tǒng)的影響等。這些研究幫助分離不同因素的貢獻(xiàn)，理清因果關(guān)系。數(shù)值模擬已成為海洋環(huán)流和海氣相互作用研究的重要手段，但仍面臨多種挑戰(zhàn)。模式分辨率限制了對(duì)中尺度渦旋和沿岸流的準(zhǔn)確模擬；參數(shù)化方案中的不確定性影響了云輻射反饋等關(guān)鍵過程；初始條件的不確定性限制了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。模型中的海-氣交換參數(shù)化動(dòng)量通量參數(shù)化關(guān)鍵參數(shù)包括海表粗糙度、風(fēng)應(yīng)力系數(shù)等。風(fēng)應(yīng)力與風(fēng)速的關(guān)系通常采用二次函數(shù)，但在極端風(fēng)速下需要特殊處理。高分辨率模式考慮了風(fēng)場(chǎng)的湍流特性和海浪的影響。熱通量參數(shù)化包括感熱通量和潛熱通量的計(jì)算。采用體積轉(zhuǎn)移系數(shù)將溫度梯度和水汽梯度轉(zhuǎn)換為熱通量?？紤]大氣穩(wěn)定度對(duì)轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響，在強(qiáng)對(duì)流和穩(wěn)定邊界層條件下采用不同參數(shù)化方案。輻射通量參數(shù)化短波輻射受云量、氣溶膠和海表反照率影響。長(zhǎng)波輻射考慮海表溫度、大氣溫度剖面和溫室氣體濃度。輻射方案是氣候模式中計(jì)算量最大的部分之一。氣體與氣溶膠交換參數(shù)化二氧化碳、甲烷等溫室氣體的海氣交換速率與風(fēng)速、海表溫度和生物活動(dòng)相關(guān)。海鹽氣溶膠的排放與風(fēng)速和海浪狀態(tài)有關(guān)，影響云的形成和輻射平衡。海-氣交換的參數(shù)化是氣候模式中最關(guān)鍵也最具挑戰(zhàn)性的部分。這些參數(shù)化方案將微觀尺度和亞網(wǎng)格尺度的物理過程簡(jiǎn)化為可計(jì)算的公式，是連接大氣和海洋的重要橋梁。隨著觀測(cè)技術(shù)和理論研究的進(jìn)步，參數(shù)化方案不斷改進(jìn)，提高了模式模擬的準(zhǔn)確性。海洋環(huán)流變化的歷史重建1.5°C末次盛冰期深海溫度比現(xiàn)在冷約1.5°C，根據(jù)底棲有孔蟲氧同位素記錄重建30%AMOC強(qiáng)度變化新仙女木事件期間減弱約30%，根據(jù)沉積物231Pa/230Th比值重建4-8‰冰芯δ18O變化格陵蘭冰芯記錄的D-O事件期間氧同位素變化幅度20k年重建時(shí)間跨度高分辨率海洋沉積物能夠提供的環(huán)流重建記錄長(zhǎng)度古氣候記錄為重建過去海洋環(huán)流變化提供了關(guān)鍵證據(jù)。海洋沉積物中的氧同位素（δ18O）記錄了全球冰量和海水溫度變化；放射性核素如231Pa/230Th比值指示了深海環(huán)流強(qiáng)度；底棲有孔蟲殼體中的鎂鈣比（Mg/Ca）可用于重建深海溫度。這些古氣候記錄揭示了冰期-間冰期循環(huán)中海洋環(huán)流的顯著變化。數(shù)據(jù)表明，末次盛冰期（約2萬年前）的大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）較現(xiàn)在弱且淺，南極底層水的影響范圍更廣。新仙女木事件（約12800-11500年前）期間，AMOC可能經(jīng)歷了顯著減弱甚至?xí)簳r(shí)停滯，導(dǎo)致北半球氣溫急劇下降。這些歷史記錄為理解海洋環(huán)流與氣候變化的關(guān)系提供了寶貴參考。工業(yè)時(shí)代以來的環(huán)流變化趨勢(shì)海表溫度變化(°C)海洋熱含量變化(10^22J)工業(yè)時(shí)代以來，特別是1950年代后，全球海洋環(huán)流系統(tǒng)已經(jīng)顯示出多方面的變化趨勢(shì)。觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）自2004年以來減弱了約15%，墨西哥灣流路徑北移約1°緯度。南半球西風(fēng)帶已向極地方向移動(dòng)約2°緯度，導(dǎo)致南極繞極流增強(qiáng)約10%。這些變化的主要驅(qū)動(dòng)因子包括人為溫室氣體排放導(dǎo)致的全球變暖、氣溶膠排放引起的輻射強(qiáng)迫變化，以及平流層臭氧消耗對(duì)南半球大氣環(huán)流的影響。海洋已吸收了全球變暖90%以上的多余熱量，導(dǎo)致海洋熱含量持續(xù)增加，特別是上層2000米。這些熱量?jī)?chǔ)存和再分配的變化直接影響了環(huán)流系統(tǒng)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。溫鹽環(huán)流對(duì)氣候演變的貢獻(xiàn)極地冰融水增加格陵蘭冰蓋和北極海冰融化北大西洋表層淡化高緯度表層水鹽度降低密度分層增強(qiáng)表層低密度水阻礙深層對(duì)流AMOC減弱北大西洋深水形成減少溫鹽環(huán)流作為全球氣候系統(tǒng)的"熱量傳送帶"，其變化對(duì)氣候演變具有深遠(yuǎn)影響。觀測(cè)和模擬研究表明，北大西洋深水形成是溫鹽環(huán)流最敏感的環(huán)節(jié)。在全球變暖背景下，格陵蘭冰蓋和北極海冰加速融化，大量淡水注入北大西洋，降低了表層海水密度，抑制了深水形成過程。IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，到2100年，大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）很可能減弱15-30%。AMOC減弱將導(dǎo)致歐洲西北部降溫，南半球升溫，同時(shí)改變?nèi)蚪邓窬?。古氣候記錄表明，過去AMOC突然減弱曾引發(fā)北半球顯著降溫，如新仙女木事件期間格陵蘭溫度下降高達(dá)10°C。因此，監(jiān)測(cè)和理解溫鹽環(huán)流變化對(duì)預(yù)測(cè)未來氣候具有重要意義。熱帶太平洋環(huán)流的年代際變異PDO正位相太平洋年代際振蕩（PDO）正位相特征是東北太平洋異常暖，中西部北太平洋異常冷。這一模式類似于厄爾尼諾的SST模式，但空間尺度更大，時(shí)間尺度更長(zhǎng)。PDO正位相通常持續(xù)20-30年，與北美西部干旱和阿拉斯加灣地區(qū)降水增加相關(guān)。PDO負(fù)位相PDO負(fù)位相表現(xiàn)為東北太平洋異常冷，中西部北太平洋異常暖。這一模式與PDO正位相相反，也與拉尼娜的SST模式類似。PDO負(fù)位相期間，美國(guó)西北部通常降水增加，而美國(guó)西南部和墨西哥則更容易出現(xiàn)干旱。IPO全球影響跨十年際太平洋振蕩（IPO）是PDO的南北半球延伸。IPO通過改變熱帶和副熱帶太平洋的海溫模式，影響全球大氣環(huán)流。研究表明，IPO的轉(zhuǎn)變與全球變暖的"停滯期"和"加速期"密切相關(guān)，如1998-2013年的全球變暖"停滯期"與IPO負(fù)位相吻合。極地環(huán)流與極端氣候事件北極海冰減少自1979年衛(wèi)星觀測(cè)開始，北極海冰覆蓋面積以每十年約13%的速率減少極渦減弱北極增溫導(dǎo)致極地與中緯度溫差減小，使極渦不穩(wěn)定且強(qiáng)度減弱急流擺動(dòng)增加極地急流路徑變得更加彎曲，高低壓系統(tǒng)往往在同一區(qū)域停留更長(zhǎng)時(shí)間極端天氣增多中緯度地區(qū)（如北美、歐洲和亞洲）寒潮、熱浪和持續(xù)降水事件頻率增加極地地區(qū)是全球變暖最敏感的區(qū)域，北極增溫速率是全球平均值的2-3倍。這種"北極放大效應(yīng)"（ArcticAmplification）主要由冰-反照率正反饋機(jī)制引起：海冰減少，露出更多深色海面，吸收更多太陽(yáng)輻射，進(jìn)一步加速海冰融化。南極繞極流作為世界上最強(qiáng)大的海洋環(huán)流，近幾十年來向南移動(dòng)并增強(qiáng)了約10%。這主要是由于南半球西風(fēng)帶增強(qiáng)和向極移動(dòng)所致，而西風(fēng)帶變化與平流層臭氧消耗和溫室氣體增加有關(guān)。繞極流的變化影響了南大洋碳吸收、熱量吸收和營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)，對(duì)南半球氣候和全球碳循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。人類活動(dòng)對(duì)海氣相互作用的影響溫室氣體增加人為排放的二氧化碳約30%被海洋吸收，導(dǎo)致海洋表層pH值下降約0.1（海洋酸化）。同時(shí)，溫室氣體增加造成的全球變暖改變了海洋層結(jié)，影響了垂直混合和上升流強(qiáng)度，進(jìn)而影響營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)和初級(jí)生產(chǎn)力。氣溶膠排放人為氣溶膠（如硫酸鹽、黑碳等）通過改變太陽(yáng)輻射和云特性，影響海表溫度分布。20世紀(jì)后半葉，北半球氣溶膠排放可能抑制了熱帶北大西洋的變暖，對(duì)大西洋多年代際振蕩（AMO）和颶風(fēng)活動(dòng)產(chǎn)生影響。淡水輸入冰蓋融化和降水格局變化改變了海洋表層淡水分布。格陵蘭冰蓋每年向北大西洋輸入約2700億噸融水，這些淡水增加了海洋層結(jié)穩(wěn)定性，可能削弱北大西洋深水形成和溫鹽環(huán)流強(qiáng)度。人類活動(dòng)已經(jīng)深刻改變了海氣相互作用的多個(gè)方面。除了上述直接影響外，土地利用變化（如森林砍伐和城市化）也通過改變地表反照率、碳循環(huán)和水循環(huán)，間接影響海洋與大氣之間的能量和物質(zhì)交換。未來幾十年，隨著人類活動(dòng)的持續(xù)影響，海氣相互作用的變化可能加速。特別是海洋溫度上升和層結(jié)增強(qiáng)可能導(dǎo)致極端天氣事件頻率和強(qiáng)度的增加，如熱帶氣旋、海洋熱浪和極端降水事件。理解這些人類影響對(duì)預(yù)測(cè)未來氣候變化和制定減緩及適應(yīng)策略至關(guān)重要。海洋熱含量與熱浪事件持續(xù)時(shí)間(天)最大溫度異常(°C)影響面積(萬平方公里)全球海洋熱含量顯示出明顯的增加趨勢(shì)，尤其是1993年以來。據(jù)估計(jì)，海洋吸收了人類活動(dòng)引起的多余熱量的90%以上，其中上層2000米海洋熱含量增長(zhǎng)速率為每十年約9×10^21焦耳。這種熱量累積導(dǎo)致了海洋熱浪事件的頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間顯著增加。海洋熱浪是指海表溫度異常高持續(xù)數(shù)周至數(shù)月的極端事件。2013-2016年的西北太平洋熱浪（即"暖水團(tuán)"）和2014-2016年的東北太平洋熱浪（綽號(hào)"海怪"）是有記錄以來最強(qiáng)的兩次事件。這些熱浪事件對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響，如藻類大規(guī)模繁殖、珊瑚白化和商業(yè)漁業(yè)損失。研究表明，人類導(dǎo)致的氣候變化已使海洋熱浪的概率增加了20倍，預(yù)計(jì)到2100年，強(qiáng)海洋熱浪將成為常態(tài)。海洋環(huán)流異常對(duì)極端天氣的觸發(fā)作用熱帶氣旋與海溫海洋熱含量是熱帶氣旋強(qiáng)度的關(guān)鍵影響因素。高海表溫度（通常>26°C）提供能量和水汽，而深層暖水則延長(zhǎng)了熱帶氣旋的增強(qiáng)期。近年來，西北太平洋和北大西洋的快速增強(qiáng)風(fēng)暴（24小時(shí)內(nèi)風(fēng)速增加30節(jié)以上）頻率顯著增加，與這些海域上層海洋熱含量增加密切相關(guān)。持續(xù)干旱海洋環(huán)流異?？赡軐?dǎo)致大氣阻塞高壓系統(tǒng)形成，抑制降水。例如，2012-2015年加州極端干旱與異常暖的東北太平洋海溫有關(guān)，這種海溫模式導(dǎo)致了持續(xù)的高壓脊，將風(fēng)暴系統(tǒng)轉(zhuǎn)向北方。同樣，印度洋偶極子正位相事件與澳大利亞東部干旱以及東非洪水密切相關(guān)。極端降水海洋為大氣提供水汽，環(huán)流異?？杉兴斔汀?018年日本西部破紀(jì)錄降水與異常強(qiáng)的太平洋-日本遙相關(guān)模態(tài)有關(guān)，該模態(tài)受黑潮延伸體區(qū)域的海溫異常驅(qū)動(dòng)。同樣，2020年長(zhǎng)江流域特大洪水與印度洋-西太平洋暖池區(qū)異常高溫有關(guān)，這加強(qiáng)了水汽向東亞輸送。剖析PDO、AMO等年代際振蕩與氣候演變PDO影響機(jī)制太平洋年代際振蕩（PDO）主要通過改變阿留申低壓系統(tǒng)強(qiáng)度和位置影響北太平洋環(huán)流和天氣格局。PDO正位相期間，阿留申低壓加深且向東南方向擴(kuò)展，導(dǎo)致北太平洋西部信風(fēng)增強(qiáng)，東部減弱。這引起黑潮-黑潮延伸體系統(tǒng)強(qiáng)度和位置變化，間接影響東亞氣候和北美西部降水。歷史記錄顯示，1925-1946年和1977-1998年為PDO正位相期，1947-1976年和1999-2013年為負(fù)位相期。PDO位相轉(zhuǎn)換與全球氣溫"臺(tái)階式"上升密切相關(guān)，如1976/77年和1998/99年的氣候躍變。AMO影響機(jī)制大西洋多年代際振蕩（AMO）主要通過影響北大西洋環(huán)流、颶風(fēng)活動(dòng)和非洲季風(fēng)影響氣候。AMO正位相期間，北大西洋普遍偏暖，特別是副熱帶和中高緯度地區(qū)。這種海溫模式增強(qiáng)了熱帶大西洋的對(duì)流活動(dòng)，影響了ITCZ位置和美國(guó)東南部夏季降水。自工業(yè)革命以來，AMO經(jīng)歷了1860-1900年和1940-1970年的正位相，以及1900-1940年和1970-2000年的負(fù)位相。目前AMO處于正位相（自約2000年起）。研究表明，AMO可能與大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）強(qiáng)度變化有關(guān)，但其確切形成機(jī)制仍有爭(zhēng)議。PDO和AMO這類年代際振蕩在不同時(shí)間尺度上調(diào)制了ENSO等年際變率現(xiàn)象的影響，共同塑造了全球氣候的長(zhǎng)期演變模式。例如，當(dāng)PDO和ENSO處于同相位時(shí)（如正PDO+厄爾尼諾），其對(duì)北美氣候的影響會(huì)增強(qiáng)；當(dāng)二者反相位時(shí)，影響則相互抵消。理解這些多尺度海氣相互作用對(duì)提高長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)能力至關(guān)重要。氣候系統(tǒng)中的多圈層耦合大氣圈傳輸熱量和水汽主導(dǎo)短期氣候變化對(duì)外部強(qiáng)迫響應(yīng)快速1水圈儲(chǔ)存和再分配熱量調(diào)節(jié)長(zhǎng)期氣候變化記錄氣候變化歷史冰凍圈調(diào)節(jié)地球反照率記錄古氣候信息影響海平面變化巖石圈控制陸地分布提供礦物風(fēng)化吸收CO?通過火山活動(dòng)釋放氣體生物圈參與碳氮氧循環(huán)影響陸地反照率改變地表粗糙度氣候系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、冰凍圈、巖石圈和生物圈相互耦合形成的復(fù)雜系統(tǒng)。這些圈層以不同方式和不同時(shí)間尺度相互作用，共同決定了地球氣候的演變歷程。大氣圈與水圈的耦合形成海氣相互作用，是短期氣候變率的主導(dǎo)因素；而大氣-海洋-冰凍圈的相互作用則主導(dǎo)了長(zhǎng)期氣候變化。陸地過程（如植被變化、土壤水文過程）通過改變地表反照率、粗糙度和蒸散發(fā)，影響大氣環(huán)流和海氣相互作用。例如，亞馬遜森林砍伐不僅改變局地水循環(huán)，還可能通過大氣遙相關(guān)影響遙遠(yuǎn)地區(qū)的氣候。同樣，冰凍圈（特別是北極海冰和格陵蘭冰蓋）的變化通過改變反照率、海表淡水平衡和大氣環(huán)流，對(duì)全球氣候產(chǎn)生廣泛影響。熱帶環(huán)流變化與季風(fēng)系統(tǒng)響應(yīng)1季風(fēng)強(qiáng)度變化亞洲和非洲季風(fēng)系統(tǒng)對(duì)海溫異常敏感2哈德萊環(huán)流擴(kuò)張熱帶輻合帶和副熱帶高壓帶向極移動(dòng)沃克環(huán)流減弱西太平洋與東太平洋氣壓差異減小熱帶環(huán)流系統(tǒng)正經(jīng)歷顯著變化，其中最明顯的是哈德萊環(huán)流的擴(kuò)張和沃克環(huán)流的減弱。衛(wèi)星觀測(cè)和再分析數(shù)據(jù)表明，自1979年以來，哈德萊環(huán)流的邊界（副熱帶高壓帶）已向兩極方向擴(kuò)張約1-2度緯度。這一擴(kuò)張導(dǎo)致副熱帶干旱區(qū)向中緯度擴(kuò)展，影響中緯度地區(qū)水資源和生態(tài)系統(tǒng)。亞洲季風(fēng)系統(tǒng)與ENSO關(guān)系復(fù)雜。通常，厄爾尼諾年份印度夏季風(fēng)減弱，降水減少；而拉尼娜年份則相反。然而，這一關(guān)系在過去幾十年顯示出不穩(wěn)定性，可能與印度洋增暖和歐亞大陸雪蓋變化有關(guān)。東亞季風(fēng)則呈現(xiàn)出"南澇北旱"的長(zhǎng)期趨勢(shì)，與西太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)和位置偏北有關(guān)。氣候模型預(yù)測(cè)，未來全球季風(fēng)降水總量可能增加，但區(qū)域差異顯著，且季節(jié)內(nèi)變率和極端事件可能增加。海洋環(huán)流對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的意義上升流與初級(jí)生產(chǎn)力海洋上升流區(qū)（如秘魯沿岸、赤道太平洋東部等）將深層富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的冷水帶到表層，支持了高水平的浮游植物生長(zhǎng)。這些區(qū)域雖僅占海洋面積的約5%，卻貢獻(xiàn)了全球海洋初級(jí)生產(chǎn)力的20-25%。上升流強(qiáng)度的變化直接影響漁業(yè)資源和碳循環(huán)效率。碳的物理泵和生物泵海洋每年吸收約30%的人為二氧化碳排放，其中約一半通過物理溶解（物理泵），另一半通過生物活動(dòng)（生物泵）。溫鹽環(huán)流將碳從表層輸送到深海，是碳儲(chǔ)存的關(guān)鍵過程。同時(shí)，表層浮游生物將無機(jī)碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳，死亡后沉降到深海，形成長(zhǎng)期碳封存。氧氣最小區(qū)與反硝化作用東太平洋和北印度洋的氧氣最小區(qū)是海洋環(huán)流和生物活動(dòng)共同作用的結(jié)果。這些區(qū)域由于上層高生產(chǎn)力和受限的水平交換，導(dǎo)致中層水體氧氣嚴(yán)重消耗。氧氣最小區(qū)是海洋氮循環(huán)的關(guān)鍵區(qū)域，支持反硝化作用，影響全球固氮生物的分布和海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康。海洋環(huán)流通過控制營(yíng)養(yǎng)鹽分布、氧氣供應(yīng)和碳封存，在全球生物地球化學(xué)循環(huán)中扮演核心角色。環(huán)流變化可能對(duì)這些過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。全球變暖正導(dǎo)致海洋層結(jié)增強(qiáng)，抑制垂直混合和營(yíng)養(yǎng)鹽供應(yīng)，可能降低未來海洋的生物生產(chǎn)力和碳吸收能力。全球變暖對(duì)大洋環(huán)流的未來影響15-30%AMOC減弱幅度IPCCAR6預(yù)測(cè)21世紀(jì)AMOC可能減弱的范圍20%西邊界流偏移黑潮和墨西哥灣流可能向極移動(dòng)的距離25%熱帶輻合帶擴(kuò)張ITCZ可能的南北向擴(kuò)張幅度35%極地增溫放大極地地區(qū)溫度上升超過全球平均的程度全球氣候模式預(yù)測(cè)，未來大洋環(huán)流將經(jīng)歷多方面的變化。最顯著的是大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）的減弱，這主要由北大西洋表層淡化和增暖導(dǎo)致的層結(jié)增強(qiáng)引起。雖然模型一致預(yù)測(cè)AMOC將減弱，但減弱的程度和時(shí)間進(jìn)程存在不確定性。大多數(shù)模式顯示21世紀(jì)AMOC不太可能完全崩潰，但不能排除在高排放情景下發(fā)生"臨界點(diǎn)"轉(zhuǎn)變的可能性。其他預(yù)期的環(huán)流變化包括：副熱帶西邊界流（如墨西哥灣流、黑潮）的極向偏移和加強(qiáng)；熱帶太平洋沃克環(huán)流的減弱；南極繞極流的加強(qiáng)和南移。這些環(huán)流變化將重塑全球熱量和水汽分布，影響區(qū)域氣候和極端事件。但模式預(yù)測(cè)仍存在顯著不確定性，特別是對(duì)于區(qū)域尺度的變化和極端事件的預(yù)測(cè)，這部分源于模式分辨率限制和海-氣反饋過程的復(fù)雜性。案例分析1：1997/98年超級(jí)厄爾尼諾1997/98年超級(jí)厄爾尼諾是20世紀(jì)觀測(cè)到的最強(qiáng)厄爾尼諾事件之一。這次事件在1997年3月開始發(fā)展，到1997年底達(dá)到頂峰，Ni?o3.4區(qū)域的海表溫度異常高達(dá)3.5°C。事件發(fā)展迅速，在僅幾個(gè)月內(nèi)從中性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)厄爾尼諾，這種快速發(fā)展可能與西太平洋暖池異常擴(kuò)張和多個(gè)西風(fēng)爆發(fā)事件有關(guān)。這次事件對(duì)全球天氣和氣候產(chǎn)生了顯著影響：印度尼西亞和澳大利亞遭受嚴(yán)重干旱和大規(guī)模森林火災(zāi)；秘魯和厄瓜多爾發(fā)生災(zāi)難性洪水；北美異常溫暖，特別是加拿大和美國(guó)北部；東非出現(xiàn)異常降雨和洪水。據(jù)估計(jì)，這次厄爾尼諾事件導(dǎo)致全球超過2萬人死亡，經(jīng)濟(jì)損失超過300億美元。此事件的獨(dú)特之處還在于其快速轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)拉尼娜狀態(tài)，這種迅速轉(zhuǎn)換可能與太平洋海盆中蓄積的熱量迅速釋放有關(guān)。案例分析2：2013-2016年海洋熱浪"暖水團(tuán)"形成2013年末，北太平洋東北部出現(xiàn)了一個(gè)巨大的海表溫度異常暖區(qū)，科學(xué)家將其稱為"暖水團(tuán)"（TheBlob）。這一熱浪區(qū)域面積超過200萬平方公里，海表溫度異常達(dá)3-4°C。這一異常暖區(qū)在2014年擴(kuò)展至美國(guó)西海岸，并持續(xù)到2016年初。研究表明，其形成主要由反常的大氣高壓脊導(dǎo)致，這減少了海洋表層的熱量損失和垂直混合。生態(tài)系統(tǒng)影響這次海洋熱浪對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。海水異常升溫導(dǎo)致大量魚類向北遷移，使阿拉斯加海域出現(xiàn)了通常在更南地區(qū)的物種。同時(shí)，加州沿岸的巨藻森林幾乎完全消失，導(dǎo)致依賴它們的海膽數(shù)量激增。熱浪期間，有毒藻華大規(guī)模爆發(fā)，導(dǎo)致魚類和海鳥大規(guī)模死亡，并迫使商業(yè)和休閑漁業(yè)關(guān)閉。陸地氣候影響這次海洋熱浪與加州歷史性干旱同時(shí)發(fā)生，并可能加劇了干旱狀況。大氣環(huán)流異常（高壓脊）既導(dǎo)致了海洋熱浪，又減少了向加州的降水。此外，沿海地區(qū)溫度升高，特別是夜間最低溫度，進(jìn)一步增加了蒸發(fā)和干旱壓力。研究表明，這種聯(lián)合極端事件可能是全球變暖背景下出現(xiàn)的新常態(tài)。案例分析3：北大西洋溫鹽環(huán)流變?nèi)踝?004年RAPID計(jì)劃開始系統(tǒng)監(jiān)測(cè)以來，北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流（AMOC）已顯示出約15%的減弱趨勢(shì)。26.5°N橫斷面測(cè)量顯示，AMOC輸送量從2004年的約18.5Sv（1Sv=10^6m3/s）下降到近期的約15.5Sv。這一減弱趨勢(shì)超出了自然變率范圍，可能部分歸因于人類活動(dòng)導(dǎo)致的全球變暖。特別是格陵蘭冰蓋加速融化和北極地區(qū)增暖可能增加了北大西洋表層的淡水輸入和熱量收入，減弱了深水形成過程。AMOC減弱的證據(jù)還包括北大西洋次表層增溫、表層的"冷水團(tuán)"（coldblob）異常，以及格陵蘭南部海域鹽度降低。這種變化已產(chǎn)生區(qū)域氣候影響，如歐洲西部冬季氣溫變化模式和大西洋颶風(fēng)活動(dòng)的變化。雖然當(dāng)前減弱尚未達(dá)到臨界點(diǎn)，但若減弱趨勢(shì)持續(xù)，可能導(dǎo)致歐洲氣候顯著變冷、非洲-亞洲季風(fēng)系統(tǒng)變化，以及海平面區(qū)域性升高。多模式預(yù)測(cè)顯示，在高排放情景下，本世紀(jì)末AMOC可能減弱34-45%，但完全崩潰的可能性較低。典型觀測(cè)計(jì)劃介紹（如TOGA,WOCE,GOOS）計(jì)劃名稱實(shí)施時(shí)間主要貢獻(xiàn)TOGA（熱帶海洋和全球大氣計(jì)劃）1985-1994建立了TAO/TRITON熱帶太平洋浮標(biāo)陣列，極大促進(jìn)了ENSO機(jī)理研究和預(yù)測(cè)WOCE（世界大洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)）1990-2002首次系統(tǒng)測(cè)量全球大洋環(huán)流，為理解全球溫鹽環(huán)流提供基礎(chǔ)GOOS（全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)）1991-至今整合多種觀測(cè)平臺(tái)，提供長(zhǎng)期持續(xù)的海洋觀測(cè)Argo計(jì)劃2000-至今部署全球超過4000個(gè)自動(dòng)剖面浮標(biāo)，提供海洋上層熱鹽結(jié)構(gòu)RAPID計(jì)劃2004-至今在26.5°N建立橫斷面觀測(cè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)AMOC強(qiáng)度變化這些大型觀測(cè)計(jì)劃為理解全球海洋環(huán)流和海氣相互作用提供了寶貴數(shù)據(jù)。TOGA計(jì)劃的創(chuàng)新之處在于將海洋觀測(cè)與氣候預(yù)測(cè)直接聯(lián)系起來，其建立的TAO/TRITON浮標(biāo)陣列至今仍是ENSO監(jiān)測(cè)的核心。WOCE計(jì)劃則首次通過全球密集觀測(cè)斷面，揭示了全球海洋三維環(huán)流結(jié)構(gòu)，奠定了對(duì)溫鹽環(huán)流的現(xiàn)代認(rèn)識(shí)。當(dāng)前的全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（GOOS）整合了多種觀測(cè)平臺(tái)，形成協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。Argo計(jì)劃的自動(dòng)剖面浮標(biāo)提供了前所未有的全球海洋內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；衛(wèi)星高度計(jì)持續(xù)監(jiān)測(cè)全球海面高度變化；固定錨系陣列（如RAPID、OSNAP、SAMOC）則提供關(guān)鍵斷面的連續(xù)時(shí)間序列。這些觀測(cè)系統(tǒng)共同構(gòu)成了海洋科學(xué)的"基礎(chǔ)設(shè)施"，為氣候研究和預(yù)測(cè)提供了至關(guān)重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。未來觀測(cè)與模擬發(fā)展方向綜合衛(wèi)星觀測(cè)未來衛(wèi)星觀測(cè)將走向更高分辨率、更多參數(shù)同步觀測(cè)的方向。例如，NASA的SWOT（水面地形測(cè)量）衛(wèi)星能夠以前所未有的分辨率測(cè)量海面高度，揭示中尺度渦旋和湍流；而中國(guó)的"海洋二號(hào)"系列衛(wèi)星提供海表溫度、風(fēng)場(chǎng)和鹽度的綜合觀測(cè)。多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)將成為趨勢(shì)，允許近實(shí)時(shí)重建三維海洋狀態(tài)。自主觀測(cè)系統(tǒng)未來10年，自主觀測(cè)平臺(tái)如深海Argo、生物Argo和水下滑翔機(jī)將大幅擴(kuò)展。這些平臺(tái)能夠長(zhǎng)期獨(dú)立工作，到達(dá)傳統(tǒng)觀測(cè)難以覆蓋的區(qū)域，如極地海域和深海。特別是Bio-Argo浮標(biāo)將攜帶生物地球化學(xué)傳感器，同時(shí)測(cè)量物理和生化參數(shù)，彌合物理海洋學(xué)和海洋生物學(xué)之間的鴻溝。高分辨率耦合模式下一代耦合模式將解決中尺度過程，模擬分辨率達(dá)到公里級(jí)，能夠明確表現(xiàn)中尺度渦旋、沿岸上升流和邊界流等關(guān)鍵過程。這些模式將整合更復(fù)雜的生物地球化學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)組件，實(shí)現(xiàn)從物理到生態(tài)的全系統(tǒng)模擬。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)將用于改進(jìn)參數(shù)化方案和模式數(shù)據(jù)融合。觀測(cè)與模擬的融合將是未來發(fā)展的核心趨勢(shì)。數(shù)據(jù)同化技術(shù)將不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)與模式的最優(yōu)結(jié)合，生成高分辨率、三維、連續(xù)的海洋和大氣狀態(tài)估計(jì)。同時(shí)，量子計(jì)算和人工智能將在處理和分析海量數(shù)據(jù)方面發(fā)揮越來越重要的作用。這些技術(shù)進(jìn)步將顯著提高我們監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)海洋環(huán)流變化的能力，特別是在極地區(qū)域、深海和沿海復(fù)雜區(qū)域。對(duì)海-氣-冰-陸多圈層耦合系統(tǒng)的更全面理解，將使我們能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來氣候變化及其對(duì)人類社會(huì)的影響。海洋環(huán)流變異性及其檢測(cè)新技術(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)正被用于分析海量海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，從中提取模式和預(yù)測(cè)變化。深度學(xué)習(xí)算法已成功用于ENSO預(yù)測(cè)，顯著延長(zhǎng)了預(yù)測(cè)提前期。自組織映射（SOM）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）等技術(shù)能夠自動(dòng)識(shí)別海洋環(huán)流模態(tài)和異常，幫助科學(xué)家從海量數(shù)據(jù)中提取有價(jià)值的信息。自動(dòng)化浮標(biāo)與水下滑翔機(jī)新一代自主觀測(cè)平臺(tái)正在革新海洋觀測(cè)方式。水下滑翔機(jī)能夠在海洋中"飛行"數(shù)千公里，收集長(zhǎng)時(shí)間序列的三維數(shù)據(jù)。深海Argo浮標(biāo)可下潛至6000米，填補(bǔ)了深海觀測(cè)的空白。生物地球化學(xué)Argo則搭載了氧氣、葉綠素、硝酸鹽等傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)物理和生化參數(shù)，為研究環(huán)流對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。高分辨率衛(wèi)星遙感新一代衛(wèi)星遙感技術(shù)如雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）、SWOT任務(wù)和海色遙感正在提供前所未有的空間分辨率。這些技術(shù)能夠觀測(cè)到中尺度渦旋和次中尺度過程，揭示環(huán)流的精細(xì)結(jié)構(gòu)。多星組網(wǎng)觀測(cè)已成為趨勢(shì)，通過多顆衛(wèi)星同時(shí)觀測(cè)，提供全天候、高時(shí)空分辨率的海洋表層信息。海氣相互作用的新興研究領(lǐng)域海表微層過程海表微層（SML）是海氣界面最上層的微米級(jí)薄層，在海氣相互作用中扮演關(guān)鍵角色。這一區(qū)域具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物特性，直接影響氣體、熱量和動(dòng)量的交換過程。近年研究表明，海表微層中的表面活性物質(zhì)可顯著改變氣體溶解度和交換速率；而微塑料污染物在此積累，可能影響輻射傳輸和生物過程。海洋表層微生物對(duì)能量交換的影響海洋表層的微生物組是海氣界面的活躍參與者。最新研究揭示，浮游植物和細(xì)菌釋放的有機(jī)物可改變海水表面張力和粘度，間接影響海氣界面的能量和物質(zhì)交換。特別是在藻華期間，生物活動(dòng)可顯著改變海面反照率、熱吸收特性和粗糙度，進(jìn)而影響輻射平衡和動(dòng)量交換。極端事件下的海氣相互作用極端氣候事件（如熱帶氣旋、極端海洋熱浪）下的海氣相互作用過程是新興研究熱點(diǎn)。高風(fēng)速條件下，傳統(tǒng)的氣體交換和熱通量參數(shù)化方案可能失效；而極端溫度條件下，海洋層結(jié)和混合過程也發(fā)生顯著變化。了解這些極端條件下的相互作用機(jī)制，對(duì)提高極端事件預(yù)測(cè)能力至關(guān)重要。這些新興研究領(lǐng)域正在改變我們對(duì)海氣相互作用的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)了微尺度過程和生物因素的重要性。隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家能夠以前所未有的精度研究海氣界面的復(fù)雜過程，揭示更多以前被忽視的機(jī)制和反饋。國(guó)際科研與政策合作IPCC海洋與冰凍圈報(bào)告政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）于2019年發(fā)布的《海洋與冰凍圈特別報(bào)告》，是首份系統(tǒng)評(píng)估海洋變化對(duì)人類影響的權(quán)威文件。該報(bào)告匯集了全球66個(gè)國(guó)家的104位科學(xué)家的研究，為各國(guó)制定應(yīng)對(duì)氣候變化政策提供科學(xué)依據(jù)。世界氣候研究計(jì)劃（WCRP）WCRP下的"氣候與海洋-變異性、可預(yù)測(cè)性和變化"（CLIVAR）項(xiàng)目是國(guó)際海氣相互作用研究的主要平臺(tái)。該項(xiàng)目協(xié)調(diào)全球海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，制定研究議程，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享，并定期舉辦科學(xué)研討會(huì)，推動(dòng)國(guó)際科研合作。全球氣候治理協(xié)作《巴黎協(xié)定》為全球氣候治理提供了框架，各國(guó)承諾減少溫室氣體排放，限制全球平均溫度升高。海洋科學(xué)為這一政策框架提供支持，特別是在評(píng)估碳預(yù)算、預(yù)測(cè)海平面上升和極端事件方面。國(guó)際數(shù)據(jù)共享平臺(tái)全球海洋數(shù)據(jù)同化試驗(yàn)（GODAE）和全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)（GOOS）促進(jìn)了海洋數(shù)據(jù)的開放共享。這些平臺(tái)使研究人員能夠訪問全球海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，推動(dòng)了跨國(guó)合作研究。國(guó)際科研與政策合作是應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。海洋作為無國(guó)界的系統(tǒng)，其研究和管理本質(zhì)上需要國(guó)際協(xié)作。近年來，南北半球國(guó)家、發(fā)達(dá)和發(fā)展中國(guó)家之間的合作日益加強(qiáng)，形成了更全面的全球觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)和研究框架。中國(guó)在國(guó)際海洋和氣候研究中的參與度不斷提高，通過"一帶一路"海洋合作、中國(guó)-東盟海洋合作等平臺(tái)，加強(qiáng)了與周邊國(guó)家在海洋觀測(cè)和氣候研究方面的合作。中國(guó)科學(xué)家積極參與IPCC評(píng)估報(bào)告編寫、WCRP科學(xué)指導(dǎo)，并貢獻(xiàn)了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果。未來，隨著全球氣候治理的深入，國(guó)際科研與政策合作將進(jìn)一步加強(qiáng)。課程小結(jié)一：大洋環(huán)流重要性回顧氣候調(diào)節(jié)器大洋環(huán)流是全球氣候系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)器熱量傳輸環(huán)流輸送熱量，平衡全球溫度分布碳封存深層環(huán)流將碳從表層帶到深海天氣系統(tǒng)環(huán)流異常可觸發(fā)極端天氣事件在本課程的前半部分，我們系統(tǒng)地介紹了大洋環(huán)流系統(tǒng)的基本概念、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和全球分布。大洋環(huán)流作為地球氣候系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過熱量和水分的再分配，深刻影響著全球氣候格局。表層環(huán)流主要受風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，對(duì)短期氣候變率（如ENSO）響應(yīng)迅速；而深層環(huán)流（溫鹽環(huán)流）則受海水密度差異驅(qū)動(dòng)，是長(zhǎng)期氣候穩(wěn)定的關(guān)鍵。我們還探討了環(huán)流系統(tǒng)的觀測(cè)證據(jù)和變化趨勢(shì)。自工業(yè)革命以來，特別是近幾十年，全球海洋環(huán)流系統(tǒng)已顯示出多方面的變化信號(hào)：北大西洋經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流減弱、西邊界流路徑北移、南極繞極流增強(qiáng)等。這些變化與人類活動(dòng)導(dǎo)致的全球變暖密切相關(guān)，并可能通過改變熱量和水汽分布，影響未來氣候演變和極端事件發(fā)生頻率。課程小結(jié)二：海氣相互作用核心機(jī)制海氣耦合系統(tǒng)海洋與大氣形成相互影響的復(fù)雜系統(tǒng)能量與物質(zhì)交換熱量、水汽、動(dòng)量和氣體在海氣界面不斷交換3環(huán)流與天氣格局海氣相互作用塑造全球環(huán)流和天氣系統(tǒng)本課程的后半部分聚焦于海氣相互作用的核心機(jī)制和主要現(xiàn)象。我們?cè)敿?xì)討論了海洋與大氣之間的能量交換（輻射、感熱、潛熱）、水分交換（蒸發(fā)、降水）、動(dòng)量交換（風(fēng)應(yīng)力、表面摩擦）和氣體交換（二氧化碳溶解等）。這些交換過程通過復(fù)雜的正反饋和負(fù)反饋機(jī)制相互影響，共同塑造了地球的氣候系統(tǒng)。我們還分析了典型的海氣相互作用現(xiàn)象，如厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）、印度洋偶極子和北大西洋濤動(dòng)。這些現(xiàn)象表現(xiàn)為海洋和大氣的協(xié)同變化，對(duì)全球和區(qū)域氣候有重大影響。通過案例分析，我們探討了1997/98年超級(jí)厄爾尼諾、2013-2016年北太平洋海洋熱浪等重大事件，理解了海氣相互作用在極端氣候事件中的關(guān)鍵作用?？键c(diǎn)與復(fù)習(xí)建議核心概念大洋環(huán)流的基本定義與分類表層環(huán)流與深層環(huán)流的區(qū)別溫鹽環(huán)流（全球傳送帶）的結(jié)構(gòu)與功能海氣相互作用的四種主要交換過程主要海氣相互作用現(xiàn)象的機(jī)制關(guān)鍵觀測(cè)證據(jù)大洋環(huán)流變化的主要觀測(cè)方法環(huán)流變化的歷史重建方法工業(yè)時(shí)代以來的環(huán)流變化趨勢(shì)典型觀測(cè)計(jì)劃及其科學(xué)貢獻(xiàn)新興觀測(cè)技術(shù)及應(yīng)用前景氣候影響機(jī)制ENSO對(duì)全球氣候的影響機(jī)制海洋環(huán)流異常與極端天氣的聯(lián)系溫鹽環(huán)流變化對(duì)氣候的潛在影響海洋熱含量與熱浪事件的關(guān)系人類活動(dòng)對(duì)海氣相互作用的影響復(fù)習(xí)建議：建議從基礎(chǔ)概念入手，確保對(duì)大洋環(huán)流的分類、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和全球分布有清晰理解。重點(diǎn)掌握海氣相互作用的核心機(jī)制，特別是能量、水分、動(dòng)量和氣體的交換過程。這些是理解更復(fù)雜現(xiàn)象的基礎(chǔ)。對(duì)于ENSO等典型海氣相互作用現(xiàn)象，建議從物理機(jī)制出發(fā)，理解其形成、發(fā)展和衰減的完整過程，以及對(duì)全球氣候的影響機(jī)制。結(jié)合案例分析（如1997/98超級(jí)厄爾尼諾）深化理解。最后，關(guān)注全球變暖背景下大洋環(huán)流和海氣相互作用的