8.3.1海洋在气候系统中的地位

一、气候系统

(一)气候系统的组成

气候系统的提出是气候学研究进入一个新阶段的重要标志之一。在这个意义上，人们不仅要研究大气内部过程对气候变化的影响，同时也要考虑海洋、冰雪、地表以及生物状况对气候变化的作用。即把气候变化视为包括大气、海洋、冰雪圈、陆地表面和生物圈组成的气候系统的总体行为。上述各子系统之间的各种物理、化学以及生物过程的相互作用，决定了气候的长期平均状态以及各种时间尺度的变化。

气候系统的概念可以用图8—17表示。它既包括了大气和海洋等子系统内部的各种过程，例如大气和海洋环流、大气中水的相变以及海洋中盐度的变化等，又更多地反映了各个子系统间的相互作用，例如海-气相互作用、陆-气相互作用、冰-海相互作用、大气-冰雪相互作用以及气候(大气)-生物相互作用等等。越来越多的事实表明，上述各种相互作用过程对气候及其变化的影响是复杂的，也是十分重要的。

大气运动及气候的状态和变化都同太阳辐射有着非常重要的关系，特别是太阳辐射为大气和海洋的运动以至生物活动提供了最基本的能源。太阳活动所引起的太阳辐射的改变也必然对地球气候及其变化发生重要影响。因此，气候系统还应包括天文因素(主要是太阳活动)在内。

(二)气候系统的性质

正如图8—17所示，气候系统是由五个主要分量构成的综合系统，这五个相互联系和相互作用的分量是：大气圈、水圈(海洋)、冰雪圈、岩石圈和生物圈。

这些子系统都是开放的非孤立系统。作为一个整体，我们假定全球气候系统对能量而言是非孤立系统，对外与外层空间的物质交换而言则是一个封闭系统。大气圈、水圈、冰雪圈和生物圈构成了一个由复杂物理过程联系起来的串级系统。这些物理过程包括穿越边界的能量、动量和物质输送，且生成了大量的反馈机制。

气候系统的各分量是非均匀的热力学-动力学系统，它们可以用化学组成，热力学及力学状态加以描述。

气候系统各不同分量的估计时间尺度(正比于响应时间尺度)在不同子系统之间变化很大，甚至在同一个子系统内变化也很大。大气边界层内的时间尺度从几分钟到数小时。自由大气时间尺度由数周到几个月。海洋表面混合层的时间尺度是数周到几年。对于深层海水则从几十年到几千年。海冰是几周到几十年。内陆水和植被由几个月至几百年。对冰川来说其时间尺度为世纪量级，而冰原的时间尺度是几千年甚至更长。地壳构造现象的时间尺度在千万年的量级。

由于气候系统内部的复杂性以及不同的系统有不同的响应时间，在研究气候系统时，不可能也不必要把全部子系统同时考虑在内，因而可依序考虑内部系统和外部系统。首先，把那些具有最短响应时间的系统看成是同一级的内部系统，于是就可把所有其它分量看成是外部系统。例如，对于数小时到几个月的时间尺度，大气可以看成是气候系统的唯一内部分量，而海洋、冰雪、陆地表面、生物圈都可处理成边界条件和外强迫。对于由数月到几百年的时间尺度，气候内部系统必须包括大气和海洋，也应考虑雪盖、海冰和生物圈。对于时间尺度超过几百年的气候变化研究，还必须考虑整个冰雪圈和生物圈，而把岩石圈看成是外强迫。

气候系统主要由两个外强迫来制约其全球行为，它们就是太阳辐射和重力作用。在外强迫中必须把太阳辐射看成是主要因子，因为它提供了驱动气候系统的几乎所有能量。到达大气顶的太阳辐射有一部分传输下来，一部分转换成最终由大气和海洋环流耗散掉的其它形式的能量，另一部分则用于化学和生物过程。在气候系统内部，能量以多种形式存在，如热能、势能、动能、化学能，以及短波太阳辐射能和长波地面辐射能。在所有各种形式的能量中，我们可以不考虑电能和磁能，因为它们仅在非常高的大气层中起作用。

由于地球的球形、轨道运动和地球轴的倾斜，短波辐射不均匀地分布在气候系统的不同部分。与极区相比，有更多的太阳辐射到达热带地区并被吸收。把地球作为一个整体，观测表明，这一系统通过红外辐射失去的能量差不多等同于由入射太阳辐射得到的能量。

由于赤道和两极地区观测到的温差不大，地球射出辐射随纬度的降低比起吸收的太阳辐射随纬度的降低要弱得多，从而使热带地区有能量的净收入。自40°纬度的向极地区有能量的净亏损。这种能量的源汇分布为发生在气候系统内几乎所有的热力学过程(一般是不可逆的)，包括大气和海洋环流，提供了基本的原动力。

二、海洋在气候系统中的地位

海洋在地球气候的形成和变化中的重要作用已越来越为人们所认识，它是地球气候系统的最重要的组成部分。80年代的研究结果清楚地表明，海洋-大气相互作用是气候变化问题的核心内容，对于几年到几十年时间尺度的气候变化及其预测，只有在充分了解大气和海洋的耦合作用及其动力学的基础上才能得到解决。海洋在气候系统中的重要地位是由海洋自身的性质所决定的。

地球表面约71％为海洋所覆盖，全球海洋吸收的太阳辐射量约占进入地球大气顶的总太阳辐射量的70％左右。因此，海洋，尤其是热带海洋，是大气运动的重要能源。

海洋有着极大的热容量，相对大气运动而言，海洋运动比较稳定，运动和变化比较缓慢。

海洋是地球大气系统中CO2的最大的汇。

上述三个重要性质，决定了海洋对大气运动和气候变化具有不可忽视的影响。

(一)海洋对大气系统热力平衡的影响

海洋吸收太阳入射辐射的70％，其绝大部分(85％左右)被贮存在海洋表层(混合层)中。这些被贮存的能量将以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气，驱动大气的运动。因此，海洋热状况的变化以及海面蒸发的强弱都将对大气运动的能量产生重要影响，从而引起气候的变化。

海洋并非静止的水体，它也有各种尺度的运动，海洋环流在地球大气系统的能量输送和平衡中起着重要作用。由于地球大气系统中低纬地区获得的净辐射能多于高纬地区，因此，要保持能量平衡，必须有能量从低纬地区向高纬地区输送。研究表明，全球平均有近70％的经向能量输送是由大气完成的，还有30％的经向能量输送要由海洋来承担。而且在不同的纬度带，大气和海洋各自输送能量的相对值也不同，在0°～30°N的低纬度区域，海洋输送的能量超过大气的输送，最大值在20°N附近，海洋的输送在那里达到了74％，但在30°N以北的区域，大气输送的能量超过海洋的输送，在50°N附近有最强的大气输送。这样，对地球大气系统的热量平衡来讲，在中低纬度主要由海洋环流把低纬度的多余热量向较高纬度输送；在中纬度的50°N附近，因有西部边界流的输送，通过海气间的强烈热交换，海洋把相当多的热量输送给大气，再由大气环流以特定形式将能量向更高纬度输送。因此，如果海洋对热量的经向输送发生异常，必将对全球气候变化产生重要影响。

(二)海洋对水汽循环的影响

大气中的水汽含量及其变化既是气候变化的表征之一，又会对气候产生重要影响。大气中水汽量的绝大部分(86％)由海洋供给，尤其低纬度海洋，是大气中水汽的主要源地。因此，不同的海洋状况通过蒸发和凝结过程将会对气候及其变化产生影响。

(三)海洋对大气运动的调谐作用

因海洋的热力学和动力学惯性使然，海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性。海洋的这一特征一方面使海洋有较强的“记忆”能力，可以把大气环流的变化通过海气相互作用将信息贮存于海洋中，然后再对大气运动产生作用；另一方面，海洋的热惯性使得海洋状况的变化有滞后效应，例如海洋对太阳辐射季节变化的响应要比陆地落后1个月左右；通过海气耦合作用还可以使较高频率的大气变化(扰动)减频，导致大气中较高频变化转化成为较低频的变化。

(四)海洋对温室效应的缓解作用

海洋，尤其是海洋环流，不仅减小了低纬大气的增热，使高纬大气加热，降水量亦发生相应的改变，而且由于海洋环流对热量的向极输送所引起的大气环流的变化，还使得大气对某些因素变化的敏感性降低。例如大气中CO2含量增加的气候(温室)效应就因海洋的存在而被减弱。
　　本文标题：海洋-大气相互作用
　　手机页面：http://m.dljs.net/dlsk/haike/10781.html
　　本文地址：http://www.dljs.net/dlsk/haike/10781.html