三讲总复习-大气科学和地球流体力学数值模拟课件

大洋环流和海气相互作用数值模拟中国科学院大气物理研究所LASG要点复习要点复习 周天军周天军E-mail:http:/ 云对海气相互作用的影响云对海气相互作用的影响 大洋环流和海气相互作用数值模拟第六讲 云对海气相互作用的影响2三讲总复习-大气科学和地球流体力学数值模拟课件3光学厚度光学厚度3.62323云顶气压云顶气压440hPa680hPa680hPa积云积云层积云层积云层云层云根据云的辐射特性分类根据云的辐射特性分类光学厚度23云顶气压4u西太平洋暖池区的对流云和高云西太平洋暖池区的对流云和高云u5 5个冷洋面上的低层云：个冷洋面上的低层云：（美国西海岸（美国西海岸,南美西海岸南美西海岸,南非西海岸南非西海岸,北非和欧洲西海岸北非和欧洲西海岸,澳大利亚西海岸）澳大利亚西海岸）u长江流域的中层云长江流域的中层云u层云形成于稳定层结的空气中层云形成于稳定层结的空气中 典型云区西太平洋暖池区的对流云和高云典型云区5l地球的温度很大程度上取决于入射的太阳辐射地球的温度很大程度上取决于入射的太阳辐射和地球大气射出的长波辐射的平衡。和地球大气射出的长波辐射的平衡。l晴天平均向外射出辐射与实际状况平均向外射晴天平均向外射出辐射与实际状况平均向外射出辐射之差，即为辐射强迫，它表示的是该区出辐射之差，即为辐射强迫，它表示的是该区域云的存在对辐射的影响。域云的存在对辐射的影响。l反射太阳辐射，冷却地球；反射太阳辐射，冷却地球；l吸收地球表面的长波辐射通量，并向地面发射吸收地球表面的长波辐射通量，并向地面发射长波辐射，加热地球长波辐射，加热地球（被子效应）（被子效应）l云参与地球气候复杂的反馈过程云参与地球气候复杂的反馈过程云辐射强迫云辐射强迫地球的温度很大程度上取决于入射的太阳辐射和地球大气射出的长波6云辐射强迫云辐射强迫LWCRF=Fclr-FSWCRF=S(clr-)Net CRF=LWCRF+SWCRF 云辐射强迫LWCRF=Fclr-F7u不同种类云的辐射特性不同，净云辐射强迫不同。不同种类云的辐射特性不同，净云辐射强迫不同。u西太平洋暖池区的对流云和高云，其深厚的云体对短波的反照率大，造成短西太平洋暖池区的对流云和高云，其深厚的云体对短波的反照率大，造成短波损失大，但由于其云顶高而云顶温度低，起截留地球表面长波辐射通量的波损失大，但由于其云顶高而云顶温度低，起截留地球表面长波辐射通量的作用保护长波，使得大气保留的长波辐射也大。在西太平洋暖池区，长短波作用保护长波，使得大气保留的长波辐射也大。在西太平洋暖池区，长短波云辐射强迫都很强但大小相当符号相反，其净的云辐射强迫几乎为云辐射强迫都很强但大小相当符号相反，其净的云辐射强迫几乎为0 0。u大洋东岸冷洋面上的低层云，由于云顶低对长波影响小，大洋东岸冷洋面上的低层云，由于云顶低对长波影响小，主要表现为对短波主要表现为对短波的反射的反射。层状云以反射太阳辐射冷却地球为主，所以净的云辐射强迫值为负。层状云以反射太阳辐射冷却地球为主，所以净的云辐射强迫值为负。大洋东岸的层云区都是较强的负云辐射强迫区。大洋东岸的层云区都是较强的负云辐射强迫区。u高原下游的大陆性中层云净的负云辐射强迫的强度可以达到与东南太高原下游的大陆性中层云净的负云辐射强迫的强度可以达到与东南太平洋地区冷洋面上层云净的负云辐射强迫相当的强度，中层云的强负平洋地区冷洋面上层云净的负云辐射强迫相当的强度，中层云的强负云辐射强迫对我国华东地区的气候有着显著的影响。它改变了局地的云辐射强迫对我国华东地区的气候有着显著的影响。它改变了局地的能量平衡。在大多副热带地区，大气柱都是通过从大气顶获得的净辐能量平衡。在大多副热带地区，大气柱都是通过从大气顶获得的净辐射通量向高纬度地区输送能量。但在中国东部地区，为了补偿在大气射通量向高纬度地区输送能量。但在中国东部地区，为了补偿在大气顶辐射冷却的能量损失，大气柱不得不通过湿静力能辐合从周边大气顶辐射冷却的能量损失，大气柱不得不通过湿静力能辐合从周边大气获取能量，也就是说，副热带区域的长江流域大气是能量汇。获取能量，也就是说，副热带区域的长江流域大气是能量汇。不同种类云的辐射特性不同，净云辐射强迫不同。8u层状云以反射太阳辐射冷却地球为主层状云以反射太阳辐射冷却地球为主u高云起截留地球表面长波辐射通量的作用高云起截留地球表面长波辐射通量的作用u暖池区的长短波强迫都很强但净强迫很小暖池区的长短波强迫都很强但净强迫很小u大洋东岸的层云区都是较强的负强迫大洋东岸的层云区都是较强的负强迫u长江流域的深厚层状云有很强的冷却作用长江流域的深厚层状云有很强的冷却作用云的强迫和反馈云的强迫和反馈大洋东部冷洋面地区、西太平洋暖池、中国大洋东部冷洋面地区、西太平洋暖池、中国东部地区的云辐射强迫特征东部地区的云辐射强迫特征 层状云以反射太阳辐射冷却地球为主云的强迫和反馈大洋东部冷洋面9层云与层云与SSTSST的反馈过程的反馈过程 层云与SST的反馈过程 10低层温度升高低层温度升高 低层稳定度降低低层稳定度降低 层云云量降低层云云量降低 低层相对湿度降低低层相对湿度降低 陆地层状云的正反馈过程陆地层状云的正反馈过程低层温度升高低层稳定度降低 层云云量降低 低层相对湿度11大洋环流和海气相互作用数值模拟 第九讲第九讲 中高纬度海气相互作用中高纬度海气相互作用 大洋环流和海气相互作用数值模拟 第九讲 中高纬度海气相互作12气候系统中重要的对流过程主要发生在热带气候系统中重要的对流过程主要发生在热带大气和副极地海洋大气和副极地海洋赤道赤道极地极地盐析作用盐析作用气候系统中重要的对流过程主要发生在热带大气和副极地海洋赤道极13中纬度海气相互作用典型特征中纬度海气相互作用典型特征 u热热带带外外中中纬纬度度地地区区的的海海气气相相互互作作用用，主主要要表表现现为为大气对海洋的强迫，特别是在冬季；大气对海洋的强迫，特别是在冬季；u气气候候学学研研究究中中，为为考考察察海海表表温温度度的的异异常常对对大大气气的的强强迫迫作作用用，常常利利用用SSTSST强强迫迫AGCMAGCM，这这类类试试验验假假设设了了在在海海气气相相互互作作用用过过程程中中，海海洋洋对对大大气气的的强强迫迫是是主主要要的的，而而大大气气对对海海洋洋的的反反馈馈过过程程则则可可以以忽忽略略。这这在在热热带带海海洋洋上上可可能能是是一一个个合合理理的的近近似似，但但对对热热带带外海洋、尤其是在冬季来说，则未必正确。外海洋、尤其是在冬季来说，则未必正确。中纬度海气相互作用典型特征 热带外中纬度地区的海气相互作用，14基本概念：感热、潜热通量基本概念：感热、潜热通量基本概念：感热、潜热通量15基本原理：基本原理：由由方方程程可可知知，净净海海表表热热通通量量异异常常直直接接与与表表层层海海温温的的倾倾向变化相联系；向变化相联系；向向下下的的热热通通量量异异常常与与SSTSST倾倾向向异异常常的的显显著著正正相相关关，实实质质反反映映的的是是大大气气对对海海洋洋的的强强迫迫（向向下下的的热热通通量量增增多多，SSTSST呈增暖趋势）。呈增暖趋势）。由由感感热热和和潜潜热热的的总总体体公公式式可可知知，如如果果SSTSST异异常常自自身身和和向向上上的的感感热热、潜潜热热异异常常呈呈显显著著正正相相关关（或或者者说说SSTSST异异常常与与向向下下的的感感热热、潜潜热热异异常常呈呈显显著著负负相相关关），则则实实质质反反映映的是海洋对大气的强迫。的是海洋对大气的强迫。判断局地海气相互作用是海洋强迫大气判断局地海气相互作用是海洋强迫大气还是大气强迫海洋的方法还是大气强迫海洋的方法基本原理：判断局地海气相互作用是海洋强迫大气还是大气强迫海洋16q热带太平洋，能够通过热带太平洋，能够通过“大气桥梁大气桥梁”，影响到热带外大洋的海温变化；，影响到热带外大洋的海温变化；q赤赤道道中中太太平平洋洋的的冬冬季季平平均均海海温温，通通过过“大大气气桥桥”，影影响响到到随随后后的的春春季季印度洋、热带大西洋、热带外北太平洋和南太平洋海温。印度洋、热带大西洋、热带外北太平洋和南太平洋海温。关于关于“大气桥大气桥”的总结的总结热带太平洋，能够通过“大气桥梁”，影响到热带外大洋的海温变化17大洋环流和海气相互作用数值模拟第十讲第十讲 大洋热盐环流大洋热盐环流 大洋环流和海气相互作用数值模拟第十讲 大洋热盐环流 18u温度和盐度分布是区分大洋特定水团特征的主要物理指标温度和盐度分布是区分大洋特定水团特征的主要物理指标u大西洋、太平洋、印度洋的水团温盐特征不同大西洋、太平洋、印度洋的水团温盐特征不同u全球大洋最为重要的两个水团是北大西洋深层水（全球大洋最为重要的两个水团是北大西洋深层水（NADW)NADW)和和南极底层水（南极底层水（AABW)AABW)u来自海表的风应力、热通量和淡水通量强迫是大洋环流形来自海表的风应力、热通量和淡水通量强迫是大洋环流形成的根本原因。成的根本原因。u受海面风的应力作用产生的海流，称作风生流；受海面风的应力作用产生的海流，称作风生流；u由密度梯度驱动的深层洋流，被称为热盐流。由密度梯度驱动的深层洋流，被称为热盐流。u研究热盐环流重点关注大西洋。研究热盐环流重点关注大西洋。大西洋热盐环流实际指大大西洋热盐环流实际指大西洋经圈环流（西洋经圈环流（MOC)MOC)，包括北大西洋深层水包括北大西洋深层水NADWNADW的南传、以的南传、以及南极底层水及南极底层水AABWAABW的北侵，表层的湾流也是其重要组成部分。的北侵，表层的湾流也是其重要组成部分。温度和盐度分布是区分大洋特定水团特征的主要物理指标19热盐环流影响气候的途径：三种，重点是极向热输送热盐环流影响气候的途径：三种，重点是极向热输送Ganachaud and Wunsch(2000)热盐环流影响气候的途径：三种，重点是极向热输送Ganacha20热盐环流崩溃与新仙女木事件热盐环流崩溃与新仙女木事件电影电影后天后天的科学背景的科学背景:全球增暖结果却令欧洲全球增暖结果却令欧洲变冷变冷热盐环流崩溃与新仙女木事件电影后天的科学背景:全球增暖21