海–氣關係，海洋與大氣之間，通過能量和物質交換產生的相互作用關係。海洋和大氣是地球氣候系統的兩個主要成員，是地球上兩部分密度不同的流體，它們之間有著廣闊的交接面，構成了耦合系統，在不同的時間和空間尺度上形成各種相互作用的過程和現象。認識這些運動過程和現象，評估它們在天氣和氣候環境演變中的作用，探討其可預測性，是海–氣關係研究的主要內容。它已成為氣候系統研究中最活躍的領域之一。
基本介紹
- 中文名：海–氣關係
- 外文名：Sea air relationship
海–氣交換
通過海洋與大氣交界面的能量和物質交換，包括熱量、動量、水分、鹽粒和塵埃等微粒物質、二氧化碳等氣體和電荷等的交換。由於海洋和大氣的物理特性不同，它們在相互交換和全球能量的收支中所起的作用也不同。 占地球表面積約71％的海洋同大氣相比，具有不同的熱力學和動力學的特性。海水密度大（約為近海面大氣的800倍），總質量大（約為大氣的258倍），比熱大（約為大氣的4倍），因此具有巨大的熱容量。海洋主要從海面加熱，層結比較穩定。由於大氣對太陽的短波輻射是近乎透明的，所以到達地球表面的太陽輻射大部分被海洋吸收，而且被貯藏起來，使海洋成為地球的一個“熱庫”。這些能量通過紅外輻射、感熱通量和潛熱（水汽）通量的方式向大氣輸送。海水的總質量約占地球水圈總質量的96.5％，是地球的“水庫”，大氣中的水汽絕大部分來源於海洋的蒸發。海洋中的二氧化碳（CO2）約占全球總量的93%，可見海洋又是巨大的CO2庫，由於海洋中的生物化學作用，海洋成為CO2的最大吸收體，它對緩解人類活動造成的大氣中CO2增加起了重要作用。因此，海洋對全球大氣的能量和物質平衡有重要的作用。
大氣是海–氣系統中比較多變的成員。運動著的大氣通過海面風應力將動能輸送給海洋，影響海洋的流動；通過降水和蒸發影響海水的鹽度；大氣的熱力狀況、雲量及其分布影響海面對太陽輻射的吸收和熱量交換，從而影響海洋的熱狀況和溫度分布。
海冰覆蓋約占全球海洋面積的7%，冰蓋可在風和洋流的作用下漂移，隨著季節變化增長或消融。海冰對太陽輻射有很大的反射率（平均比海面約大3倍），對阻止局地海–氣交換有屏障作用，對氣候系統有重要影響。 為了研究海–氣交換，許多國家曾進行過大量的工作，包括在海面附近直接用儀器測量，或根據物理過程利用海洋和氣象資料進行理論的和經驗的計算，已編制出的全球海洋與大氣之間的能量變換圖，是研究海–氣相互作用的基礎資料。
各種尺度的海–氣相互作用 在各種時間和空間尺度上，存在不同的海–氣相互作用過程和現象。
小尺度相互作用
主要研究海洋與大氣邊界層的物理結構，以及邊界層內的熱量、水分和動量的交換機制和測定方法。人們利用船舶、浮標、飛機、氣球及人造衛星的綜合觀測，進行海洋大氣邊界層試驗，取得了一些基礎資料。在此基礎上對熱帶對流、積雲等形成過程中的海–氣相互作用有了新的認識。
天氣尺度相互作用 溫帶氣旋入海後加強，與海面溫度和海–氣之間的能量交換有密切的關係。颱風和其他熱帶風暴的生成和發展，也顯著地受到海面溫度的影響。通常暖的海面有利於氣旋的發展。氣旋通過海面時，在海洋埃克曼層內因海水輻散上涌，海面溫度可明顯降低。因此，在有強烈的氣旋和颱風活動的海區，會形成範圍相當大的降溫區。
行星尺度相互作用 指半球或全球尺度的海洋與大氣之間的相互作用。它對於大氣環流和氣候的異常有十分重要的影響。許多氣候學家認為，海洋和大氣的相互作用是氣候形成和變化的重要環節。人們發現主要的洋流系統和大氣環流系統很相似，這是行星尺度相互作用的最好例證。已經發現在主要洋流區，如大西洋上的灣流區和太平洋上的黑潮區（北半球最強大的兩支暖流），以及赤道東太平洋區（稱為赤道冷水帶）海洋和大氣之間的相互作用最為激烈。在黑潮和灣流區，冬季時海洋向大氣輸送的總熱量，可以達到1 000卡/（日·厘米2），成為一個強大的熱源。在這些海區，海面溫度的距平值常常可以達到±2～3℃，相當於對大氣熱量的供給改變100卡/(日·厘米2)，海洋向大氣加熱狀況的變化，往往可持續幾個月甚至一年以上，其空間尺度可達數千千米，與大氣活動中心的尺度相當。已經發現大氣活動中心和某些天氣系統，如太平洋高壓、阿留申低壓、熱帶輻合帶和東亞沿岸西風槽的位置和強度，以及平均經圈環流和緯圈環流的強度等，都顯著地受到海洋狀況的影響。海洋不但影響其局地上空的大氣，而且與更大範圍的天氣氣候相關聯。對於行星尺度的過程，按時間尺度還可分為季節內、年際和年代際等不同振盪過程。
①季節內振盪。季節內振盪主要指季節時間尺度以內的低頻振盪現象。其主要周期為30～50天，於20世紀70年代初在熱帶發現。其特徵是，在熱帶印度洋至太平洋的廣大區域，因海–氣相互作用，緯向風和地面氣壓存在周期性變化，且有向東和向中緯度傳播的傾向，伴隨緯向環流的變化，大規模積雲對流活動發展東移，在印尼以東洋面達最強，以後東移減弱。它與印度季風的活躍和中斷，東亞梅雨的加強和間歇，以及厄爾尼諾的爆發相聯繫，因而成為海–氣相互作用現象研究的重要內容之一。
②年際振盪。在年際時間尺度，最重要的海–氣相互作用現象是厄爾尼諾和南方濤動（簡稱ENSO）。它主要發生在熱帶太平洋區域，是迄今發現的與全球氣候年際變化有關的最強信號。1985～1994年進行的熱帶海洋和全球大氣研究計畫，建立了熱帶太平洋區域經常性的海洋監測系統，進行了大量的診斷研究，建立了複雜程度不同的模擬和預報ENSO的海–氣耦合模式，對ENSO循環中的海–氣相互作用過程得到了進一步的認識。
③年代際振盪。在海–氣相互作用過程中，海洋的重要性隨著時間尺度的加長而增加，要認識全球海氣耦合系統的10年以上時間尺度變化的物理過程，將不但涉及海表溫度和海冰，而且與海洋深層環流（溫鹽環流）過程相聯繫。而對這些，迄今的觀測和研究還太少。但從近一個多世紀全球溫度（地表氣溫和海洋水溫）記錄可見，不管人類活動的影響如何，在年代及以上時間尺度上確實存在全球和區域的氣候振盪。
如對於北大西洋區域，1950～1964年為暖期，1970～1984年為冷期，中緯北大西洋的中部出現相應的氣壓和大氣環流的變化。在海洋表面之下到大洋深層，雖然資料稀少，但也有越來越多的證據表明，在年代際及更長時間尺度上，不同深度的大洋層結存在大範圍的顯著變化。
80年代以來，用海洋模式和海–氣耦合模式對年代際及以上時間尺度上的海–氣相互作用過程研究，提出了產生這種尺度氣候振盪的若干可能的機制。如發現高頻天氣系統對海洋的隨機強迫可產生這種氣候振盪。又發現北大西洋溫鹽環流可能對調整北大西洋海溫有重要作用：當溫鹽環流處於弱位相時，經向熱量輸送減少，北大西洋中部海洋上層就會變冷，大氣產生氣旋性環流距平，這樣的環流會使向西北大西洋對流區的高鹽水輸送增加，增加對流區海表層密度，加強深對流過程，反過來使經向溫鹽環流加強，增加向北的熱量輸送，使北大西洋中部海洋上層增暖。這樣就可使溫鹽環流從一種狀態轉變成另一種狀態，形成年代際振盪。
