本書聚焦于海洋與大氣相互作用中的核心動力機制，從基本方程組出發，全面而系統地介紹了氣候系統中的多種大氣-海洋耦合現象。內容涉及季風、厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）、跨熱帶三大洋（太平洋、大西洋和印度洋）的主要異常模態、熱帶與熱帶外的相互作用以及全球變暖背景下的區域氣候變化。通過大量插圖和通俗淺顯的敘述，輔以經典文獻中的關鍵方程，本書旨在滿足不同層次讀者對大氣-海洋耦合動力學研究前沿的了解需求。書籍的編排參考了作者25余年的教學實踐經驗，既能夠作為教材單獨使用，也可以作為大氣科學、海洋動力學等專業相關課程的參考資料。

中文版序

從東北插隊回來的大哥在大連第一次見到大海，說它大到看不見邊際，而在浙西丘陵地區長大的我，自然也難以想象這樣宏偉尺度的壯闊景象。1980年，我作為改革開放后恢復高考的第4屆大學生，來到山東海洋學院（現中國海洋大學），在全國唯一的物理海洋本科班學習。仍記得，剛到青島做的第一件事就是到海邊撈了一把海水親口確認它是咸的。收到錄取通知書后就非常好奇物理海洋專業是干什么的、有什么應用價值，但一個學期下來只知道要學海浪和海流，放寒假回家仍然不能向家人同學說出個所以然。

進入21世紀，氣候變化已成為人類及地球環境面臨最嚴峻的挑戰，海洋對氣候的影響也已廣為公眾所知曉了。有時在飛機上修改演講幻燈片，鄰座的旅客會問我是否是氣候科學家，流露出對拯救地球英雄的敬仰。世人這樣的期待也成為激勵自己科研工作的動力。

把大氣海洋作為耦合系統來研究氣候變化問題，是20世紀80年代發展起來的新興學科，系統地總結該學科取得的重要進展，是我科研及教學的一個重要目標。這多年的努力結晶于本書的英文版，該書于2023年出版后已被美國、日本和中國等國家的多個大學作為教材采用。現在有幸譯成中文由科學出版社出版發行，與國內讀者見面，在此特別感謝五位譯者的幸勤勞作。

這五位譯者都曾加入我的研究團隊，在美國長期留學訪問，回國后仍保持長期合作，也曾為本書英文版的編寫做出貢獻。他們在海洋大氣相互作用及氣候變化方面取得了重要的成就，是活躍在國內外一線的優秀氣候學者，多人以第一作者身份發表的論文躋身于全球1%高被引用論文之列。鄭小童教授是聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告的貢獻作者;周震強博士揭示了2020年長江流域超強梅雨事件中印度洋增溫的重要作用;全球平均溫度在2023和2024兩年連續創新高，同期發生的厄爾尼諾現象起到推波助瀾的作用，彭啟華博士揭示了該厄爾尼諾事件展現出的奇特物理特征和機理。

自古英雄出少年，長江后浪推前浪。這五名譯者是中國科學研究大步邁進的見證者和先鋒隊。希望他們的譯作會激勵新一代立志氣候動力學研究的學生和學者將該領域推向新的高度，并為從事氣候應用方面學者了解氣候變化原理的窗口，實現人類自然可持續發展的共同目標。

謝尚平（Shang-Ping Xie）

2025年3月21日于美國圣迭戈

前 言

氣候對自然環境和人類社會有巨大的影響。熱浪、干旱和洪水等極端事件受氣候變率驅動，并在氣候變化的背景下變得更加頻繁。我們所處的社會正變得日益復雜，其對氣候變化率的敏感性也與日俱增，如何使用更廣泛的數據來評估和理解氣候變率的影響成為了當今社會重要的課題。

本書介紹了大氣-海洋耦合動力學中的核心理論。它們揭示了反復出現的海洋大氣異常的空間分布型和時間尺度背后的動力學機制，并為氣候變化提供了可預測性。本書基于作者25余年的教學實踐，相關課程主要面向研究生開設（但也曾兩次為本科高年級開設），并在寒暑期學校和研討會班上，向來自世界各地的同學部分或全部地講授。

1．海洋與大氣的耦合

厄爾尼諾（El Ni?o）現象指的是赤道太平洋的異常增暖。從海洋學角度出發，太平洋增暖的原因在于南方濤動（Southern Oscillation）使赤道上盛行的東風減弱;而從氣象學的角度出發，東風減弱的原因恰恰是赤道太平洋的增暖（厄爾尼諾現象）。上述循環論證表明，厄爾尼諾不是一個單純的海洋現象，南方濤動也并非單純的大氣現象。相反，兩者是同一種海洋與大氣耦合現象的兩個側面。這一顛覆性的思想促使人們創造了厄爾尼諾-南方濤動（El Ni?o and Southern Oscillation，ENSO）一詞，用以強調其中海洋與大氣相互耦合的本質。大氣-海洋耦合動力學這一新興的研究領域也就此正式誕生。

對ENSO的研究促進了氣象學這門主要研究天氣現象的科學與物理海洋學的整合。氣象學和物理海洋學使用同一套地球流體力學的理論框架，其中，由地球自轉造成的科里奧利力（科氏力）發揮著重要的作用。在該動力學框架的指導下，人們發展出了數值天氣預報，并且成功地解釋了為何強盛的海流大多位于大洋的西側。許多經典的專著，如Pedlosky（1982）、Gill（1982）和Vallis（2017）等都使用了這一套理論框架，用統一的視角研究了大氣-海洋耦合動力學中的各種現象。

Cane等（1986）的工作成功地預測了厄爾尼諾現象，并將大氣-海洋耦合動力學的發展推向高峰。我正是在這一年開始進入研究生院學習，并花了一整年的時間研讀Gill（1982）的經典著作。這本書被評論為將“基本物理觀點、動力學理論有機地與觀測現象結合起來”（Batchelor and Hide，1988）。在它出版時，ENSO一詞還尚未被創造出來。而此時的學界正位于科學革命的門檻之前，距離認識到ENSO是一個自發的、耦合的海氣振蕩現象只差最后一步。

2．目標

本書為Gill（1982）的續作，正如標題所強調的，我們將站在海氣耦合的視角，討論近年來在氣候變率及氣候變化方面取得的令人興奮的進展。海氣相互作用從ENSO起步，目前也已經有許多優秀的專著對ENSO現象進行了詳盡的討論，包括Philander（1990）、Clarke（2008）、Sarachik and Cane（2010）以及McPhaden等（2020）。但隨著科學的發展，該領域的研究對象已大幅擴展，涵蓋了其他海盆的氣候變率以及氣候變化動力學。本書旨在使用統一的耦合動力學研究氣候系統的自然變率和人類活動影響下的氣候變化，其范圍覆蓋熱帶內外，對象包括但不限于ENSO，以期為更廣泛的氣候影響研究奠定理論基礎。

為了滿足海洋、大氣以及氣候科學領域的學生和研究人員的需求，本書保留了經典教材（Gill，1982；Holton，2004）中的關鍵方程，并列出了這些數學推導的原始參考文獻。相關方程也會使用簡單、描述性的語言加以解釋和介紹，以便對流體力學了解有限的讀者也能理解其中的關鍵物理過程與機制。豐富的插圖和敘述能進一步幫助讀者理解相關概念。

3．教學特色

本書旨在全面而系統地探討大尺度海洋-大氣相互作用，內容涉及多種現象的比較。其中包括:不同熱帶海盆的氣候模態（第9章至第11章）;海盆的空間尺度以及大陸、季風對海洋的影響;峰值出現在赤道的緯向模態和異常信號在赤道消失的經向模態;熱帶和熱帶外海洋對大氣反饋的差異（第9章與第12章對比）;氣候系統的自發內部振蕩和由外強迫引起的氣候變化（第13章）;溫室氣體與氣溶膠強迫的異同（第14章）。這些比較視角（一些將在結語中討論），為我們理解氣候變率的機制和可預測性提供新的見解。

• 內容組織

本書除第1章引言之外，由三個相互聯系的部分組成。

第一部分包括第2章至第6章，主要從大氣的角度考察熱帶和副熱帶氣候。

第2章從行星能量平衡出發，解釋大氣-海洋能量傳輸的特征和機理，并強調經向翻轉環流的作用。第3章研究全球大氣環流的驅動熱源———大氣深對流。我們將在這一章介紹赤道波動，并討論它們在大氣對流加熱調整中的作用。第4章會關注30~60天周期的馬登-朱利安振蕩（Madden-Julian Oscillation，MJO），這是一種行星尺度的氣候模態，自發產生于熱帶大氣的深對流與環流相互作用。第5章將介紹季風。它是大氣-海洋-陸地相互作用的產物，影響著世界一半以上人口的日常生活。我們將討論各個季風系統的獨特動力學特征，并使用統一的理論框架將整個非洲至亞洲季風系統聯系起來。第6章將著眼于副熱帶下沉區，此處大氣邊界層之上存在著穩定的逆溫層，在正反饋機制的幫助下，低云與海洋相互作用，產生一系列重要的氣候現象。

第二部分包括第7章至第11章，是本書的核心，討論了海洋與大氣相互作用在塑造熱帶氣候背景態和年際變率中的作用。第7章將引入一個上層海洋的約化重力模型，并在此基礎上討論海洋對變化風場的響應。第8章將深入討論第3章中簡要提及的熱帶降水分布，在此我們從海洋與大氣相互作用的角度出發，討論以下幾個關鍵問題:為什么被稱為熱帶輻合帶的熱帶雨帶會位于赤道以北?是什么導致了赤道東太平洋和大西洋地區的溫度和降水呈現明顯的年周期特征？在第9章中，我們將首先描述ENSO這一重要的海氣耦合現象的基本特征，并介紹源自海氣耦合的比耶克內斯（Bjerknes）正反饋機制。隨后我們將進一步討論慢速的海洋調整過程，這些海洋過程與風場異常處于非平衡狀態，引起了熱帶太平洋在厄爾尼諾與拉尼娜（La Ni?a）狀態之間的往復振蕩，也為提前數個季節預報ENSO和它的全球效應提供了理論基礎。第10章和第11章將會分別討論熱帶大西洋和印度洋的區域氣候特征和它們的年際變率。跨熱帶三大洋的氣候平均態具有顯著的差異，但是都存在赤道上的比耶克內斯反饋模態。印度洋-西太平洋獨特的區域耦合模態解釋了ENSO次年夏季印度和中國夏季風的神秘異常。

第三部分包括第12章至第14章。將會展示熱帶和熱帶外地區氣候變率的動力學差異。在熱帶外，大氣內部變率很強，并且由于平均西風急流的緯向變化，它們通常以特定的空間形態出現。大氣內部變率驅動海洋變化，而海洋對大氣的反饋通常較弱且具有非局地性。人們已經就熱帶對熱帶外的遙相關作用達成共識，在這一章中，我們將分享幾個近期的研究觀點，它們反過來強調了熱帶外對熱帶氣候的重要作用。人類活動排放的溫室氣體和氣溶膠擾亂了行星能量平衡，導致地球氣候以前所未有的速度變化。傳統意義上，人們更加關注全球平均氣溫的上升情況，而在本書中我們將進一步聚焦由全球變暖帶來的區域氣候變化。在簡要介紹全球平均表面溫度的氣候反饋后，我們將在第13章討論那些本質上不依賴于海洋、大氣環流變化而產生的氣候變化現象（即通常所說的熱力學效應）。第14章將聚焦于區域氣候變化，對比分布均勻的溫室氣體和具有明顯空間各向異性的氣溶膠的強迫差異。海洋熱吸收的空間分布型和海洋增暖的空間型是引起熱帶降水未來變化區域差異的關鍵因素。

點擊圖片可跳轉購買

左右滑動，查看目錄

本文摘自科學出版社2025年3月出版《大氣-海洋耦合動力學:從厄爾尼諾到氣候變化》一書，內容有刪節。標題為編者所加。

地球為你而轉！

歡迎關注：賽杰奧（sci_geo）

科學出版社地球科學訂閱號