4.3海—气相互作用 讲义 2026-2027学年高二上学期地理湘教版选择性必修一

第三节海—气相互作用讲义 ▍ 本讲概要 海洋覆盖地球表面约 71%，是地球上巨大的热能储存库，也是大气中水汽的最主要来源。海洋与大气之间通过水分、热量及二氧化碳等物质的持续交换，组成一个互相影响的耦合系统，这种过程称为海—气相互作用。它既通过大气环流和大洋环流维持着全球的水热平衡，也会在异常年份以厄尔尼诺、拉尼娜等方式，把赤道太平洋的海温变化传导到全球气候。 本讲以湘教版选择性必修1（2019）第四章第三节教材内容为主线，依次讲清三条主线：海—气之间“水分怎样交换、热量怎样输送”；大气环流与大洋环流怎样把盈余区的水热调配到亏损区，维持全球水热平衡；沃克环流怎样把赤道太平洋东西海面的温度差异转化为大气环流，以及这一环流减弱或增强时，厄尔尼诺与拉尼娜如何产生、有何影响。讲义配有教材原图、历年厄尔尼诺海温距平图与沃克环流对比示意图，并附探究活动、易错辨析与分层练习，可直接用于课堂教学或学生复习。 ◎ 本讲学习目标 ☑ 理解海—气相互作用的含义，说明海洋是大气中水汽的最主要来源、是大气最主要的热量储存库； ☑ 运用教材“全球水量收支”表，说明全球及不同区域的水量平衡关系（海洋、外流区、内流区）； ☑ 结合北半球海洋热量收支曲线，解释大洋环流与大气环流怎样把低纬盈余热量输向高纬，维持全球热量平衡； ☑ 绘制并解释沃克环流，说明赤道太平洋东西部海温差异是沃克环流形成的热力基础； ☑ 比较厄尔尼诺与拉尼娜的发生机理，说明信风强弱、秘鲁寒流变化与东西海温差异之间的关系； ☑ 举例说明厄尔尼诺、拉尼娜对太平洋两岸降水、渔业及我国冬夏季风的具体影响。 图1 8 月份印度洋表层水温分布图（教材图 4-20） 图片来源：湘教版选择性必修1 教材原图 读图提示：8 月北印度洋表层水温呈现“东暖西冷”的分布格局，索马里沿岸因夏季盛行西南风形成离岸流，深层冷水上泛，形成索马里寒流，沿岸水温明显低于东侧。海水温度的差异直接影响上方大气的受热程度，进而造成气压场差异，这正是海—气相互作用的空间表现。 01 SECTION ONE · 海—气相互作用基础 海—气相互作用与水热交换 ● 1.1 海—气相互作用的含义 海—气相互作用，是指海洋与大气间物质、能量持续交换的互相影响过程。海洋是地球上巨大的热能储存库，对气候的形成和变化具有重要影响；大气则通过风、降水等形式不断改变海洋的热状况和水分分布，两者共同构成一个不可分割的耦合系统。 ▎海—气相互作用 海洋与大气之间通过水分、热量、二氧化碳等物质的持续交换而互相影响的过程。其中水热交换最为活跃，也最直接地影响着气候与自然环境。 ◆ 海洋是地球上巨大的热能储存库 海洋表面的反射能力弱，能够多保留一部分太阳辐射能。海洋吸收了到达地表太阳辐射能的约 70%，并把其中约 85% 的热量储存在海洋表层；海洋的平均深度大、热容量大，是大气最主要的热量储存库。 ● 1.2 海—气之间的水分交换 海洋通过蒸发作用向大气提供水汽；大气中的水汽在适当条件下凝结，以降水的形式返回海洋，从而完成海洋与大气之间的水分交换。 • 海洋是大气中水汽的最主要来源：大气中约 86%～87.5% 的水汽由海洋提供。 • 蒸发是海洋向大气输送水汽的唯一途径，降水则是大气把水汽返还给海洋的主要方式。 • 海水蒸发时把巨额热量以潜热形式带走，平均而言海洋每年蒸发掉约 1.26 米厚的海水，海水也因蒸发失去巨额热量。 • 蒸发量与表层水温密切相关：海水温度越高，蒸发量越大。因此低纬度海区和有暖流流经的海区，海面蒸发旺盛、空气湿度大、降水丰沛，海—气间水分交换更为活跃。 图2 海—气之间的水分交换过程示意图 图片来源：改编自湘教版选择性必修1 教材图 4-16 要点归纳：水分交换的途径是“海洋蒸发 → 大气水汽 → 适当条件凝结 → 以降水返回海洋”，海水温度越高，蒸发越旺盛，交换越活跃。 ◆ 影响海—气水分交换的主要因素 影响因素 对水分交换的作用 海水温度 水温越高，蒸发量越大，海—气水分交换越活跃；低纬海区 > 高纬海区。 洋流性质 暖流流经海区水温较高、蒸发旺盛；寒流流经海区水温较低、蒸发较弱。 其他因素 风速、空气湿度、日照强度等也会影响蒸发与降水的强弱。 ● 1.3 海—气之间的热量交换 海洋通过潜热、长波辐射等方式，把储存的太阳辐射能输送给大气，是大气热量的主要供给者，为大气运动提供能量、驱使大气运动。 • 海洋是大气最主要的热量储存库：吸收约 70% 的到达地表太阳辐射能，85% 储存在海洋表层。 • 海洋向大气输送热量的途径：潜热（水汽蒸发吸热、凝结放热）与长波辐射（海水以红外辐射形式散热）。 • 交换强度取决于海洋表层水温：水温高的海区，向大气输送的热量多；热带地区海洋面积大，是驱动地球大气系统的主要能量来源地。 • 大气也向海洋输送能量：大气通过风作用于海洋，驱动海水运动，把部分能量返还给海洋，并使海洋热状况产生再分配，改变海洋对大气的加热作用。 图3 海洋与大气之间的热量交换示意图 图片来源：改编自湘教版选择性必修1 教材图 4-17 重点 海—气热量交换是双向的：海洋以潜热和长波辐射把热量输送给大气；大气以风的形式把动能传给海洋，驱动表层海水运动。水温越高，海洋向大气输送的热量越多。 ◆ 海洋对大气温度的调节作用 海水热容量远大于陆地，升温慢、降温也慢，因此海洋对大气温度具有显著的调节作用，具体表现为“滞后效应”和“温差减小”。 • 北半球海洋最高气温出现在 8 月，比陆地（7 月）晚；最低气温出现在 2 月，比陆地（1 月）晚。 • 沿海地区受海洋影响大，气温日较差、年较差都较小；内陆地区气温日较差、年较差较大。 • 海陆热力性质差异也是季风环流形成的根本原因，冬夏季风的进退进而影响我国降水与旱涝。 ● 1.4 海—气之间其他物质的交换 除水、热交换外，海—气之间还存在气体和固体物质的交换，其中气体交换以二氧化碳的交换最为重要。 ▎海洋与大气中的二氧化碳 海洋在全球碳循环中比陆地更重要。大气中的二氧化碳除少量被陆地植物光合作用吸收外，绝大部分通过海洋的物理—生化过程被同化吸收，并以固态碳方式向海洋深部转移：①海水与大气接触直接溶解二氧化碳；②海洋生物利用溶解的二氧化碳进行光合作用，将其固定在生物体内；③被固定的二氧化碳一部分经生物呼吸与残体分解释放回大气，一部分形成碳酸盐沉积和有机碳沉积（煤、石油、天然气），经生物沉积作用固定在岩石圈中，短期内不再参与地表碳循环。 ⚠ 海水温度与二氧化碳溶解度的关系 二氧化碳在海水中的溶解度随温度上升而减小。若全球变暖使海水温度上升，更多的二氧化碳会从海水中释放回大气；目前海洋中溶解的二氧化碳比大气中的含量约高 60 倍，因此海水温度持续上升对地球是潜在的巨大威胁。 ⓘ 思考：能否给海洋“施肥”以吸收更多二氧化碳？ 海洋表层磷、氮等营养元素越丰富，浮游植物越繁盛，表层被固定的二氧化碳越多，海洋对大气二氧化碳的吸收量就越大。但向海洋表层施肥会引发生态风险，不能简单作为减缓全球变暖的手段。 02 SECTION TWO · 全球水热平衡 海—气相互作用与水热平衡 ● 2.1 大气环流与大洋环流是维持水热平衡的基础 海—气相互作用所形成的大气环流和大洋环流，是维持全球水热平衡的基础。不同纬度海区对大气加热的差异，产生高低纬度间的大气环流；海陆间对大气加热的差异，则形成季风环流。同时，大气运动和近地面风带是海洋水体运动的主要动力。大气环流与大洋环流驱使水分和热量在不同地区传输，从而维持全球的水热平衡。 • 不同纬度海洋对大气加热的差异 → 高低纬度间的大气环流； • 海陆间对大气加热的差异 → 季风环流； • 大气运动和近地面风带 → 是海洋水体运动的主要动力； • 大气环流与大洋环流 → 驱使水分和热量在不同地区传输，维持全球水热平衡。 ● 2.2 水量平衡 海—气相互作用通过水分交换构成地球上生生不息的水循环。从长期来看，全球的总水量几乎没有什么变化。在某段时期内一个地区的储水变化量，就是水量收入与支出的差额，这就是水量平衡原理。 图4 全球水量平衡示意图 图片来源：全球水量平衡原理示意 教材数据（多年平均值）：海洋蒸发量约 505 000 立方千米、降水量约 458 000 立方千米，两者差额约 47 000 立方千米由入海径流量（含地下径流）补齐；陆地外流区降水量约 110 000 立方千米，大于蒸发量约 63 000 立方千米，其差额约 47 000 立方千米汇入海洋；陆地内流区蒸发量约 9 000 立方千米、降水量亦约 9 000 立方千米。全球总蒸发量与总降水量均约为 577 000 立方千米，收入与支出大体相等。 ◆ 水量平衡公式 按区域表达为“收入 = 支出 + 储水变化”，长期平均（储水变化趋于零）时可写为： 海洋：　　多年平均蒸发量 ＝ 多年平均降水量 ＋ 多年平均入海径流量 外流区域：多年平均降水量 ＝ 多年平均蒸发量 ＋ 多年平均径流量 内流区域：多年平均蒸发量 ＝ 多年平均降水量 全球：　　多年平均蒸发量 ＝ 多年平均降水量 重点 核心逻辑：全球蒸发量与降水量长期相等，海洋蒸发量大于降水量，差额由陆地径流汇入海洋补齐，从而维持全球的水量平衡；陆地蒸发量小于降水量，多出的水汽随径流回到海洋。 图5 北半球海洋热量收支随纬度的变化 ● 2.3 热量平衡 读教材图 4-21 可知：纬度低于 30°N 的海区，热量收入多于支出；纬度高于 30°N 的海区，热量收入少于支出，且在极地差值达到最大。 思考：赤道会不会越来越热、极地会不会越来越冷？ 不会。大洋环流与大气环流把低纬海区盈余的热量输送到高纬海区释放，调节了全球的热量平衡：低纬度海洋获得的太阳辐射能较多，主要由大洋环流把低纬度的多余热量向较高纬度输送；在中纬度，通过海洋与大气之间的交换把相当多的热量输送给大气，再由大气环流将热量向更高纬度输送。 • 大洋环流的作用：把低纬度的多余热量向较高纬度输送； • 大气环流的作用：在中纬度接收海洋输送的热量后，再向更高纬度输送； • 最终结果：低纬盈余的热量被不断调往高纬，全球热量收支在长期内保持平衡。 ◆ 热量输送的主要形式 输送途径 热量输送方式 潜热输送 海水蒸发带走热量，水汽随大气运动到他处凝结释放，是最主要的热量输送形式。 感热（可感热）输送 因海气温差不同而引起的显热交换，由高温一侧向低温一侧传递。 长波辐射 海洋以红外辐射形式向外散热，是海洋向大气输送热量的基本途径之一。 ● 2.4 探究活动 · 印度洋表层水温与大气环流 教材探究（图 4-20）：阿拉伯半岛东面为波斯湾、西面为红海，两地夏季气温常达 30℃ 以上；而索马里沿岸一带最热季节一般不到 25℃。赤道以北附近印度洋表层水温呈现东暖西冷的分布格局，对大气产生不同程度的热力作用，进而影响其气压场。 ① 解释波斯湾、红海与索马里沿岸夏季气温的显著差异。 参考答案：索马里沿岸海域比波斯湾、红海面积广阔，夏季气温受海洋调节作用更明显；且索马里沿岸夏季受西南季风（离岸风）影响，形成索马里寒流，上升流带来深层冷水，受寒流影响气温降低，因此夏季气温较低。 ② 描绘赤道以北附近，印度洋由东到西大气环流系统的剖面结构。 参考答案：印度洋东侧水温高于西侧，东侧海水加热大气、气流上升，西侧气流下沉，在高空气流由东向西、近地面气流由西向东，形成逆时针方向的闭合大气环流圈。 03 SECTION THREE · 海温异常与气候 厄尔尼诺、拉尼娜及其影响 ● 3.1 正常年份的沃克环流 赤道附近的太平洋水温分布呈“西高东低”。西太平洋海水温度高，加热大气后空气温暖潮湿，盛行上升气流，对流旺盛、降水丰富，是太平洋降水最丰富的地区；东太平洋为冷水域，上方空气变冷、密度增大，盛行下沉气流，多晴朗少云天气。 ▎沃克环流（Walker Circulation） 赤道海洋表面因水温的东西向差异而产生的一种纬圈热力环流，由吉尔伯特·沃克爵士发现并命名，是热带太平洋上空大气环流的主要动力之一。 沃克环流的运动过程：西太平洋受热上升的气流在高空向东流动，到达低温的东太平洋后下沉，再在近地面以偏东风（东南信风）形式返回西太平洋，构成一个东西向的大气环流圈。 南方涛动（Southern Oscillation）是沃克环流的“跷跷板”现象：当沃克环流上升支东移时，印度尼西亚附近被下沉运动取代、气压升高，同时东南太平洋（塔希提附近）气压降低，东西方向海平面气压呈反相变化。 图6 正常沃克环流与厄尔尼诺、拉尼娜底层机理对比图 读图：正常年份东南信风稳定，赤道暖流向西流动，东太平洋上升流发育，太平洋东西海温差异大、沃克环流强盛。 ● 3.2 厄尔尼诺现象 ▎厄尔尼诺（El Niño） “厄尔尼诺”是西班牙语“圣婴”的音译。指有些年份赤道附近太平洋中东部表层海水温度异常升高的现象。 教材典型事件：秘鲁寒流流经的海岸附近，圣诞节前后有时海水明显变暖、同时突降大雨，当地海鸟结队迁徙，当地人把这种反常现象归因于“圣婴”出现。厄尔尼诺发生时，冷水性鱼类因不适应温暖海域环境而大量死亡，以这类鱼为食的鸟类也随之死亡或迁徙。 ◆ 形成过程 ① 正常年份东南信风把表层暖水吹向西太平洋，东太平洋表层海水被风吹走后由下层冷水上涌补充； ② 当信风减弱时，南美太平洋沿岸上升流减弱，表层海水增温，秘鲁寒流近赤道段变性为暖流； ③ 当东太平洋增温幅度大于 0.5℃ 并持续几个月至半年时，即形成一次厄尔尼诺事件。 ◆ 影响 • 东太平洋（秘鲁、智利沿海）：下沉气流减弱或消失甚至转为上升气流，由干燥少雨变为多雨，引发洪涝灾害； • 西太平洋（印度尼西亚、澳大利亚）：上升气流减弱或消失，由湿润多雨转为干燥少雨，出现旱灾或森林大火； • 渔业影响：东太平洋冷水上翻减弱，营养盐减少，冷水性鱼类死亡，秘鲁渔场减产； • 全球影响：通过海—气作用的遥相关，与更广大范围的气候异常呈现一定相关性（具有不确定性）。 ● 3.3 拉尼娜现象 ▎拉尼娜（La Niña） “拉尼娜”是西班牙语“小女孩”的音译，指赤道太平洋东部和中部海域海面温度大范围、持续异常变冷的现象，也称为“反厄尔尼诺”。 ◆ 形成过程 ① 海面信风（东南信风）增强，把表层被晒热的海水更强劲地吹向太平洋西部； ② 东太平洋表层海水被吹走后，深层冷水上翻补充加强，赤道太平洋东部和中部海面温度降低； ③ 拉尼娜发生后，赤道附近太平洋东西部的温度差异增大，同样会引起气候异常。 补充：拉尼娜常与厄尔尼诺交替出现，但其发生频率低于厄尔尼诺；厄尔尼诺之后接着发生拉尼娜并非稀罕之事，同样拉尼娜之后也可能接着发生厄尔尼诺。 图7 正常年份、厄尔尼诺与拉尼娜三种状态下沃克环流与海温对比 ◆ 影响 • 东太平洋：气温下降，下沉气流增强，降水减少，更加干旱；离岸风增强、上升流增强，表层营养物质增多，渔场增产； • 西太平洋：水温进一步升高，上升气流增强，降水偏多，易引发洪涝； • 对全球气候：造成气候异常；对气候的影响程度与威力一般比厄尔尼诺小。 ● 3.4 厄尔尼诺、拉尼娜对比归纳 对比项 厄尔尼诺 拉尼娜 西班牙语含义 “圣婴” “小女孩” 东南信风 信风减弱 信风增强 秘鲁寒流 寒流减弱，近赤道段变性为暖流 寒流增强，冷水向西扩散更远 赤道逆流 增强 减弱 东太平洋海温 异常升高（SSTA > +0.5℃ 持续） 异常降低 东西海温差异 差异减小 差异增大 ● 3.5 厄尔尼诺、拉尼娜对我国气候的影响 理解其对我国气候的影响，关键在于理解我国冬、夏季风强弱的变化。 季节 厄尔尼诺年 拉尼娜年 冬季 东亚极锋锋区偏北，冷空气活动偏弱偏北，暖冬概率较大 冷空气活动偏强，易出现冷冬 夏季 副高偏弱偏南，夏季风较弱，北旱南涝、台风少发 副高偏强，夏季风偏强，北方降水偏多 台风 生成数量偏少、路径偏东 生成数量偏多、路径偏西 ⚠ 注意：相关性不等于确定性 厄尔尼诺、拉尼娜对我国气候的影响具有统计相关性，而非一一对应的必然结果。实际天气还受青藏高原积雪、北极海冰、印度洋海温等多种因子共同影响，不能仅凭厄尔尼诺事件断言某一年必定“暖冬”或“北涝”。 04 SECTION · 巩固 小结 ● 4.1 本讲知识框架 海—气相互作用 一、海—气相互作用与水热交换 水分交换：蒸发（海洋→大气）↔ 降水（大气→海洋） 热量交换：潜热 + 长波辐射（海洋→大气）；风（大气→海洋） 其他物质交换：以 CO₂ 交换最为重要 └─ 海洋对大气的调节作用：滞后效应、温差减小 二、海—气相互作用与水热平衡 基础：大气环流 + 大洋环流 水量平衡：收入 = 支出（+ 储水变化） 热量平衡：低纬盈余 → 大洋环流/大气环流 → 高纬释放 三、厄尔尼诺、拉尼娜及其影响 正常年份：东冷西暖 → 沃克环流（西升东降） 厄尔尼诺：信风减弱 → 东太平洋增温 → 环流减弱 → 东涝西旱 └─ 拉尼娜：信风增强 → 东太平洋降温 → 环流增强 → 东旱西涝 湘教版选择性必修1 · 第四章第三节 海—气相互作用 ｜ 第 页 学科网（北京）股份有限公司 $