摘要：《大气-海洋耦合动力学：从厄尔尼诺到气候变化》介绍了大气-海洋耦合动力学中的核心理论。它们揭示了反复出现的海洋大气异常的空间分布型和时间尺度背后的动力学机制，并为气候变化提供了可预测性。本书基于作者25 余年的教学实践，相关课程主要面向研究生开设(但也曾两次为

气候异常对自然环境和人类社会有巨大的影响。热浪、干旱和洪水等极端事件受气候变率驱动，并在气候变化的背景下变得更加频繁。

我们所处的社会正变得日益复杂，其对气候变率的敏感性也与日俱增，如何使用更广泛的数据来评估和理解气候变率的影响成为了当今社会重要的课题。

《大气-海洋耦合动力学: 从厄尔尼诺到气候变化》

(美)谢尚平 著

郑小童, 龙上敏, 周震强, 彭启华, 王传阳 译

北京: 科学出版社，2025. 3

ISBN 978-7-03-080228-6

《大气-海洋耦合动力学：从厄尔尼诺到气候变化》介绍了大气-海洋耦合动力学中的核心理论。它们揭示了反复出现的海洋大气异常的空间分布型和时间尺度背后的动力学机制，并为气候变化提供了可预测性。本书基于作者25 余年的教学实践，相关课程主要面向研究生开设(但也曾两次为本科高年级开设)，并在寒暑期学校和研讨会班上，向来自世界各地的同学部分或全部地讲授。

1 海洋与大气的耦合

厄尔尼诺(El Niño) 现象指的是赤道太平洋的异常增暖。从海洋学角度出发，太平洋增暖的原因在于南方涛动(Southern Oscillation) 使赤道上盛行的东风减弱; 而从气象学的角度出发，东风减弱的原因恰恰是赤道太平洋的增暖(厄尔尼诺现象)。上述循环论证表明，厄尔尼诺不是一个单纯的海洋现象，南方涛动也并非单纯的大气现象。相反，两者是同一种海洋与大气耦合现象的两个侧面。这一颠覆性的思想促使人们创造了厄尔尼诺-南方涛动(El Niño and Southern Oscillation，ENSO) 一词，用以强调其中海洋与大气相互耦合的本质。大气-海洋耦合动力学这一新兴的研究领域也就此正式诞生。

对流-环流相互作用与SST效应的示意图

热带对流和环流紧密耦合。对流加热驱动斜压翻转环流，而环流通过改变大气柱中的水汽含量以及调整水平辐合建立对流。

对ENSO 的研究促进了气象学这门主要研究天气现象的科学与物理海洋学的整合。气象学和物理海洋学使用同一套地球流体力学的理论框架，其中，由地球自转造成的科里奥利力(科氏力) 发挥着重要的作用。在该动力学框架的指导下，人们发展出了数值天气预报，并且成功地解释了为何强盛的海流大多位于大洋的西侧。许多经典的专著，如Pedlosky (1982)、Gill (1982) 和Vallis (2017) 等都使用了这一套理论框架，用统一的视角研究了大气-海洋耦合动力学中的各种现象。

Cane 等(1986) 的工作成功地预测了厄尔尼诺现象，并将大气-海洋耦合动力学的发展推向高峰。我正是在这一年开始进入研究生院学习，并花了一整年的时间研读Gill (1982) 的经典著作。这本书被评论为将“基本物理观点、动力学理论有机地与观测现象结合起来” (Batchelorand Hide，1988)。在它出版时，ENSO 一词还尚未被创造出来。而此时的学界正位于科学革命的门槛之前，距离认识到ENSO 是一个自发的、耦合的海气振荡现象只差最后一步。

2 目 标

本书为Gill ( Atmosphere-Ocean Dynamics. Academic Press；1982 ) 的续作，正如标题所强调的，我们将站在海气耦合的视角，讨论近年来在气候变率及气候变化方面取得的令人兴奋的进展。海气相互作用从ENSO 起步，目前也已经有许多优秀的专著对ENSO 现象进行了详尽的讨论，包括Philander (1990)、Clarke (2008)、Sarachik and Cane (2010) 以及McPhaden等(2020)。但随着科学的发展，该领域的研究对象已大幅扩展，涵盖了其他海盆的气候变率以及气候变化动力学。本书旨在使用统一的耦合动力学研究气候系统的自然变率和人类活动影响下的气候变化，其范围覆盖热带内外，对象包括但不限于ENSO，以期为更广泛的气候影响研究奠定理论基础。

为了满足海洋、大气以及气候科学领域的学生和研究人员的需求，本书保留了经典教材(Gill，1982; Holton，2004) 中的关键方程，并列出了这些数学推导的原始参考文献。相关方程也会使用简单、描述性的语言加以解释和介绍，以便对流体力学了解有限的读者也能理解其中的关键物理过程与机制。丰富的插图和叙述能进一步帮助读者理解相关概念。

3 内容组织

本书除第1 章引言之外，由三个相互联系的部分组成。

▋第一部分包括第2 章至第6 章，主要从大气的角度考察热带和副热带气候。

第2 章从行星能量平衡出发，解释大气-海洋能量传输的特征和机理，并强调经向翻转环流的作用。

第3 章研究全球大气环流的驱动热源——大气深对流。我们将在这一章介绍赤道波动，并讨论它们在大气对流加热调整中的作用。

第4 章会关注30~60 天周期的马登-朱利安振荡(Madden-Julian Oscillation; MJO)，这是一种行星尺度的气候模态，自发产生于热带大气的深对流与环流相互作用。

第5 章将介绍季风。它是大气-海洋-陆地相互作用的产物，影响着世界一半以上人口的日常生活。我们将讨论各个季风系统的独特动力学特征，并使用统一的理论框架将整个非洲至亚洲季风系统联系起来。

第6 章将着眼于副热带下沉区，此处大气边界层之上存在着稳定的逆温层，在正反馈机制的帮助下，低云与海洋相互作用，产生一系列重要的气候现象。

▋第二部分包括第7 章至第11 章，是本书的核心，讨论了海洋与大气相互作用在塑造热带气候背景态和年际变率中的作用。

第7 章将引入一个上层海洋的约化重力模型，并在此基础上讨论海洋对变化风场的响应。

第8 章将深入讨论第3 章中简要提及的热带降水分布，在此我们从海洋与大气相互作用的角度出发，讨论以下几个关键问题: 为什么被称为热带辐合带(Intertropical Convergence Zone; ITCZ) 的热带雨带会位于赤道以北? 是什么导致了赤道东太平洋和大西洋地区的温度和降水呈现明显的年周期特征?

第9 章中，我们将首先描述ENSO 这一重要的海气耦合现象的基本特征，并介绍源自海气耦合的比耶克内斯(Bjerknes) 正反馈机制。随后我们将进一步讨论慢速的海洋调整过程，这些海洋过程与风场异常处于非平衡状态，引起了热带太平洋在厄尔尼诺与拉尼娜(La Niña) 状态之间的往复振荡，也为提前数个季节预报ENSO 和它的全球效应提供了理论基础。

第10 章和第11 章将会分别讨论热带大西洋和印度洋的区域气候特征和它们的年际变率。跨热带三大洋的气候平均态具有显著的差异，但是都存在赤道上的比耶克内斯反馈模态。印度洋-西太平洋独特的区域耦合模态解释了ENSO 次年夏季印度和中国夏季风的神秘异常。

▋第三部分包括第12 章至第14 章。将会展示热带和热带外地区气候变率的动力学差异。

在热带外，大气内部变率很强，并且由于平均西风急流的纬向变化，它们通常以特定的空间形态出现。大气内部变率驱动海洋变化，而海洋对大气的反馈通常较弱且具有非局地性。人们已经就热带对热带外的遥相关作用达成共识，在这一章中，我们将分享几个近期的研究观点，它们反过来强调了热带外对热带气候的重要作用。人类活动排放的温室气体和气溶胶扰乱了行星能量平衡，导致地球气候以前所未有的速度变化。传统意义上，人们更加关注全球平均气温的上升情况，而在本书中我们将进一步聚焦由全球变暖带来的区域气候变化。

在简要介绍全球平均表面温度的气候反馈后，我们将在第13 章讨论那些本质上不依赖于海洋、大气环流变化而产生的气候变化现象(即通常所说的热力学效应)。

第14 章将聚焦于区域气候变化，对比分布均匀的温室气体和具有明显空间各向异性的气溶胶的强迫差异。海洋热吸收的空间分布型和海洋增暖的空间型是引起热带降水未来变化区域差异的关键因素。

4 教学特色

▋本书旨在全面而系统地探讨大尺度海洋-大气相互作用，内容涉及多种现象的比较。

其中包括: 不同热带海盆的气候模态; 海盆的空间尺度以及大陆、季风对海洋的影响; 峰值出现在赤道的纬向模态和异常信号在赤道消失的经向模态; 热带和热带外海洋对大气反馈的差异; 气候系统的自发内部振荡和由外强迫引起的气候变化; 温室气体与气溶胶强迫的异同。这些比较视角(一些将在结语中讨论)，为我们理解气候变率的机制和可预测性提供新的见解。

▋部分章节中设置了专栏，以扩展介绍相关话题，以及补充介绍为那些改变我们对气候系统认识的重大突破的历史故事。

本人见过其中的一些先驱者，并询问过他们是受什么启发才去探索那些看似不重要的课题; 去为曾经不相干的现象建立联系; 去突破天气尺度预测更远的未来。这些历史记录为我们提供了鲜活的实例，它们表明，知识不是静态的，而是人们在好奇心驱使下，通过大胆想象、锐意创新而不断扩充发展的。

▋本书可以单独作为教材使用，也可以作为课程的参考资料。

我的课程通常持续10 周，包括16 节80 分钟的授课和一次160 分钟的研讨会。学生会被要求阅读一篇(或数篇) 与课程内容相关的文献，并在研讨会上做报告。相关的推荐文献可以在本书的线上资源中找到(http://sxie.UCSD.edu/book2023.html[2024.8.1])。不同地区有着不同的气候，而当地的气候异常最能激发学生对海洋-大气耦合动力学的兴趣。因此，教师可以根据当地气候补充相关材料。例如，在UCSD，我们会完整地讲述副热带气候(第6 章) 而跳过东亚和非洲季风(第5 章)，热带大西洋和印度洋的相关章节也会较少涉及。而当我在亚洲上课时，我们会完整地讲述亚洲季风和印度洋的内容，而完全或部分地省略副热带气候以及大西洋的章节。

▋在章节之后设有习题，用以巩固和拓展本章关键知识点。线上资源还包括本书的图片、我在UCSD 课程的幻灯片、课后作业以及勘误。

把大气海洋作为耦合系统来研究气候变化问题，是20世纪80年代发展起来的新兴学科，系统地总结该学科取得的重要进展，是我科研及教学的一个重要目标。这多年的努力结晶于

Coupled Atmosphere-Ocean Dynamics: from El Niño to Climate Change

一书，该书于2023年出版后已被美国、日本和中国等国家的多个大学作为教材采用。现在有幸译成中文由科学出版社出版发行，与国内读者见面，在此特别感谢

谢尚平(Shang-Ping Xie)

2025年3月21日于美国圣迭戈

本文摘编自《大气-海洋耦合动力学: 从厄尔尼诺到气候变化》[(美) 谢尚平著; 郑小童等译．北京: 科学出版社，2025. 3]一书“前言”“中文版序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-080228-6

责任编辑: 崔妍 刘玉哲

本书聚焦于海洋与大气相互作用中的核心动力机制，从基本方程组出发，全面而系统地介绍了气候系统中的多种大气-海洋耦合现象。内容涉及季风、厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)、跨热带三大洋(太平洋、大西洋和印度洋) 的主要异常模态、热带与热带外的相互作用以及全球变暖背景下的区域气候变化。通过大量插图和通俗浅显的叙述，辅以经典文献中的关键方程，本书旨在满足不同层次读者对大气-海洋耦合动力学研究前沿的了解需求。书籍的编排参考了作者25 余年的教学实践经验，既能够作为教材单独使用，也可以作为大气科学、海洋动力学等专业相关课程的参考资料。

来源：科学出版社一点号