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。
中文版序
从东北插队回来的大哥在大连第一次见到大海，说它大到看不见边际，而在浙西丘陵地区长大的我，自然也难以想象这样宏伟尺度的壮阔景象。1980年，我作为改革开放后恢复高考的第4届大学生，来到山东海洋学院（现中国海洋大学），在全国唯一的物理海洋本科班学习。仍记得，刚到青岛做的第一件事就是到海边捞了一把海水亲口确认它是咸的。收到录取通知书后就非常好奇物理海洋专业是干什么的、有什么应用价值，但一个学期下来只知道要学海浪和海流，放寒假回家仍然不能向家人同学说出个所以然。
进入21世纪，气候变化已成为人类及地球环境面临最严峻的挑战，海洋对气候的影响也已广为公众所知晓了。有时在飞机上修改演讲幻灯片，邻座的旅客会问我是否是气候科学家，流露出对拯救地球英雄的敬仰。世人这样的期待也成为激励自己科研工作的动力。
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本书的英文版，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，在此特别感谢五位译者的幸勤劳作。
这五位译者都曾加入我的研究团队，在美国长期留学访问，回国后仍保持长期合作，也曾为本书英文版的编写做出贡献。他们在海洋大气相互作用及气候变化方面取得了重要的成就，是活跃在国内外一线的优秀气候学者，多人以第一作者身份发表的论文跻身于全球1%高被引用论文之列。郑小童教授是联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告的贡献作者;周震强博士揭示了2020年长江流域超强梅雨事件中印度洋增温的重要作用;全球平均温度在2023和2024两年连续创新高，同期发生的厄尔尼诺现象起到推波助澜的作用，彭启华博士揭示了该厄尔尼诺事件展现出的奇特物理特征和机理。
自古英雄出少年，长江后浪推前浪。这五名译者是中国科学研究大步迈进的见证者和先锋队。希望他们的译作会激励新一代立志气候动力学研究的学生和学者将该领域推向新的高度，并为从事气候应用方面学者了解气候变化原理的窗口，实现人类自然可持续发展的共同目标。
谢尚平（Shang-Ping Xie）
2025年3月21日于美国圣迭戈
前 言
气候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，其对气候变化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。
本书介绍了大气-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”（Batchelor and 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（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．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（第9章至第11章）;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（第9章与第12章对比）;气候系统的自发内部振荡和由外强迫引起的气候变化（第13章）;温室气体与气溶胶强迫的异同（第14章）。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。
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？在第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。
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本文摘自科学出版社2025年3月出版《大气-海洋耦合动力学:从厄尔尼诺到气候变化》一书，内容有删节。标题为编者所加。
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