一、太陽與地球
下圖：太陽系各星系相對大小。
摘自Thurman, H. V. (1993)
"Essentials of Oceanography", 4th ed.。
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日光輻射至地球表面（日照面積約1.27 × 1018 cm2）之平均日射量為2 ly/min （1 langley:每平方公分面積上接受一卡之熱量稱為一郎勒）。在赤道上ab截面積在緯度φ處只有ab ×cosφ。故太陽直射赤道時，緯度φ處受到之日射量僅為赤道地區的cosφ倍。另外，日光穿透大氣層之距離亦與緯度有關，同時反射效應亦不相同，因此造成差異。
二、溫室效應
日光進入大氣後，部份反射回太空，大部份則穿透大氣照到陸地 和海洋，然後被吸收。海洋與陸地增暖向太空發射長波輻射，另外亦經由對 流與傳導，結果大氣因而增暖，同時再向地表與太空發出長波輻射。平均而 言，熱帶地區短波輻射超過長波輻射，有熱量剩餘。高緯地區則反之，熱量虧欠。
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人造衛星測量出的地球入射與出射熱量隨緯度變化情形(左圖)。熱量由海洋傳回大氣所經之三種過程其隨緯度變化情形(右圖)。摘自Stowe, K. (1995) "Exploring
Ocean Science", 2th ed.。
大氣與海洋之南北冷熱對比造成空氣與水的循環，生成風與海流，將低緯 度地區多餘的熱量搬到兩極，使地球表面溫度對比不致太大。地球上的熱平衡過程可以視為一個低效率的引擎。低緯度地區﹕熱源，高緯度地區﹕冷 源，海洋﹕鍋爐，太陽﹕燃料，熱媒﹕水，工作現象﹕風與海流。大氣 中最重要的南北熱交換過程是透過季風、颱風與熱帶風暴來完成，海洋中則經由大規模之海洋環流系統來達成。
全球暖化現象(Global warming)﹕溫室效應使地表溫度能維持在平穩而適宜的範圍，但隨人類工業化後造成環境的改變，溫室效應亦促成了全球暖化的現象。 大氣中二氧化碳、氟氯碳化物(Chlorofluorocarbons, CFCs)、氧化氮(Nitrous oxide)、 甲烷(Methane)等含量逐年增加，雖然與大氣中所有氣體總質量相比其量仍小，但這些額外的人為物質卻開始損害了地球精巧的熱平衡過程。主要是這些氣體會選擇性地截留住長波輻射 的能量，使地表向外太空之反輻射不易穿透大氣層，因此促成了暖化現象。其中有些氣體更會破壞臭氧層，而使紫外線較易射到地表，對生物會產生致命的傷害，對暖化現象也有「貢獻」。
全球CO2總量收支狀況，圖中數值之單位為十億噸。
因人為原因造成全球暖化現象之預估發展趨勢。以上二圖
均摘
自Stowe, K. (1995) "Exploring Ocean Science", 2th ed.。
三、海洋表層海水扮演的角色
表層海水與大氣間的相互作用造成了地球上的氣候狀況。熱帶地區由於強烈 的日照促成增暖以及蒸發，因此表層海水溫度、鹽度均較高。中緯度地區 ，表面海水特性固然會隨季節變化甚大，但仍比深層海水要暖且輕。高緯度極區海水本就很冷，每屆冬季表層水溫更為降低，海水密度增大、下沈， 並與深層海水相混合﹔這也就是深層海水之來源。
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極區海水對全球氣候影響較小，有三個原因﹔
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（一）由於球面分佈，極區面積遠小於溫帶與熱帶，
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（二）極區海面多覆有冰塊，隔絕了海氣交互作用，
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（三）當水溫低時，海氣間熱交換過程亦較慢，效率較差。
海洋對氣候變化扮演了「穩定」作用的角色，主要是因為海洋有很大的「熱慣性」。 這是因為（一）水的比熱大，（二）光線可穿入很深，（三）水的混合很快， （四）水具有「相」變化，潛熱很大。水的比熱約為土壤的五倍，因此加入或移出同樣的熱量，土壤就比水要快五倍，故地表容易溫差大。其次，土壤透光性差，日照熱能便集中於地表，但水中則可穿透相當厚的水層，故地表增溫快。 表層降溫時，水會產生對流，故溫差不大。水的潛熱亦促使蒸發時吸熱，凝 結時釋熱，和增、減溫過程正好背道而駛，故可相對保持穩定。極區結冰與 融冰之過程亦有類似效應。不過，冰塊亦造成隔絕作用，使海洋無法影響到 上層之大氣。
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四、水的相變化與氣候之關係
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白晝或夏季時，水的蒸發作用會吸收熱能，因此可減緩氣溫上升。以全球平均， 從海洋傳入大氣的熱能中，約53%是經由蒸發作用所輸送。在夜間或冬季，當水汽凝結時會釋出熱能，因此可減緩氣溫下降的幅度。全球平均，每年大約從海洋蒸發了0.97 m的水份，其中有0.88 m經由降水直接返回了海洋，其餘0.09 m的水則降在陸地，再由逕流返回海洋。陸地上降雨超過蒸發，其原因為﹕
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(1)陸地上水域面積小，故蒸發量本就小﹔
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(2)陸地日夜以及季節溫差大，多達15 ～ 25°C，有利於水汽凝結﹔
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(3)陸地地形高低起伏大，因氣溫隨高度遞減，故山坡迎風面水汽易凝結而多雨。
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大氣層中水汽含量雖小但卻蘊涵了大量的熱能，對氣旋發展提供了熱力來源。
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颶風Andrew(1992年8月
25日)侵襲墨西哥灣海域時之衛星雲圖。摘自Stowe, K. (1995) "
Exploring Ocean Science", 2th ed.。
在高緯度地區，水的結冰以及冰的融化過程對氣溫變化也可造成類似的緩和效果。 當冰融化時將吸收外界熱量，因此春季化冰時氣溫不會上升很快。當氣溫下降水 結冰時，也會放出潛熱，因而遲緩氣溫下降的速度。這些過程所造成之潛熱變動正好和氣溫之變化相反，所以能使氣候變化比較和緩。
海水結冰是一個頗複雜的過程。鹽度在千分之廿五以上的均勻海水，表面冷卻，則表面層密度增大，產生對流運動，直至表面的水冷至冰點，即開始結冰，先成修長之純冰晶體，因表面水之鹽度增大，對流現象持續不斷，冰晶成長後會將部份滷汁形成直立管狀夾在其中，凝結愈快則所封閉之滷汁愈多。如溫度續降，則夾在冰晶間之滷汁亦開始凝結，逐漸使液態之滷汁細胞濃度增大，體積變小，以至全部凝固。 冰如冷卻至甚低之溫度，則固態之鹽也能結晶析出。由於對流作用，水體並不易結 冰﹔但如水表層覆蓋了一淺層鹽度較低的海水，海冰便較易生成。大風、大浪時海 面混合強烈，不易結冰。結冰多在風力平靜時發生。海面一旦結冰後，便形成海、 氣間良好的隔絕體，阻止了二者間熱量、水汽的有效交換。初生之海冰多呈片狀或 餅狀，極區則有多年不化之老冰，其厚度在廿公分以上，甚至達到數公尺以上。高 緯海面常出現之冰山浮冰則係陸地冰川斷裂入海所致，非海上原產。
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海水結冰過程受
海水分層狀況影響頗大，左上圖(a)為無分層狀況，對流強，不易結冰，
左下圖(b)為有分層狀況，較易結冰。右圖為結冰初期薄冰層受風或浪作用後，
破裂形成之
荷葉狀冰塊(Pancake ice)分佈情形。
摘自Stowe, K. (1995) "Exploring Ocean Science", 2th ed.。
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五、全球風系
赤道地區空氣受熱上昇，極區空氣因冷下沈，前者在南北緯度30度附近下沈，後者則源於南北緯度60度處上昇之氣流。如此則在經向剖面上形成了三胞形狀的垂直環流構造。
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大氣環流的三胞構造(左圖)以及對應風系狀況示意圖(右)。分別摘自Stowe, K. (1995)
"Exploring Ocean Science", 2th ed. 以及摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of
Oceanography", 4th ed.。
以北半球為例：在北緯30度下沈之氣流，向南吹時因地轉效應偏向形成貿易風（東風）﹔向北吹者則偏向形成西風。在極區下沈之氣流，何南吹時亦偏向形成極地東風。如此構成了全球海面主要的風系分佈情形，這種環流構造亦受海陸分佈的影響很大。 冬季，大陸較冷，空氣流往海洋，受地轉偏向後便是冬季風(如本地之東北季風)， 夏季，大陸較熱，空氣由海吹往內陸，形成夏季風。
下沈氣流近地表時向外側流出，受科氏力影響形成高壓之反氣旋型環流(A)，
上升氣流在近地表處為向內側流入，受科氏力影響形成低壓之氣旋型環流(B)。
摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of Oceanography", 4th ed.。
暖池(warm pool)以及El Nino：赤道太平洋西部，在民答那峨與新幾內亞連線以東有一大片暖水堆積在那裡，稱為暖池。
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每隔若干年，赤道地區東風會減弱，此時暖水即東移至太平洋東岸，造成祕魯沿岸海溫上升，原先之湧升流及冷海流消失，漁產大減甚至造成漁業與肥料業不景氣（百年六次），當地稱此為El Nino(The Little Boy or Christ Child in Spanish，故中譯亦有稱其為「聖嬰現象」者)。
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發生El Nino年，祕魯常招洪澇而印度與中南半島則往往大旱，這是因為受到海溫異常分佈的影響，南太平洋東西兩岸之氣壓分佈也發生了變化，西岸盛行高壓下沈氣流，東岸則盛行低壓上升氣流，氣象學稱此現象為南方振盪(Southern Oscillation)。
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南方振盪對太平洋東西兩岸氣候所造成的影響。圖
(a)：正常狀態下，貿易風將表層海水向西推送，暖
水在西側積聚因此產生暖濕空氣，暖濕空氣向上爬
升因而在太平洋西側發展出低氣壓系統或是暴風系
統。在 太平洋東側則正好相反，湧升流促成冷海面
，空氣下沈且乾燥，天空晴朗高壓盛行。圖(b)：當發生較強的El Nino現象時，貿易風減弱，表層暖海水向東退回，因此太平洋東側堆積了暖海水
，促成當地富於暖濕且上升的氣團，故低壓與暴風
盛行，反而是太平洋西側變成苦旱。
El Nino與南方振盪二者又合稱為ENSO。 El Nino現象結束後，次年太平洋東岸之海水溫又往往會比正常為 低，西岸則往往偏高，此種顛反之異常狀態稱為La Nina(The Little Girl)。
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El Nino發生後對全球氣候
造成影響情形之示意圖。摘自
PMEL
1997年發生El Nino
造成東南亞苦旱，印尼大火燒山造成霾害，左圖為衛星觀測到的大氣懸浮膠粒子(Aerosol)含量分佈，可具體看出野火所造成煙塵之分佈狀態。
摘自
PMEL。
由1950至1997年南方振盪指標
(SOI, Southern Oscillation Index)之時間序列變化情形(此為13個月之移動平均值)。
摘自
PMEL
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六、局部風系
海陸風﹕如上節類似的效應亦發生在濱海地區，陸地氣溫日變化大，造成午 後吹海風，深夜吹陸風。
海陸風現象示意圖，(a)陸風，(b)海風。摘自Stowe, K. (1995) "Exploring Ocean
Science", 2th ed.。熱帶風暴﹕大洋上海面溫度高時，大量的暖濕空氣上昇，上昇過程中遇冷凝結降水，但凝結所放出之潛熱會加熱空氣本身，因此後者繼續上昇。大範圍海域內如能持續維持這種上昇運動，不久氣壓即大降，海面空氣也快速旋轉，生成熱帶風暴。
熱帶風暴發展過程之示意圖。摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of
Oceanography", 4th ed.。 |
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溫帶氣旋與熱帶氣旋最明顯之差異在於前者具有冷、
暖鋒構造，而後者則無。左圖為暖鋒，右圖為冷鋒垂直斷面之示意圖。
摘自Thurman, H. V. (1993) "Essentials of Oceanography", 4th ed.。
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本章始建於1998/9/14, minor adjustment: 2017/4/11