五大洋环流基础知识

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1、1,2,3,4,5,6,海洋环流的基本特征,水平流动沿着等高线（等温线)，流速大小和等值线的密集程度有关。 垂直温度（密度）的变化影响着流动的方向（赤道潜流、北赤道流和黑潮延伸体）。 有时流动沿着等深线（东海黑潮、近海环流）或者纬线（南太平洋海流），遇地形流动会发生变化（黑潮延伸体）。 存在顺时针和逆时针的环流，很强的西边界流。,7,第二章,大洋环流基础知识,8,第一节 基本运动方程,运动方程： 牛顿第二运动定律 动量方程 连续方程： 质量守恒,+,9,1. 非旋转坐标系下的运动方程,+,压力项,有势力项（重力）,其他力项（摩擦力）,如果密度不变,10,2.旋转坐标系下的运动方程,在非惯性坐标

2、系下，绝对速度等于相对速度加上牵连速度 绝对速度 相对速度 牵连速度 地球在自转，是旋转坐标系， 是地球自转角速度，大小是 ， 是地球球心到运动位置的矢径,11,坐标变换，引入惯性力,由于我们实际是在地球上观测海洋的运动，采用相对坐标系比采用绝对坐标系方便,科氏力,离心力,12,旋转坐标系下的运动方程,旋转坐标系下的运动方程和非旋转坐标系下的方程相比，多了惯性力项，特别是科氏力的出现，使得旋转坐标系下的运动更具特点,离心力包含在有势力里面,科氏力总是和运动方向垂直,13,第二节 基本概念,1. 科氏力和科氏参数 2. 大尺度运动和Rossby数 3. 正压海洋和斜压海洋,14,1. 科氏力和科

3、氏参数,不同纬度上线速度的不同导致科氏力产生,15,1. 科氏力和科氏参数,在地球这个非惯性坐标系中，由于地球的自传引入了惯性力科氏力： 科氏力的方向总是和运动的方向垂直，因而不做功，不会为运动提供额外的能量，但是会影响运动的轨迹。 科氏参数：2倍的局地旋转角速度,16,2. 大尺度运动和Rossby数,17,海洋环流大尺度运动特点,运动空间尺度特点： 运动的空间尺度很大，基本在100km以上。 运动时间尺度特点： 运动的时间尺度很长，一般在1个月以上，意味着要远远的大于地球自转的时间尺度。 物理意义：流体相对运动的时间尺度远大于地球自转周期，运动过程中地球自转的效应能够被感觉到，即科氏力的作

4、用能被感觉到。,18,Rossby数,定义Rossby数： 其中U是水平流动的特征流速，L是水平流动的特征空间尺度。对于大尺度运动，U一般为0.01-0.1m/s，L一般为100-1000km。 对于大尺度运动 ： Rossby数远小于1,19,Rossby数物理意义,惯性项/科氏力： 旋转时间尺度/平流时间尺度 相对速度/牵连速度 相对涡度/牵连涡度,20,3. 正压海洋和斜压海洋,严格定义 正压海洋：等密度面和等压力面平行 斜压海洋：等密度面和等压力面不平行,21,一般情况下的定义,正压海洋：海水的密度（温度）看成是常数 斜压海洋：海水的密度（温度）不是常数,实际的海洋是斜压的，然而正压近

5、似可以简化物理问题，同时能对海洋的运动做出初步的合理解释，因而被大家所接受。,22,第三节 地转运动、流函数和势函数,基本运动方程 写成分量形势 实际的海洋中，大尺度的环流运动是定常的，海洋当中的摩擦力等其他外力很小，相对于科氏力和压力可以忽略，这样的运动称之为地转运动。,23,1. 地转运动,定常下忽略摩擦力 和其他外力的运动 地转运动方程 运动特点： 流动平行于等压线，在北半球，高压在右手方向。海面高度和海面压力是对应的，所以地转运动也是平行于等高线的流动，在北半球，海面高的海水在右手方向。,24,海面温度和 海面高度是 对应的，地 转运动沿着 等温线或者 等高线流动,地转是大洋重要的水平

6、流速和水平密度（温度）关系式,25,大洋流动基本沿等温线，而且等温线越密集的地方压力梯度越大，流动越强,26,2. 流函数和势函数,如果流场可以表示为 就把 称之为流函数 如果流场可以表示为 就把 称之为势函数 地转运动中的压力或者高度可以看成是流函数,27,流函数和势函数运动特点,流函数决定的流场 流函数决定的流场是无辐散的 势函数决定的流场 势函数决定的流场是无旋度的,28,流函数和势函数运动特点,流函数是平行等压线的运动 势函数是垂直等压线的运动 任何运动都可以分解成两部分，一部分是流函数决定的，一部分是势函数决定的,250,200,150,压力P,温度T,29,信风和西风带反映流函数和

7、势函数运动,信风带 科氏力较弱 势函数作用 比较明显 西风带 科氏力较强 流函数作用 比较明显,30,第四节 涡度和涡度方程,31,1. 涡度,涡度定义： 速度场的旋度定义为涡度，海洋运动中势函数运动没有涡度，流函数运动才有涡度。 海洋中最重要的涡度 分量是Z方向的涡度 逆时针运动的涡度为 正值，顺时针运动的 涡度为负值。,32,绝对涡度、相对涡度和牵连涡度,地球上的运动是在旋转坐标系下： 特别是,绝对涡度,相对涡度,牵连涡度,Rossby数表征的就是相对涡度和牵连涡度的比值,33,2. 涡度方程,对运动方程求旋度，得到涡度方程 涡度方程表明：涡度的变化由内因、斜压作用和外因共同决定，绝对涡度

8、的变化和相对涡度的变化一样。,涡度的变化,内部作用,斜压作用,外力作用,34,涡度变化原因1内部作用,内部作用表达式：,流体柱的垂直流速剪切导致涡度变化,流体柱的辐合辐散导致涡度变化,35,内部作用导致涡度变化愣次定律,背景涡度向右,垂直速度剪切导致流体柱倾斜,背景涡度通量减少,诱生逆时针的环流,产生向右相对涡度弥补背景涡度变化,背景涡度向外,辐合导致流体柱面积缩小,背景涡度通量减少,诱生逆时针的环流,产生向外相对涡度弥补背景涡度变化,流体运动导致的涡度变化类似于磁场中线圈运动导致的感应磁场和感应电流变化,36,涡度变化原因2斜压作用,等压面,浮力作用,背景涡度通量减少,诱生向上相对涡度,斜压

9、作用导致涡度的变化类似于内部作用，也适用于愣次定律,37,涡度变化原因3外力作用,38,第五节 热成风关系,涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外力作用可以忽略（大尺度运动）： 大尺度运动相对涡度远小于牵连涡度,热成风关系斜压流体,39,分量形式的热成风关系,大量,小量,大量,小量,40,简化形式的热成风关系,热成风关系构建了垂直流速的变化和水平密度（温度）变化之间的关系，是大洋中非常重要的流速和密度（温度）的关系式,垂直流速剪切,水平密度梯度,41,热成风关系应用,U为正值，流动向西,U为负值，流动向东,假定深海的流动速度为0,42,大洋内部的流动方向？,43,赤道潜流的流动方向？,赤道,北

10、,南,为什么流速强？,44,第六节 泰勒-普劳德曼定理,涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外力作用可以忽略（大尺度运动），斜压项为0（正压流体）： 忽略相对涡度：,泰勒-普劳德曼定理正压流体,45,泰勒-普劳德曼定理,连续方程： 涡度方程变为：,流体的流动垂向无剪切，与热成风关系对应,46,泰勒柱正压流体流动趋向2维,流体如果在某一高度垂直速度 为0，在所有高度上垂直速度都 为0，运动是2维的。,47,第七节 环流和Kelvin定理,48,环流定义,绝对环流： 相对环流：,A,C,环流代表着通过物质面的涡度通量，而积分过程使得涡度方程的内部作用项消失。,49,影响环流变化的因素,绝对环流变化

11、： 相对环流变化：,环流的变化类似于涡度的变化，也适用于楞次定律。正是由于涡度的变化导致了诱生环流的产生。,50,2. Kelvin定理,如果没有斜压项， 摩擦力的作用忽略 Kelvin定理： 绝对环流守恒，也就是通过物质面的绝对涡度通量守恒，类比与通过感应线圈的磁场通量守恒。,51,第八节 位势涡度,涡度方程的形式仍然不是一个类似动量定理的形式，还存在内部作用项。对涡度方程进行垂直积分，然后再除以水深,52,定义： 为位势涡度 其中 为相对涡度,位势涡度的引入,53,第九节 位势涡度守恒,根据Kelvin定理： 其中 此时Kelvin定理写为：,54,位势涡度守恒,对于一个高度为H的流体柱，

12、根据 质量守恒，有 这就是位势涡度守恒，可以从Kelvin定理推出。前者是从微观（流体团）的角度，后者是从宏观（环流）的角度，二者是等价的。,位势涡度守恒是地球物理流体动力学的重要定理,55,位涡守恒角动量守恒,假定一个流体柱如右图旋转， 无外力作用下，角动量守恒： r2=const 根据体积守恒（质量守恒）： r2H=M=mass=const 位涡守恒,位涡守恒的本质就是角动量守恒，通过研究流体的旋转特性来认识流体的运动,56,位涡守恒应用1流体沿等深线运动,当涡度变化 不大时，特别 是行星涡度f 变化不大时， 流体的运动基 本沿着等深线,57,位涡守恒应用2流体沿纬线运动,当在大洋内深度

13、变化不大时，流体 基本沿着纬线流动,58,当流体遇到地形变化时，相对涡度也发生相应的变化来平衡地形变化导致的位涡改变。,位涡守恒应用3流体遇地形的运动,伊豆海脊,59,赤道外，位涡为： 赤道上，位涡为： 所以赤道上的相对涡度很大 赤道上东西方向流动的赤道潜流,位涡守恒应用4赤道潜流的形成,60,第十节 浅水方程,局地坐标系下的运动方程 连续方程： 动量方程：,惯性项,平流项,科氏力项,压力项,其他外力项,61,浅水近似动量方程,由于海洋的深度远远小于海洋水平尺度，因而海水的水平运动远大于垂直运动，可以近似的看成是浅水运动，因而采用浅水近似。,浅水近似下的动量方程主要忽略了垂直平流项的作用,62

14、,浅水近似连续方程,利用上下边界条件，对连续方程进行垂直积分 上边界条件： 底边界条件： 垂直积分后的连续方程：,63,浅水方程运动特点1,定常运动，忽略平流项和其他外力项（大尺度运动）,方程就退化为地转运动方程 ：,大尺度的浅水运动就是地转运动，但是三个方程实际等于两个方程，无法求解,可由动量方程导出,64,浅水方程运动特点2,定常运动，由连续方程得到：,定常下浅水运动基本沿着等深线，也就是地形影响运动位涡守恒,65,第十一节 准地转运动和位涡方程,浅水方程可以用来描述海洋中的各种运动，而大尺度环流的运动具有如下特点： 最低阶的运动是地转的，海洋环流的基本运动是地转运动； 在地转运动的基础上

15、，存在着偏离地转运动的小偏差，这种非地转运动是小量。,上述这种运动被称之为准地转运动,66,1. 准地转运动1速度场,地转部分（大量）,非地转部分（小量）,地转部分运动水平无辐散,非地转部分运动水平有辐散,67,2.准地转运动2 平面近似,科氏参数 ，使用起来不方便,68,3. 位涡方程,-, 动量方程求旋度，得到涡度和位涡方程,位涡,69,准地转位涡,定义 为准地转位涡 准地转位涡方程可以写为 ： 准地转位涡可以从前面的位涡定义导出,相对涡度,70,经典的风生海洋环流理论来自于正压涡度方程和位涡方程,位涡方程,涡度方程,位势涡度,涡度,71,流函数表示的位涡方程,引入流函数： 位涡方程变为：,如果外力忽略,位涡守恒,