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1、大洋环流及水团结构,徐雪松 上海交大船建学院,大洋环流及水团结构,内容提要 概述（Summary） 海流成因（Cause of Current） 地转流（Geostrophic Flow） 风海流（Wind Driven Current） 惯性流（Inerial Current） 大洋环流及水团结构（Circulation & Structure of Water Mass） 中国海环流（Circulation of China Sea） 观测手段、研究方法和应用（Measurement, Research and Application）,概述（Summary）,一、定义及分类（Defini
2、tion & Type） 海流(Ocean current)：海水大规模相对稳定的流动。 2. 分类(Type)： 按成因分：密度流(density current)，风海流(wind current)，补偿流(compensation current)； 按受力分：地转流(geostrophic flow)、惯性流； 按发生区域：赤道流(equatorial current)，陆架流，东西边界流(eastern/ western boundary current)等； 按运动方向：上升流(upwelling)，下降流(downwelling)； 按温度分：寒流，暖流等。,概述（Summary
3、）,二、研究意义（Significance） 国防 航运 渔业 气候,概述（Summary）,三、影响和产生海流的力（Causes of current） 重力，压强梯度力，风应力，引潮力; 海水运动后派生的力：科氏力(Coriolis force)，摩擦力(friction force) 1、重力：重力加速度 g g与纬度和海水深度有关: 海面上赤道到极地差为0.052m/s2；在中纬度，海面与10km深处的差为0.031m/s2。 重力势 (potential of gravity)； 等势面，水平面； 海平面 (sea level) 。,概述（Summary）,2、压强梯度力： 等压面：
4、压强相等的面。 压强梯度力： 水体所受静压力的合力： f= f1 - f2=PA - (P +P) A 单位质量水体所受的静压力的合力： 与等压面垂直，指向压力减小的方向。即与压强梯度方向相反 。 流体静力学方程： 正压场：等压面与等势面平行 斜压场：等压面相对等势面发生倾斜时。 海洋内压场：由海洋中密度差异形成的斜压状态。在海洋上部斜压性很强。 外压场：外部原因（风、降水、江河径流）引起海面倾斜产生的压力场。,概述（Summary）,3、风应力： 切应力，将大气动量输送给海水，以经验公式给出 4、科氏力： 5、摩擦力： 分子粘性力(molecular viscosity )和湍流粘性力(tu
5、rbulent viscosity),概述（Summary）,四、海水动力学方程（Dynamic equation of sea water） 运动方程：牛顿第二定律 速度V是时空的函数，即V=V(x,y,z,t) 实质微商： 连续方程:质量守恒定律在流体中的应用。,地转流(Geostrophic Flow),科氏力： 水平压强梯度力与科氏力平衡，海水流动才能稳定,地转流(Geostrophic Flow),一、均匀海洋中地转流(Geostrophic flow of homogenized ocean) 1、地转流(geostrophic flow)定义：压强梯度力水平分力与科氏力达到平衡时
6、的稳定流动。,地转流(Geostrophic Flow),2、特点 (characters)： ）地转流流速大小与等压面和等势面的夹角的正切成正比，与科氏参量成反比。 ）沿两面的交线流动, 北半球流向偏在压强梯度力水平分力右方90度。 ）在北半球，面向流去的方向，右面等压面高，左面低。 (内压场引起的等压面倾斜主要体现在海洋的上层，随深度增加而减小。外压场引起的等压面倾斜则直达海底。),地转流(Geostrophic Flow),二、二层海洋中地转流 (Geostrophic flow of two-layered-ocean) ）等压面倾斜与等密面倾斜方向相反，若上层流速小于下层流速，倾斜方
7、向相同。 ）流向沿三面交线流，面向流去方向右面密度小，左边大。右边温度高，左边低。,风海流(Wind Driven Current),一、无限深海风海流（亦称漂流）(Wind Driven Current of Deep Sea /Drift) 艾克曼(Ekman)于1905年根据南森在北冰洋考察时发现冰的漂流方向与风向不一致。 1、定义：海水摩擦力(friction)和科氏力(Coriolis)平衡时的稳定流动。 假定：I. 均匀； II. 海区无限宽广，海面无起伏； III. 风场均匀，只沿y方向吹； IV. 只考虑垂直涡动粘滞系量引起的水平方向的摩擦力，且视为常数； V. 科氏力不随纬度
8、变化。 方程：,风海流(Wind Driven Current),边界条件(boundary condition)：海面(surface) z=0 海底(bottom): u=v=0 解： 其中：,风海流(Wind Driven Current),2、空间结构： ）表层流速最大，流向偏向风向的右方45度； ）随深度增加，流速逐渐减小，流向逐渐右偏； ）至摩擦深度，流速是表面流速的4.3%，流向与表面流向相反，可忽略； ）连接各层流速的矢量端点，构成艾克曼螺旋线(Ekman spiral)。,风海流(Wind Driven Current),二、浅海风海流(Wind driven current
9、 of shallow sea) 水深越浅，从上层到下层的流速矢量越是趋近风矢量的方向。,风海流(Wind Driven Current),三、风海流体积输运(Bulk transmission of wind driven current) 无限深海风海流,垂直风向输送，北半球在风向的右边，南半球相反。浅海风海流存在岸、底摩擦，在x, y方向都有输送。,风海流(Wind Driven Current),四、风海流的附效应(Attached effects of wind driven current) 升降流(up & down welling)： 1) 顺岸风(coastwise wind
10、),风海流(Wind Driven Current),2) 气旋(Cyclone)与反气旋(Anticyclone) 辐散(Divergence)、辐聚 (Convergence),惯性流（Inertial Current）,一、科氏力和加速度达平衡 (1) u+(2) v: (1) v-(2) u: 流速、流向，水质点运动是等速圆周运动。,惯性流（Inertial Current）,水质点运动轨迹 对方程式积分： 1. 轨迹是圆形 2. 半径为(Radius)： 与纬度有关。,惯性流（Inertial Current）,3. 周期(Cycle)： 4. 频率(Frequency)： 5. 北
11、半球为顺时针旋转，南半球相反。 f=0.0001/s ，T=17.4h V=0.1m/s ， r=1km V=1.0m/s ， r=10km 6. 中纬度惯性流：周期为17-18h，半径1-10km.,大洋环流及水团结构 (Circulation & Structure of Water Mass ),（一）大洋环流的成因(Cause of Circulation) （二）海洋表层环流的地理分布(Distribution of Sea Surface Circulation) （三）大洋表层环流各流系的特征 (Characters of Series of Surface Circulatio
12、n) （四）大洋水团及表层以下环流(Water Mass & Undersurface Circulation),大洋环流的成因(Cause of Circulation),一、风生大洋环流(Wind Driven Circulation ) 西向强化理论(Western Intensification Theory)：科氏参量随纬度变化。 1. Stommel 1948，风应力、铅直湍切应力及科氏力等的平衡关系。 将大洋视为等深矩形风应力随纬度变化。2种科氏参量情况下的解结果：,大洋环流的成因(Cause of Circulation),2. Munk： 1950,考虑均质大洋边界侧向摩擦力
13、作用，将北太平洋为三角形，得到与实测海流相似的结果。,大洋环流的成因(Cause of Circulation),二、热盐环流(Thermohaline Circulation 由温、盐变化引起的环流。在大洋中下层占主导地位。,海洋表层环流的地理分布 (Distribution of Sea Surface Circulation),1、副热带海区反气旋式环流(Anticyclone circulation)： 太平洋(Pacific)、大西洋(Atlantic)：南半球和北半球都存在。 印度洋(Indian ocean)： 南半球：与大西洋(Atlantic)和太平洋(Pacific)相似；
14、北半球：冬夏环流形式受季风影响，冬半年是反气旋式环流，夏季则消失。 2、气旋式环流(cyclonal circulation)： 太平洋和大西洋的亚北极海区受极地弱东风的影响。,大洋表层环流各流系的特征 (Characters of Series of Surface Circulation),大洋表层环流各流系的特征 (Characters of Series of Surface Circulation),一、赤道流系(Equatorial current)： 1. 南、北赤道流(South/North equatorial current) 对应信风带(trade wind band)，
15、亦称信风流。南北不对称，夏季北赤道流在10N到20N25N之间，南3N 10S之间。冬季稍偏南。赤道流自东向西逐渐加强。 2. 赤道流系特征(Characters of equatorial current) 主要100300m的上层，平均流速0.250.75m/s。下部有强大的跃层存在，跃层以上温暖高盐的表层水。溶解氧含量高，营养盐低。赤道流是高温、高盐、高水色及透明度大为特征的流系。,大洋表层环流各流系的特征 (Characters of Series of Surface Circulation),3. 印度洋赤道流系特征(Characters of Indian equatorial
16、current) 主要受季风(monsoon)控制。11月至翌年3月盛行东北季风，59月盛行西南季风。 4. 赤道逆流 (Equatorial counter current) 对应赤道无风带，平均位置在3N10N之间。逆流区有充沛的降水，相对赤道流具有高温、低盐特征。它与北赤道流之间存在辐散上升运动，水色和透明度也相对降低。 5. 赤道潜流(Equatorial latent current) 南赤道流区下方温跃层内，与赤道流相反自西向东的流，成带状分布，厚约200m，宽300km，最大流速达1.5m/s。流轴常与温跃层一致，向东变浅。,大洋表层环流各流系的特征 (Characters of Series of Surface Circulation),二、西边界流(West boundary current)： 1. 大洋西侧沿大陆坡从低纬向高纬的强流。太平洋黑潮(Kuroshio Current)和东澳流(East Australia Current)，大西洋湾流(Gulf Stream)和巴西流(Brazil Current)，印
