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1、学 海 无 涯,1、,1,物理海洋学 复习提纲 海洋学的学科体系是怎样的？什么是物理海洋学，它的研究对象与方法是什么？,海洋学：是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及开发利用海洋的知识体系。是地球科学和 地理学中的自然地理学的组成部分。 【基础学科】物理海洋学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学 【边缘学科】海洋环境学、海洋气象学、航海海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、区域海洋学、海洋 工程、海岸工程、海港工程、围海工程、深海采矿工程、海水养殖、海水淡化工程、海水综合利用工 程、海洋能开发工程、海洋水下工程、海洋空间开发工程、海洋石油和天然气开采工程 物理海洋学：运用物理学的观点和方法，研究
2、海洋中的力场、热盐结构、以及相关的各种机械运动的 时空变化，并研究海洋中的物质、动量和能量的交换和转换的学科。 物理海洋学所研究的对象，是人类和其他生物赖以生存和生活的海洋中的物理环境。这种环境中的物 理过程，与地球上的气候和天气的形成和变化、海洋生物的生存和生活、海洋中物质和热量的输送、 海岸和海底的侵蚀和变化，以及海洋的交通运输和军事活动等，都有密切的关系。 研究方法： 观测与调查（现场和室内试验）: 卫星遥感、航拍，海洋调查船, 锚系、浮标，采样，样品分析， 水槽试验，数值实验 理论化知识体系的建立: 从铅笔/纸张到超级计算机；从数据分析到理论; 从理论到模型,2、,海里相当于多少公里？
3、纬度中 1 分相当于多少海里？表示航行速度经常有单位“节”，一节相当于多少 m/s？ 地球的自转角速度是多少？,1 海里=1.852km；纬度中 1 分相当于 1 海里、纬度中 1 度相当于 60 海里，约 111km； 1 节（kt）=1 海里/小时=1.852km/h（约等于 0.5m/s）； 地球自转的角速度=2/(24x3600s)=7.27x10-5 rad/s,3、,世界海洋中根据其空间尺寸如何分类？什么是边缘海？什么是陆架浅海？,洋(Ocean)、海(Sea):边缘海，陆架浅海、海湾(Bay，Gulf，Embayment)、海峡(Strait, Gullet)、峡 湾(Fjord
4、)、潮汐汊道(Tidal inlet)、河口(Estury)、潮滩(Tidal flat)、沙滩(Sand beach) 位于大陆边缘，以岛屿、群岛或半岛与大洋分隔，仅以海峡或水道与大洋相连的海域。 大陆架：它的范围自海岸线（一般取低潮线）起，向海洋方面延伸，直到海底坡度显著增加的大陆坡 折处为止。大陆架是大陆的自然延伸，原为海岸平原，后因海面上升之后，才沉溺于水下，成为浅海。,4、,海洋中声音传播的速度与什么因素有关？何为海洋声道，其成因与特征分别是什么？,海水的盐度、水深（压强）、海面和海底状况、海水的运动、海洋中包含的各种不均匀体如气泡和生物 等 从声速最低的地方发射的声波，由于上下层的
5、声速不同而发生折射，造成声波传播途径总是弯向声速 最低的地方。大部分声波在海水中经过这样的往复弯曲折射，而不与海面和海底接触，故能量损失很 小，这种现象称为声道现象。声速最低的地方称为声道轴。,5、,海洋中光的传播与什么因素有关？光在水层中的衰减满足什么定律？光的传播对海洋生态系统有何影响？ 什么是真光层？, （1）海水中光的吸收：光能量在水中损失的过程就是吸收。吸收也存在不同的物理过程：有些光子是 在它的能量变为热能时损失了，有些光子被吸收后由一种波长变为了另一种波长的光。 （2）海水中光的散射：散射时，光子没有消失，只是光子的前进方向发生了变化。也导致水中准直光 束能量的衰减。海水中引起光
6、散射的因素很多，主要有水分子和各种粒子，包括悬移质粒子、浮游植 物及可溶有机物粒子等。,学 海 无 涯, 植物是海洋中生命的关键一环。植物需要光，光能够到达的海洋深度在一定程度了决定了大多数海洋 生物的生存深度。 真光层，又名透光带，英文 photic zone，指水层中有光线透过的部分。为海洋生物生态作用最活跃的 水层。,6、,风速的垂向分布如何？风应力如何计算？风的大小是如何分级的？,垂向风速剖面： 风应力计算：,7、,海洋的热平衡是怎样的？什么是位温？世界大洋的水 温分布如何？受什么因素控制？,热平衡：太阳短波辐射、海面有效回辐射、潜热（蒸发和凝结）、显热（对流） 位温：某一深度海水绝热
7、上升到海面时温度，比现场温度低 空间：垂向（混合层、温跃层、深层海洋）； 表面（纬向带状分布，北半球大洋西部温度大于东部、南半球相反） 时间：日变化（变化小，正弦曲线）；年变化（热带变化小周期半年、温带变化大周期一年，近岸海域 温差大，） 因素：太阳辐射、大洋流动、风,8、,什么是上混合层？其季节性变化特征是什么，由何种因素控制？,上混合层：海洋要素（特别是位温）随深度分布趋于均匀的海洋边界层。 夏季：太阳辐射强、表面风弱，所以混合层最浅；冬季：海洋失去热量、表面风强，所以混合层最深。,9、,世界大洋的盐度分布规律如何？为什么会形成这样的分布？, 空间：就大洋表层盐度的多年平均而言，其经线方向
8、分布与蒸发、降水之差(EP)有极为相似的变化 规律基本上也具有纬线方向的带状分布特征，但从赤道向两极却呈马鞍形的双峰分布。即赤道海域， 盐度较低；至副热带海域，盐度达最高值；从副热带向两极，盐度逐渐降低，这与极地海区结冰、融 冰的影响有密切关系。,时间：由于蒸发、降水、结冰和融冰都有年周期变化，所以海洋表层盐度的年变化也有周期性。 极地海域：春季（大约 4 月）融冰，表层盐度最低，冬季季风强烈并且结冰排出盐分，近表层盐度最 高。 中纬度海域：夏季（79 月）降水和径流最大，盐度值最低，冬季蒸发强降水少，盐度值最高。,2,学 海 无 涯 热带海域：季节变化不明显。 10、什么是海水的状态方程？为
9、什么在河口地区海水的密度主要由盐度变化决定？ 海水状态方程是描述海水状态参数（温盐密）之间关系的方程式，也称为 P-V-T 性质。 河口区域海水盐度变化大，相比较于温度而言对密度的影响更大。 11、什么是连续方程？Boussinesq 假定是什么？要什么条件才能满足？什么是静压假定，需要什么条件才能满 足？ 连续方程：,Boussinesq 假定：流体的密度跟压强和温度有关,在低速流动中,流体压强变化不大,主要是由于温度的 变化引起密度变化, 因此忽略压强变化引起的密度变化, 只考虑温度变化引起的密度变化叫做 Boussinesq 假设。 海洋中的速度要小于声速； 波浪或者扰动的相速度必须小于
10、声速； 运动的垂直尺度必须小于C*2/g（g 是常量） 静压假定：静压近似是指对水平尺度远大于铅直尺度的大尺度运动，垂向动量守恒方程可以简化为静 压关系。（看书！） 12、海洋中的力有哪些？动量平衡方程（欧拉方程，Navier-Stokes）是怎样的？ 重力：引潮力、浮力、水平压强梯度力 摩擦力：风应力、底部切应力 惯性力（表观力、伪力） 欧拉方程：,13、什么是雷诺数？它表示怎样的物理意义？雷诺应力与湍流摩擦是什么关系？ 水体紊动是由于流体运动的非线性作用产生的。这种非线性作用可以用动量方程中的非线性项来表达， 组合成一个无量纲数 Re=vL/，、为流体密度和运动粘性系数，v、L 为流场的特
11、征速度和特征长度 湍流摩擦与雷诺应力的关系：,14、在混和中，静力稳定与动力稳定是如何定义的？什么是双扩散，“盐指”是怎样形成的？ 静力稳定度：如果密度较大的水体浮于较小水体的上面，上层水体就会下沉，反之则不会下沉。 动力稳定度：本来处于静态稳定的海表，在风应力等动力作用下发生不稳定现象叫做动力不稳定，其,量度叫动力稳定度。,3,学 海 无 涯 在海洋中的某些区域，较轻的水位于较重的水之上，但是即使在没有洋流的情况下，水体仍然会发生 不稳定。其中存在四种情况：热高在上、热低在上、冷高在上、冷低在上。 暖的高盐水位于冷的低盐水之上：变化过程称为盐指（salt fingering），最终使得密度随
12、深度的增加 呈阶梯状分布。 15、Ekman 的基本假设是什么，其解析解如何？具有哪些特征？Ekman 输运如何确定？底 Ekman 层的特征又是怎 样的？,基本假设：1、没有边界 2、无限深海 3、f 平面近似 4、定常态,远离海岸成立 d200m 成立 成立 如果风的作用1 天时成立,5、Az 只是U（10）*2 的函数。 这个假设认为 Az 与深度无关。实际上在混合层底，Az 会有很大的变化，所以更准确的做法 是将湍流粘度系数看成是z 的函数。 6、密度分布均匀 基本满足，除了考虑稳定度的影响。 解析解：,4,4,0,0,v V exp( az) sin( az),u V exp( az
13、) cos( az),特征：背风而立，表层流的流动方向总是在风向右侧 45 度角处。（埃克曼螺旋结构） Ekman 运输：Ekman 流的质量输送方向与风向垂直，在北半球指向风的右方。,16、何为 Ekman 抽吸？其对上升流与下降流的形成起着怎样的作用？ 海洋表面风场是不均匀的，从而导致的 Ekman 质量输送也是空间分布不均匀的，会引起表层海水的辐 合辐散，根据质量守恒定律，Ekman 层中就出现了海水的上升和下降运动，这个过程称为 Ekman 抽吸。,17、什么是地转流？什么是 Margule 方程？密度流中如何根据温盐分布计算地转流的流速？ 地转流：水平尺度超过几十公里，时间尺度超过几
14、天的海流运动，海面风应力和其他摩擦力很小，可,4,学 海 无 涯 以忽略不计，这时海水受到的压力梯度力与柯氏力平衡，形成的海流就是地转流,Margule 方程：,n nn1 n1,n1,f v vf ,i ,(v v),ng ,nn1, g ,nn1nn1 ,已知两层流体的密度、上层流体的速度和交接面的倾角(i)，就可以计算下层流体的速度。 计算：温盐分布密度比容动力高度（位势）相对速度绝对速度 18、简述 Sverdrup, Stommel 和 Munk 的风生环流理论 Sverdrup：设海面有定常的风应力作用，产生定常的恒速运动。通常情况下，风应力分布不均匀，存 在压力梯度力。于是，大洋
15、中的流动是压力梯度力、柯氏力和垂直湍流摩擦力三力平衡的产物。水平 边界条件：在海表面，摩擦力等于风应力；在-D 深处，摩擦力为 0。 1、Sverdrup 假设：1）海洋内部流为地转流；2）海洋内部的静止层具有统一深度；3）Ekman 输送是 正确的。第一和第三个假设我们前面证明过，但是对于热带海洋的静止层深度，我们还知之甚少。 2、Sverdrup 解满足东边界的边界条件，但是流线在西边界不封闭。与Ekman 漂流理论的解比较，Sverdrup 解不能给出不同深度层的流速，但考虑了大洋东边界。 3、Sverdrup 解只能应用于邻近大洋东岸的中部海区。 Stommel：为了考虑西边界区域，需
16、要提出比较复杂的模式。Stommel 考虑海底摩擦效应，建立了封闭 大洋中的漂流模式。（忽略非线性平流项和水平摩擦项）边界条件：假设风应力是纬向的，具有余弦函 数形式；底摩擦与速度成比例。,Munk：考虑了水平湍流摩擦和垂直湍流摩擦，仍忽略非线性惯性项，提出了所谓粘性理论。边界条件： 边界上流体速度与边界平行，且满足无滑脱边界条件 1、Munk 大洋风生环流理论考虑了水平湍流摩擦项，引进湍流粘性边界区域，成功地获得了大洋环流模 式，阐明了西边界流动的强化现象。 2、计算得到的西部流动宽度过大，流量过小。 Stommal 和 Munk 边界层宽度大约 200 公里，计算流速大约 1m/s；实际观测发现边界层宽度大约 100 公 里，流速可以达到 2m/s。 【总结】 Sverdrup 理论表明，风应力旋度驱动了向北的质量数送，适用于西边界以外的大洋区域。 Stommel 发现，只有考虑柯里奥里参数随纬度的变化时，才可以得到大洋西边界强化流。 Munk 结合前两种解计算了海盆尺度内的风生地转流结构。在以上几种理论中，洋流都是由风应力旋度驱动的
