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1、物理海洋学广东海洋大学 海洋与气象学院 李杰 （）什么是物理海洋学？o中国大百科全书海洋科学卷（1987）o运用物理学的观点和方法，研究海洋中的力场、热盐结 构及其因之而生的各种机械运动的时空变化，并研究海 洋中的物质交换、动量交换、能量交换和转换的学科。o全国科学技术名词审定委员会公布的海洋科技名词 （2版）o狭义：运用物理学的观点和方法，研究海洋中的力场、 热盐结构以及因之而产生的各种运动的时空变化，海洋 中的物质交换、能量交换和转换的学科。o广义：以物理学的理论、方法和技术，研究海洋中的物 理现象及其变化的规律，并研究海洋水团与大气圈、岩 石圈和生物圈的相互作用的学科。例：物理海洋学的研
2、究内容与我们熟知的重大灾 害，如台风、风暴潮、洪水、暴雪等有紧密关系 。o决定洪灾的主要因素n全球大气中水汽的分布；n海水的蒸发；n海表温度对大气运动的控制；n海流、海洋的热盐结构。发展简史o近代的物理海洋学研究最 早大约可以追溯至意大利 航海家哥伦布对海流的认 识，在1492年至1501年 他曾四次横渡了大西洋， 在这样远距离航海中他认 识到海流起着不可忽视的 作用。o1768年至1779年，英国 探险家库克最早进行海洋 科学考察，3次航行，取 得了第一批关于大洋表层 水温、海流和海深以及珊 瑚礁等资料。首次完成环 南极航行。发展简史到了19世纪70年代，海洋观测仪器已有了新的发展，对海洋的
3、感性认识以 及海洋调查的经验都有了新的积累，这为全面系统的海洋调查观测准备 了条件，使海洋研究进入了一个新的发展阶段。在此期间，比较著名的 单船走航的海洋调查有“挑战者”号、“流星”号、“信天翁”号等调查。o1872-1876年英国皇家学会组织了 “挑战者”号在大 西洋、太平洋和 印度洋历时3年5个月的环球海洋考察开始的。 “挑战者”号的航行是第 一次对海洋进行全面的研究o继英国挑战者号之后 ，德国流星号于 19251927 年对南大西洋进行 了考察，历时2年零3个月。电子技术和其他近代科学方法得应用。发现 了纵贯整个大西洋的中央海岭，首次推算出深海区海水中悬浮物质在洋 底的沉积速率。这次考察
4、还揭示了海洋环流和大洋热量、水量平衡的概 况。调查的结果总结成16卷考察报告出版，包括海底地质地貌、 海洋 物理、海洋化学、海洋生物、海洋气象，以及内波等内容。发展简史o被人们誉为“近代海洋综合调查的典型”是 19471948年瑞士的“信天翁”号调查。为 了补充“挑战者”号无法在无风带区域进行观 测的空白，“信天翁”号重点进行了三大洋赤 道无风带的海洋观测。历时15个月，航程 13万公里。 发展简史o从上世纪50年代起，国际性、全球性的合作 计划接连不断，取得了许多重大研究成果。 如19591965年的“国际印度洋考察 “(HOE)，发现了季风末期出现的赤道潜流 等；19631965年的“热带
5、大西洋国际合 作调查”(ICITA)，验证了大洋环流模式和理 论；19651977年的“黑潮及邻近水域合 作研究”(CSK)，比较详细地研究了黑潮及 其时空变化。发展简史o1980年以后，出现多项国际性海洋考察计划：n“世界大洋环流试验”(WOCE)，研究全球大洋环流及其所输送的 热量对气候的影响，以获得建立海洋大气系统总环流模式所需 的资料；n“热带大洋及其与全球大气的相互作用”(TOGA)。研究气候异常 过程和原因，大尺度海气相互作用，以改进气候预报。n正在执行的有：“全球海洋通量联合研究”(JGOFS)、“大洋钻探 计划”(ODP)、“海岸带海陆相互作用”(LOICZ)、“热带海洋全球
6、大气计划海气耦合响应实验”(TOGACOARE)等。o这些计划使用最先进的海洋调查仪器，通过由海面上的调查船、浮 标、海水中的潜水器及锚碇系统和空间的卫星(或飞机)组成的立体 观测系统、对海洋进行史无前例的全球考察研究。 发展简史o当前的研究热点n传统的物理海洋问题仍然具有生命力；n卫星观测资料对物理海洋的推动；n数值模拟；n从数学上讲，强非线性过程是研究热点。海洋o面积占地球面积71%（ 3.61X108km2）o海洋总体积1.37X109km3o平均深度3.7km（最深 Mariana 11022m）o平均温度3.5oCo平均盐度34.7o面积分配：太平洋 49.8% ，大西洋和北冰洋29
7、.4% ，印度洋 20.7%o南半球占水体体积80.9% （面积占57%）研究内容o研究内容大致可分为三个方面：n海水宏观运动(如海流、海浪、潮汐)n海水的小尺度结构 (如海洋湍流，温度 、盐度、密度的时空变化，锋面、跃层 、水团的形成)n海水与全球变化等大尺度现象的相互作 用 。宏观运动o海浪：研究其生消机制，预报，对海运和海 上建筑物的影响。宏观运动o海流：研究其变化规律，对气候的影响。宏观运动o潮汐：研究其产生机制，预报，风暴潮，对 海岸工程、海洋战争的影响。小尺度结构o海洋热盐结构与细微结构n温度、盐度、密度的时空变化n锋面、跃层、水团的形成n海洋湍流与海洋混合过程n以上对海洋渔业、生
8、态的影响温度温跃层海气相互作用o大气对海洋的影响n海洋在大气的影响下,由于动量和动能的下传,直接 产生漂流、倾斜流、海浪和增水减水现象，配合地 形与海岸效应形成上升流、沿岸流和风暴潮等。这 种影响不仅表现在海洋表层，还可以传到海洋中较 深的水层以及大洋环流。例如西风漂流、信风环流 和季风环流等，都是与大气环流相对应的海洋环流 。n同时还发现，异常的大气环流也可以导致异常的海 洋环流。至于海温的高低、海面蒸发的强弱及海冰 的生成和移动等，无不与天气和气候有着密切的关 系。海气相互作用o海洋对大气的影响n不同海区，由于所处纬度和海陆配置的差异，海洋 对大气影响的程度和特征不尽相同。其中突出的是 赤
9、道太平洋海区所存在的海温的东、西差异，这对 上空大气环流、云和降水等均有显著作用。著名的 厄尔尼诺现象与大范围的气候有密切关系 。海温对 于台风和温带气旋的生成和发展、频率及移动路径 ，均有显著的影响。ENSO El Nio & La Nia o“厄尔尼诺”一词来源于西班牙语，原意为“圣婴”。19世纪初，在南美洲的厄瓜多尔、秘鲁等西班牙语系的国家，渔民们发现，每隔几年，从10月至第二年的3月便会出现一股沿海岸南移的暖流，使表层海水温度明显升高。南美 洲的太平洋东岸本来盛行的是秘鲁寒流，随着寒流移动的鱼群使秘鲁渔场成为世 界四大渔场之一，但这股暖流一出现，性喜冷水的鱼类就会大量死亡，使渔民们 遭
10、受灭顶之灾。由于这种现象最严重时往往在圣诞节前后，于是遭受天灾而又无 可奈何的渔民将其称为上帝之子圣婴。o赤道太平洋海面水温的变化与全球大气环流，尤其是热带大气环流紧密相关。其 中最直接的联系就是日界线以东的东南太平洋与日界线以西的西太平洋印度洋 之间海平面气压的反相关关系，即南方涛动现象（SO）。在拉尼娜期间，东南太 平洋气压明显升高，印度尼西亚和澳大利亚的气压减弱。厄尔尼诺期间的情况正 好相反。鉴于厄尔尼诺与南方涛动之间的密切关系，气象上把两者合称为ENSO （音“恩索”）。这种全球尺度的气候振荡被称为ENSO循环。厄尔尼诺和拉尼娜 则是ENSO循环过程中冷暖两种不同位相的异常状态。因此厄
11、尔尼诺也称ENSO 暖事件，拉尼娜也称ENSO冷事件。o海气相互作用：Ensonon-ENSO yearsENSO years海气相互作用的总体特征：上层海洋温度场具有低频变化的特性，海面 温度距平变化的振幅大，持续时间长，影响 范围广而深。海洋温度变化和由此而引起的 气候变动之间，存在着密切的相关性，以年 为时间尺度的大气变动的主要原因，与这种 缓慢变化着的海洋推动力有关。因此预测大 气的年际变化，就变成预测海洋年际变化的 问题。 研究方法o理论推导：以流体动力学和热力学原理为基础，借 助数学工具，研究海洋中各种运动的发生、发展规 律。o观测：观测是所有海洋学科的重要基础，每一次观 测技术的进步都导致了一次海洋科学的突破。o数值模拟：利用计算机，对不可求解方程进行近似 求解。应用领域o海洋工程o海洋遥感o海洋环境o军事o渔业o航海o海洋水文气象预报等。
