第五篇海洋環(huán)流

1、第五章：海洋環(huán)流1、海流：是指海水大規(guī)模相對穩(wěn)固的流動，是海水重要的普遍運(yùn)動形 式之一。海流一般是三維的，適應(yīng)上常把海流的水平運(yùn)動分量狹義的稱為海 流，其鉛直分量單獨(dú)命名為上升流、下降流。2、海洋環(huán)流：一般是指海域中的海流形成首尾相接的相對獨(dú)立的環(huán)流 系統(tǒng)或流旋。一、海流的成因及表示方式（一）成因：海流的產(chǎn)生有兩個最大體的原因：1、受海面上的風(fēng)力驅(qū)動，形成風(fēng)海流，也叫漂流；2、海水的溫、鹽轉(zhuǎn)變，引發(fā)密度散布轉(zhuǎn)變，形成熱鹽環(huán)流，也叫密度 流。（二）海流的分類：1、成因不同：風(fēng)海流、熱鹽環(huán)流2、受力情形不同：地轉(zhuǎn)流、慣性流3、發(fā)生的區(qū)域不同：洋流、陸地流、赤道流、東西邊界流等（三）海流的表示方式1

2、、拉格朗日方式2、歐拉方式（常常利用）海流流速單位：m/s流向（指海水流去的方向）以地理方位角表示：北0；東90；南180； 西270。流向與風(fēng)向的概念恰恰相反，風(fēng)向指風(fēng)吹來的方向。二、海流運(yùn)動方程海水的各類運(yùn)動都是在力的作用下產(chǎn)生的，其運(yùn)動規(guī)律同其他物體的運(yùn)動規(guī) 律一樣，遵循牛頓運(yùn)動規(guī)律和質(zhì)量守恒定律。作用在海水上的力有多種，歸納起 來分為兩大類：1、引發(fā)海水運(yùn)動的力：重力、壓強(qiáng)梯度力、風(fēng)應(yīng)力、引潮力等；2、有海水運(yùn)動后所派生出來的力：地轉(zhuǎn)偏向力（科氏力）、摩擦力 等。（一）重力在海洋學(xué)中，把重力加速度是為常量，取為9.80米每平方米。對于靜態(tài)的海洋，重力處處與海面垂直，現(xiàn)在海面稱為海平面。

3、處處與重力 垂直的面也稱為水平面。從一個水平面逆重力方向移動單位質(zhì)量物體到某以高度 所作的功叫做重力位勢。連接位勢相等的面稱為等勢面。靜態(tài)海洋的表面是個等 勢面。兩個等勢面之間的距離稱為位勢差。（二）壓強(qiáng)梯度力壓強(qiáng)梯度力：單位質(zhì)量海水所受靜壓力的合力。他與等壓面垂直，且指向壓 力減小的方向。（公式）在靜態(tài)海洋中，當(dāng)海水密度為常熟或只是深度的函數(shù)時，海洋中的壓力的轉(zhuǎn) 變也只是深度的函數(shù)，現(xiàn)在海洋中的等壓面必然是水平的，即與等勢面平行，這 種壓力場稱為正壓場。當(dāng)海水密度不為常數(shù)，專門是在水平方向上存在明顯不同時，現(xiàn)在等壓面向 對于等勢面將會發(fā)生傾斜，這種壓力場稱為斜壓場。由海水中密度不同形成的斜

4、壓場，稱為內(nèi)壓場。由于海洋外部原因（如風(fēng)、降水等）引發(fā)海面傾斜所產(chǎn)生的 壓力場稱為外壓場。外壓場疊加在內(nèi)壓場之上，一路稱為總壓場。在斜壓場的情形下，海水質(zhì)點(diǎn)所受的重力與壓強(qiáng)梯度力已不能平衡，由于等 壓面的傾斜方向是任意的，所以壓強(qiáng)梯度力一般與重力方向不在同一直線上。因?yàn)楹Ｑ蟪３Ｌ幵谛眽籂顟B(tài)，所以壓強(qiáng)梯度力水平分量也就常常存在，雖然 它的量級很小，但由于海水本身是流體，在水平方向上極小的力也會引發(fā)流動， 他因此成了引發(fā)海水運(yùn)動的重要作使勁。兩等壓面之間海水密度越大，則鉛直距離越小，反之亦成立。（三）地轉(zhuǎn)偏向力（科氏力）由于地球自轉(zhuǎn)（自西向東），運(yùn)動的海水將受到因此而產(chǎn)生的慣性力的作用， 使海水的

5、運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。那個使水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方向發(fā)生改變的慣性力叫做地轉(zhuǎn) 偏向力，也稱為科氏力。（公式）科氏力的大體性質(zhì)：1、只有當(dāng)物體相對于地球運(yùn)動時才產(chǎn)生，靜止時的物體不受科氏力的 影響；2、若是人們沿物體運(yùn)動的方向看，在北半球他垂直指向物體運(yùn)動方向 的右方，在南半球恰恰相反，即指向左方；3、科氏力只能改變物體的運(yùn)動方向，而不能改變物體運(yùn)動的速度；（引 發(fā)方向與運(yùn)動物體的方向垂直）4、科氏力的量值與物體運(yùn)動的速度級地球緯度的正弦成正比，在赤道 上為0。注：f為常數(shù)的平面稱為f平面，適應(yīng)于小范圍海域；f隨緯度線性轉(zhuǎn)變的平面稱平面，適應(yīng)于大范圍海水運(yùn)動時。（四）摩擦力兩層流體產(chǎn)生相對應(yīng)運(yùn)動時，在其界面上

6、將產(chǎn)生切應(yīng)力。切應(yīng)力：兩層流體作相對運(yùn)動時，由于分子粘滯性，在其界面上產(chǎn)生的一種 切向作使勁。單位體積的海水受到那個切應(yīng)力的合力，稱為海水的分子摩擦力。海水的運(yùn)動常具有湍流的性質(zhì)，在湍流情形下，伴隨著水塊運(yùn)動（將產(chǎn)生動 量互換），所以在界面上也產(chǎn)生切應(yīng)力，此即由湍流引發(fā)的摩擦力。（五）、持續(xù)方程所謂持續(xù)方程實(shí)質(zhì)上是物理學(xué)中值量守恒定律在流體中的應(yīng)用。質(zhì)量持續(xù)方 程，描述質(zhì)量轉(zhuǎn)變與體積轉(zhuǎn)變之間的關(guān)系。（六）邊界條件研究海洋環(huán)流時，通?？紤]以下幾種邊界：與海岸、海底的固體邊界；與大 氣之間的流體邊界。它們組成與海水之間的不持續(xù)面，在運(yùn)用方程討論海水運(yùn)動 時應(yīng)附以邊界條件。三、地轉(zhuǎn)流（一）地轉(zhuǎn)流方程

7、及其解若不考慮海水（的湍應(yīng)力和）其他影響海水流動的因素，則這種水平壓強(qiáng)梯 度力與科氏力取得平衡時的定常流動，稱為地轉(zhuǎn)流。（方程）設(shè)等壓面只沿直角坐標(biāo)系的x軸方向傾斜，他與等勢面的夾角為們 則地 轉(zhuǎn)流方程為：他與等壓面傾角的正切成正比，與科氏參量f成反比，在赤道處，f=0,此 式不適應(yīng)。上述情形下，對轉(zhuǎn)流沿y軸方向，且在等壓面與等勢面的交線上流動。在北 半球，垂直與壓強(qiáng)梯度力指向右方（即偏離與壓強(qiáng)梯度力的右方90）,當(dāng)觀測 著順流而立時，右邊等壓面高，左側(cè)低，即等壓面自左下方向有上方傾斜，在南 半球則與之恰恰相反。在整個海洋中，由內(nèi)壓場與外壓場致使的地轉(zhuǎn)流具有其特定的散布形式。由 內(nèi)壓場致使的地

8、轉(zhuǎn)流，一般隨深度的增加流速慢慢減小，直到等壓面與等勢面平 行的深度上流速為0；起流向也不盡相同，有時稱其為密度流。由外壓場致使的 地轉(zhuǎn)流，海水的密度均勻，等壓面的傾角不隨緯度轉(zhuǎn)變，稱其為傾斜流，為 常量，是地轉(zhuǎn)流的特殊情形。（二）地轉(zhuǎn)流場與密度場、質(zhì)量場之間的關(guān)系取兩層密度不同的海水，設(shè)上基層海水密度別離為P與P，且p p。在海1221水靜止時，其界面應(yīng)該是水平的。但是當(dāng)上基層海水別離以流速V1與流速七流 動時，則界面會發(fā)生傾斜。設(shè)其相對X于軸的傾角為Y,另外設(shè)等壓面也只在乂 軸方向上傾斜，上下兩層海水等壓面的傾角別離為禮與2，海水只在軸方向上 流動。由上可知：只有當(dāng)，即上兩層海水的動量相等時

9、，界面才是水平的，這在大洋上層一 般難以知足，因此，等密面一般是傾斜的，不過赤道例外，等密面的傾角要比等壓面的傾角大得多，一般為等壓面傾角的102103倍。實(shí)際海洋中的地轉(zhuǎn)流流速，一般是上層大于基層，說明等壓面與等密面相 對X軸傾斜方向相反。當(dāng)上層流速大于基層流速時，咱們順流而立，則北半球，密度小的海水在右 邊,密度大的海水在左側(cè),等壓面自左向右上傾斜,在南半球則相反。海水的密度，專門是在大洋上層，其散布主要由溫度決定，因此等密面的傾 斜方向通常與等溫面和等鹽面的傾斜方向相同，而與等勢面的傾斜方向相反。四、風(fēng)海流（一）?？寺鼰o窮深海漂流理論大體假定一、在北半球穩(wěn)固的風(fēng)場長時刻作用在無窮廣漠、無

10、窮深海的海面上，海水 密度均勻，海面（等壓面）勢水平的；二、不考慮科氏力隨緯度的轉(zhuǎn)變；3、只考慮由鉛直湍流致使的水平湍流切應(yīng)力（摩擦力），且假定鉛直湍流粘 滯系數(shù)為常量。上述條件下，當(dāng)海流穩(wěn)固時，湍流切應(yīng)力與科氏力取得平衡。（結(jié)合書上的 公式看結(jié)論）深海漂流流速隨深度的轉(zhuǎn)變u = V eaz cos（45o + az）2時， 則可作為無窮深海的情形處置（三）風(fēng)海流的體積運(yùn)輸無窮深海漂流的體積運(yùn)輸只在乂方向上存在，也就是說，在北半球海水的體 積運(yùn)輸方向與風(fēng)矢量垂直，且指向右方，在南半球則相反。淺海風(fēng)海流的體積運(yùn)輸在x與y軸方向上都存在，其運(yùn)輸方向偏離風(fēng)矢量的 角度小于90，且水深越淺，偏角越小。

11、（四）風(fēng)海流的副效應(yīng)海洋是有界的，且風(fēng)場也并非均勻與穩(wěn)固，因此，風(fēng)海流的體積運(yùn)輸必然致 使海水在某些海域或岸邊發(fā)生輔散或輔聚，從而引發(fā)海水在這些區(qū)域產(chǎn)生上升或 下沉運(yùn)動，繼而改變了海洋的密度場和壓力場的結(jié)構(gòu)，從而派生出其他的流動， 上述現(xiàn)象稱為風(fēng)海流的副效應(yīng)。由無窮深海風(fēng)海流的體積運(yùn)輸可知，與岸平行的風(fēng)能致使岸邊海水最大的輻 散和輻聚，從而引發(fā)表層海水的下沉或基層海水的涌升;而與岸垂直的風(fēng)則不能。 對淺海而言，與岸線成必然角度的風(fēng)，其與岸線平行的分量也可引發(fā)類似運(yùn)動。 如：1、秘魯沿岸為東南信風(fēng)，由于漂流的體積運(yùn)輸使海水離岸而去，因此 基層海水涌升到海洋上層，形成了世界上出名的上升流區(qū)。上升流

12、將營養(yǎng)鹽 不斷的帶到海洋表層，有利于生物反之，所以上升流去往往是出名的漁場。 如秘魯近岸就是出名的漁場。2、在赤道周圍海域，由于信風(fēng)跨越赤道，引發(fā)赤道表層海水的輻散，形成上升流。3、由于風(fēng)場的不均勻也可產(chǎn)生下降流。表層海水的輻散與輻聚與風(fēng)應(yīng)力的水平渦度有關(guān)，大洋上空的氣旋與反氣旋也能引發(fā)海水的上升與下沉，如臺風(fēng)（熱帶氣旋）。（五）近岸流的大體特征在比較峻峭的近岸，若是水深大于摩擦深度的兩倍，當(dāng)風(fēng)沿岸邊吹時，則近 岸海流自表至地可能存在三層結(jié)構(gòu)：表層流、中層流和底層流。一、表層流：包括由風(fēng)直接引發(fā)的純漂流（它的厚度在摩擦深度范圍內(nèi)）和 由于漂流致使的海水體積運(yùn)輸所造成的海面傾斜，形成的傾斜流。二

13、、中層流：單純的傾斜流。3、底層流：在底摩擦層內(nèi)的流動，稱為底層流，他是由于傾斜流受到海底摩擦而形成的。五、世界大洋環(huán)流和水團(tuán)散布（一）風(fēng)生大洋環(huán)流一、早在1948年，斯托梅爾就按照海面上風(fēng)應(yīng)力并考慮到鉛直湍應(yīng)力及科 氏力的平衡關(guān)系進(jìn)行了研究，得出了如下結(jié)論：假定大洋為等深矩形，位于赤道一側(cè)，風(fēng)應(yīng)力隨緯度的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變。1）當(dāng)科氏力為0時，（即只考慮風(fēng)應(yīng)力與湍切應(yīng)力平衡事的海流情形）流線都是對稱的；2）當(dāng)科氏力為常數(shù)時，情形與上相似；3）考慮到科氏力隨緯度轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變時，所得流線型與上不同，即大洋西岸流線密集、流速大；而大洋東岸，流線稀疏、流速小。這種現(xiàn)象被稱為洋流西向強(qiáng)化?？剖蠀⒘侩S緯度的轉(zhuǎn)變率

14、是引發(fā)洋流西向強(qiáng)化的主要原因。北太平洋的黑 潮，北大西洋的灣流和印度洋的莫三比克海流均表現(xiàn)了這種西向強(qiáng)化的明顯特 征，即流幅寬、流速加速。二、蒙克（）等人又考慮了均質(zhì)大洋邊界側(cè)向摩擦力的作用，視北太平洋為 三角形大洋。它與北太平洋實(shí)測海流矢量流線圖很是相似，也指出了大洋環(huán)流的 緯向散布與海面上平均風(fēng)場緯向散布相應(yīng)。（二）熱鹽環(huán)流由風(fēng)驅(qū)動形成的風(fēng)生環(huán)流，主要表此刻大洋的上層。由溫、鹽轉(zhuǎn)變引發(fā)的環(huán)流常被稱為熱鹽環(huán)流。相對而言，他在大洋中基層占 主腹地位。熱鹽環(huán)流相對風(fēng)生環(huán)流而言，其流動是緩慢的，但它是形成大洋的中基層溫 鹽散布特征及海洋層化結(jié)構(gòu)的主要原因。描述熱鹽環(huán)流的一種較為簡單的模型是:表層海

15、水帶著自己的特性沿等密面 下沉。（三）世界大洋環(huán)流和水團(tuán)散布世界大洋上層環(huán)流的總特征：（1）太平洋與大西洋的環(huán)流：在南北半球都存在一個與副熱帶高壓對應(yīng)的龐大反氣旋式大洋環(huán)流（北半 球?yàn)轫槙r針，南半球?yàn)槟鏁r針）；在它們之間為赤道逆流；兩大洋北半球的西邊界流（在大西洋稱為灣流，在太平洋為黑潮）都超級壯大，而南半球的西邊界流（巴西海流與東澳海流）則較弱；北太平洋與北大西洋沿洋盆西側(cè)都有來自北方的寒流；在主渦旋北部有一小型氣旋式環(huán)流。（2）印度洋：南部的環(huán)流型，在總特征上與南太平洋和南大西洋的環(huán)流型相似，而北部則 為季風(fēng)型環(huán)流，東夏兩半年環(huán)流方向相反。（3）在南半球的高緯海區(qū)，與西風(fēng)帶相對應(yīng)為一支壯大

16、的自西向 東繞極流。（4）在靠近南極大陸沿岸存在一支自東向西的繞極風(fēng)生流。一、赤道流系：與南半球信風(fēng)帶對應(yīng)的別離為西向的南赤道流與北赤道流，亦稱信風(fēng)流。這 是兩支比較穩(wěn)固的由信風(fēng)引發(fā)的風(fēng)生漂流，他們是南北半球龐大氣旋式環(huán)流的一 個組成部份。在南北信風(fēng)流之間與赤道無風(fēng)帶相對應(yīng)是一支向東運(yùn)動的赤道逆流。赤道流的特征：高溫、高鹽、高水色、透明度大（營養(yǎng)鹽含量低、浮游生物 不易繁衍）赤道逆流的特征：高溫、低鹽（降水充沛）、水色透明度相對較低（與北赤 道流之間存在海水輻散上升運(yùn)動，把低溫而高營養(yǎng)鹽的海水向上運(yùn)輸，使水質(zhì)肥 沃）二、上層西邊界流：是指大洋西側(cè)洋大陸坡從低緯向高緯的流。包括：太平洋的黑潮與東

17、澳流，大西洋的灣流與巴西流和印度洋的莫桑比克流。他們都是南北半球主要反氣旋式環(huán)流的一部份，也是南北赤道流的延續(xù)。因 此與近岸海水相較，具有赤道流的高溫、高鹽、高水色和透明度大等特征。3、西風(fēng)漂流：與南北半球盛行西風(fēng)帶相對應(yīng)的是自西向東的強(qiáng)盛的西風(fēng)飄流，即北太平洋 流、北大西洋流和南半球的南極繞極流。他們別離也是南北半球反氣旋式大環(huán)流 的組成部份。其界限是：向極一側(cè)以極地冰區(qū)為界；向赤道一側(cè)到副熱帶輻聚區(qū)為止。期一路特點(diǎn)是：在西風(fēng)漂流區(qū)存在著明顯的溫度經(jīng)線方向梯度，這一梯度明 顯的區(qū)域稱為大洋極鋒。極風(fēng)雙側(cè)水文和氣候狀況有明顯不同。4、東邊界流：大洋的東邊界流有：太平洋的加利福尼亞流、秘魯流；大

18、西洋的加那利流、 本格拉流；印度洋的西澳流。因?yàn)樗麄儚母呔暳飨虻途暎虼硕际呛?，同時都處在大洋東邊界，故稱東 邊界流。與西邊界流相較，其特點(diǎn)為：流幅寬廣、流速小、影響深度淺、寒流、水色 低、透明度小、干旱少雨。上升流是東邊界流海區(qū)的一個重要海洋水文特征。這是由于信風(fēng)幾乎常年沿 岸吹，而且風(fēng)速散布不均，即近岸小、海面上大，從而造成海水離岸運(yùn)動所致。（上升流去往往是良好漁場。）5、極地環(huán)流北冰洋中的環(huán)流：從大西洋進(jìn)入的挪威流及一些沿岸流。南極海區(qū)環(huán)流：一支自東向西繞南極大陸邊緣的小環(huán)流，稱為東風(fēng)環(huán)流。極地海區(qū)的一路特點(diǎn)：幾乎終年或大多數(shù)時刻由冰覆蓋，結(jié)冰與融冰進(jìn)程致 使全年水溫、鹽度較低，形成低溫低鹽的表層水。6、副熱帶輻聚區(qū)的特點(diǎn)：在南北半球反氣旋式大環(huán)流的中間海域，流向不定，因季節(jié)轉(zhuǎn)變而別離受西 風(fēng)漂流與赤道流的影響，一般流速甚小。由于它在反氣旋大環(huán)流中心，表層海水 輻聚下沉，稱為副熱帶輻聚區(qū)。他把大洋表層沿度最大、溶解氧含量較高的溫暖 表層水帶到表層一下，形成次表層水。該區(qū)內(nèi)的天氣干燥而晴朗，風(fēng)力微弱，海面比較安靜。由于海水輻聚下沉