物理海洋學(xué)科簡(jiǎn)介

物理海洋學(xué)廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院李杰〔7788lijie@163〕什么是物理海洋學(xué)？《中國(guó)大百科全書》海洋科學(xué)卷〔1987〕運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法，研究海洋中的力場(chǎng)、熱鹽結(jié)構(gòu)及其因之而生的各種機(jī)械運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化，并研究海洋中的物質(zhì)交換、動(dòng)量交換、能量交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)公布的《海洋科技名詞》〔2版〕狹義：運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法，研究海洋中的力場(chǎng)、熱鹽結(jié)構(gòu)以及因之而產(chǎn)生的各種運(yùn)動(dòng)的時(shí)空變化，海洋中的物質(zhì)交換、能量交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。廣義：以物理學(xué)的理論、方法和技術(shù)，研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化的規(guī)律，并研究海洋水團(tuán)與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用的學(xué)科。例：物理海洋學(xué)的研究?jī)?nèi)容與我們熟知的重大災(zāi)害，如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪水、暴雪等有緊密關(guān)系。決定洪災(zāi)的主要因素全球大氣中水汽的分布；海水的蒸發(fā)；海表溫度對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)的控制；海流、海洋的熱鹽結(jié)構(gòu)。開展簡(jiǎn)史近代的物理海洋學(xué)研究最早大約可以追溯至意大利航海家哥倫布對(duì)海流的認(rèn)識(shí)，在1492年至1501年他曾四次橫渡了大西洋，在這樣遠(yuǎn)距離航海中他認(rèn)識(shí)到海流起著不可無視的作用。1768年至1779年，英國(guó)探險(xiǎn)家?guī)炜俗钤邕M(jìn)行海洋科學(xué)考察，3次航行，取得了第一批關(guān)于大洋表層水溫、海流和海深以及珊瑚礁等資料。首次完成環(huán)南極航行。開展簡(jiǎn)史到了19世紀(jì)70年代，海洋觀測(cè)儀器已有了新的開展，對(duì)海洋的感性認(rèn)識(shí)以及海洋調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)都有了新的積累，這為全面系統(tǒng)的海洋調(diào)查觀測(cè)準(zhǔn)備了條件，使海洋研究進(jìn)入了一個(gè)新的開展階段。在此期間，比較著名的單船走航的海洋調(diào)查有“挑戰(zhàn)者〞號(hào)、“流星〞號(hào)、“信天翁〞號(hào)等調(diào)查。1872--1876年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)組織了“挑戰(zhàn)者〞號(hào)在大西洋、太平洋和印度洋歷時(shí)3年5個(gè)月的環(huán)球海洋考察開始的。“挑戰(zhàn)者〞號(hào)的航行是第一次對(duì)海洋進(jìn)行全面的研究繼英國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)之后，德國(guó)流星號(hào)于1925～1927年對(duì)南大西洋進(jìn)行了考察，歷時(shí)2年零3個(gè)月。電子技術(shù)和其他近代科學(xué)方法得應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)了縱貫整個(gè)大西洋的中央海嶺，首次推算出深海區(qū)海水中懸浮物質(zhì)在洋底的沉積速率。這次考察還揭示了海洋環(huán)流和大洋熱量、水量平衡的概況。調(diào)查的結(jié)果總結(jié)成16卷考察報(bào)告出版，包括海底地質(zhì)地貌、海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物、海洋氣象，以及內(nèi)波等內(nèi)容。開展簡(jiǎn)史被人們譽(yù)為“近代海洋綜合調(diào)查的典型〞是1947～1948年瑞士的“信天翁〞號(hào)調(diào)查。為了補(bǔ)充“挑戰(zhàn)者〞號(hào)無法在無風(fēng)帶區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)的空白，“信天翁〞號(hào)重點(diǎn)進(jìn)行了三大洋赤道無風(fēng)帶的海洋觀測(cè)。歷時(shí)15個(gè)月，航程13萬公里。開展簡(jiǎn)史從上世紀(jì)50年代起，國(guó)際性、全球性的合作方案接連不斷，取得了許多重大研究成果。如1959～1965年的“國(guó)際印度洋考察"(HOE)，發(fā)現(xiàn)了季風(fēng)末期出現(xiàn)的赤道潛流等；1963～1965年的“熱帶大西洋國(guó)際合作調(diào)查〞(ICITA)，驗(yàn)證了大洋環(huán)流模式和理論；1965～1977年的“黑潮及鄰近水域合作研究〞(CSK)，比較詳細(xì)地研究了黑潮及其時(shí)空變化。開展簡(jiǎn)史1980年以后，出現(xiàn)多項(xiàng)國(guó)際性海洋考察方案：“世界大洋環(huán)流試驗(yàn)〞(WOCE)，研究全球大洋環(huán)流及其所輸送的熱量對(duì)氣候的影響，以獲得建立海洋—大氣系統(tǒng)總環(huán)流模式所需的資料；“熱帶大洋及其與全球大氣的相互作用〞(TOGA)。研究氣候異常過程和原因，大尺度?！?dú)庀嗷プ饔茫愿倪M(jìn)氣候預(yù)報(bào)。正在執(zhí)行的有：“全球海洋通量聯(lián)合研究〞(JGOFS)、“大洋鉆探方案〞(ODP)、“海岸帶海陸相互作用〞(LOICZ)、“熱帶海洋全球大氣方案—海氣耦合響應(yīng)實(shí)驗(yàn)〞(TOGA—COARE)等。這些方案使用最先進(jìn)的海洋調(diào)查儀器，通過由海面上的調(diào)查船、浮標(biāo)、海水中的潛水器及錨碇系統(tǒng)和空間的衛(wèi)星(或飛機(jī))組成的立體觀測(cè)系統(tǒng)、對(duì)海洋進(jìn)行史無前例的全球考察研究。開展簡(jiǎn)史當(dāng)前的研究熱點(diǎn)傳統(tǒng)的物理海洋問題仍然具有生命力；衛(wèi)星觀測(cè)資料對(duì)物理海洋的推動(dòng)；數(shù)值模擬；從數(shù)學(xué)上講，強(qiáng)非線性過程是研究熱點(diǎn)。海洋面積占地球面積71%〔3.61X108km2〕海洋總體積1.37X109km3平均深度3.7km〔最深Mariana11022m〕平均溫度3.5oC平均鹽度34.7面積分配：太平洋49.8%，大西洋和北冰洋29.4%，印度洋20.7%南半球占水體體積80.9%〔面積占57%〕研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容大致可分為三個(gè)方面：海水宏觀運(yùn)動(dòng)(如海流、海浪、潮汐)海水的小尺度結(jié)構(gòu)(如海洋湍流，溫度、鹽度、密度的時(shí)空變化，鋒面、躍層、水團(tuán)的形成)海水與全球變化等大尺度現(xiàn)象的相互作用。宏觀運(yùn)動(dòng)海浪：研究其生消機(jī)制，預(yù)報(bào)，對(duì)海運(yùn)和海上建筑物的影響。宏觀運(yùn)動(dòng)海流：研究其變化規(guī)律，對(duì)氣候的影響。宏觀運(yùn)動(dòng)潮汐：研究其產(chǎn)生機(jī)制，預(yù)報(bào)，風(fēng)暴潮，對(duì)海岸工程、海洋戰(zhàn)爭(zhēng)的影響。小尺度結(jié)構(gòu)海洋熱鹽結(jié)構(gòu)與細(xì)微結(jié)構(gòu)溫度、鹽度、密度的時(shí)空變化鋒面、躍層、水團(tuán)的形成海洋湍流與海洋混合過程以上對(duì)海洋漁業(yè)、生態(tài)的影響溫度溫躍層海氣相互作用大氣對(duì)海洋的影響海洋在大氣的影響下,由于動(dòng)量和動(dòng)能的下傳,直接產(chǎn)生漂流、傾斜流、海浪和增水減水現(xiàn)象，配合地形與海岸效應(yīng)形成上升流、沿岸流和風(fēng)暴潮等。這種影響不僅表現(xiàn)在海洋表層，還可以傳到海洋中較深的水層以及大洋環(huán)流。例如西風(fēng)漂流、信風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流等，都是與大氣環(huán)流相對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)流。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，異常的大氣環(huán)流也可以導(dǎo)致異常的海洋環(huán)流。至于海溫的上下、海面蒸發(fā)的強(qiáng)弱及海冰的生成和移動(dòng)等，無不與天氣和氣候有著密切的關(guān)系。海氣相互作用海洋對(duì)大氣的影響不同海區(qū)，由于所處緯度和海陸配置的差異，海洋對(duì)大氣影響的程度和特征不盡相同。其中突出的是赤道太平洋海區(qū)所存在的海溫的東、西差異，這對(duì)上空大氣環(huán)流、云和降水等均有顯著作用。著名的厄爾尼諾現(xiàn)象與大范圍的氣候有密切關(guān)系。海溫對(duì)于臺(tái)風(fēng)和溫帶氣旋的生成和開展、頻率及移動(dòng)路徑，均有顯著的影響。ENSO

ElNi?o&LaNi?a

“厄爾尼諾〞一詞來源于西班牙語，原意為“圣嬰〞。19世紀(jì)初，在南美洲的厄瓜多爾、秘魯?shù)任靼嘌勒Z系的國(guó)家，漁民們發(fā)現(xiàn)，每隔幾年，從10月至第二年的3月便會(huì)出現(xiàn)一股沿海岸南移的暖流，使表層海水溫度明顯升高。南美洲的太平洋東岸本來盛行的是秘魯寒流，隨著寒流移動(dòng)的魚群使秘魯漁場(chǎng)成為世界四大漁場(chǎng)之一，但這股暖流一出現(xiàn)，性喜冷水的魚類就會(huì)大量死亡，使?jié)O民們?cè)馐軠珥斨疄?zāi)。由于這種現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)往往在圣誕節(jié)前后，于是遭受天災(zāi)而又無可奈何的漁民將其稱為上帝之子－－圣嬰。赤道太平洋海面水溫的變化與全球大氣環(huán)流，尤其是熱帶大氣環(huán)流緊密相關(guān)。其中最直接的聯(lián)系就是日界線以東的東南太平洋與日界線以西的西太平洋—印度洋之間海平面氣壓的反相關(guān)關(guān)系，即南方濤動(dòng)現(xiàn)象〔SO〕。在拉尼娜期間，東南太平洋氣壓明顯升高，印度尼西亞和澳大利亞的氣壓減弱。厄爾尼諾期間的情況正好相反。鑒于厄爾尼諾與南方濤動(dòng)之間的密切關(guān)系，氣象上把兩者合稱為ENSO〔音“恩索〞〕。這種全球尺度的氣候振蕩被稱為ENSO循環(huán)。厄爾尼諾和拉尼娜那么是ENSO循環(huán)過程中冷暖兩種不同位相的異常狀態(tài)。因此厄爾尼諾也稱ENSO暖事件，拉尼娜也稱ENSO冷事件。海氣相互作用：Ensonon-ENSOyearsENSOyears海氣相互作用的總體特征：上層海洋溫度場(chǎng)具有低頻變化的特性，海面溫度距平變化的振幅大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣而深。海洋溫度變化和由此而引起的氣候變動(dòng)之間，存在著密切的相關(guān)性，以年為時(shí)間尺度的大氣變動(dòng)的主要原因，與這種緩慢變化著的海洋推動(dòng)力有關(guān)。因此預(yù)測(cè)大氣的年際變化，就變成預(yù)測(cè)海洋年際