大洋環(huán)流總結(jié)

大洋環(huán)流總結(jié)一、描述世界大洋的風(fēng)場和環(huán)流場1、太平洋風(fēng)場：風(fēng)場分布，在低緯和極地附近大致是東風(fēng)帶，而在中緯是西風(fēng)帶。太平洋年平均風(fēng)場南北不對稱，太平洋的輻合帶〔 ITCZ〕在北半球，可以看作太平洋的南北風(fēng)的的分界線。環(huán)流：中低緯度海區(qū)，以副熱帶海區(qū)為中心的大洋環(huán)流，北順南逆。北半球中高緯度海區(qū)逆時(shí)針方向環(huán)流，南極大陸外圍，西風(fēng)漂流。存在南北赤道流及北赤道逆流，北赤道逆流是南北赤道流的分界線，太平洋流南北不對稱，南赤道流越過赤道。東西邊界流不對稱，西強(qiáng)東弱，西窄東寬，西邊界流包括黑潮和東澳大利亞海流，東邊界流主要有加利福尼亞寒流和秘魯海流，其中黑潮最強(qiáng)。2、大西洋風(fēng)場：低緯和極地附近大致是東風(fēng)帶，而在中緯是西風(fēng)帶。大西洋南半球風(fēng)場南北分量較強(qiáng)，原因是大西洋東西較窄。環(huán)流：根本洋流赤道流系和南北海盆的副熱帶環(huán)流與太平洋類似。北大西洋流系主要有北赤道流、灣流、亞述爾海流和加那利海流，其中是最強(qiáng)的西邊界流。南大西洋流系主要有南赤道流、巴西海流、南大西洋流和本格拉海流。巴西海流遠(yuǎn)小于北大西洋的灣流，原因是南赤道流大局部進(jìn)入北大西洋。3、印度洋風(fēng)場：在三大洋中，唯獨(dú)北印度洋與眾不同，在冬、夏季風(fēng)作用下形成季風(fēng)環(huán)流，簡稱“夏順冬逆〞。環(huán)流：冬季盛行東北季風(fēng)，形成北印度洋的逆時(shí)針環(huán)流。夏季西南季風(fēng)盛行，西邊界流是索馬里寒流，北印度洋地區(qū)環(huán)流是順時(shí)針的。南部洋流根本穩(wěn)定，形成印度洋南部的逆時(shí)針環(huán)流。南印度洋的東邊界流是暖流，與風(fēng)向相反。二、根本概念1、科氏參數(shù)由于地球是自轉(zhuǎn)的，考慮地轉(zhuǎn)，引入科氏參數(shù)2、Rossby數(shù)判斷運(yùn)動(dòng)尺度大小的參數(shù)，，R0<<1是大尺度運(yùn)動(dòng)。物理意義慣性項(xiàng)/科氏力：R0=/fU旋轉(zhuǎn)時(shí)間尺度/平流時(shí)間尺度R0=/相對速度/牽連速度R0=U/fL相對渦度/牽連渦度R0=/f3、正壓運(yùn)動(dòng)正壓海洋：等密度面和等壓力面平行▽ρ×▽P=0。泰勒-普勞德曼定理：渦度方程中如果運(yùn)動(dòng)到達(dá)定常狀態(tài)，同時(shí)外力作用可以忽略〔大尺度運(yùn)動(dòng)〕，斜壓項(xiàng)為0〔正壓流體〕，設(shè)流體不可壓，忽略相對渦度得f●▽u=0,得，即流體在某一高度垂直速度為0，在所有高度速度都為0，運(yùn)動(dòng)為二維的，可描寫為柱狀運(yùn)動(dòng)。斜壓海洋：斜壓海洋：等密度面和等壓力面不平行▽ρ×▽P≠0。熱成風(fēng)關(guān)系：渦度方程中如果運(yùn)動(dòng)到達(dá)定常狀態(tài)，同時(shí)外力作用和相對渦度可以忽略〔大尺度運(yùn)動(dòng)〕，簡化后，熱成風(fēng)關(guān)系構(gòu)建了垂直流速的變化和水平密度〔溫度〕變化之間的關(guān)系，是大洋中非常重要的流速和密度〔溫度〕的關(guān)系式。熱成風(fēng)關(guān)系的應(yīng)用：a、根據(jù)大洋內(nèi)部的垂向密度分布利用熱成風(fēng)推斷北赤道流和逆流的方向，西邊界流和東邊界流的方向。，，，假設(shè)海底流速為0，U為正值，流動(dòng)向東，反之，U為負(fù)值，流動(dòng)向西，即東西方向的流速是由南北方向的密度梯度決定，而南北方向的流速是由東西方向密度的梯度決定。b、在赤道即使較小，由于f很小，根據(jù)，流速也較大。三、渦度方程渦度方程說明：渦度的變化由內(nèi)因、斜壓作用和外因共同決定，絕對渦度的變化和相對渦度的變化一樣。a、內(nèi)部作用主要表現(xiàn)在流體柱的垂直流速剪切導(dǎo)致渦度變化和流體柱的輻合輻散導(dǎo)致渦度變化。b、斜壓作用表現(xiàn)在四、位渦方程和位渦守恒1、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)位渦方程或，如果外力忽略，，那么位渦守恒。2、Kelvin定理：，得，由于，所以〔位渦守恒〕3、位渦守恒的應(yīng)用a、f變化不大時(shí)，流體沿著等深線運(yùn)動(dòng)。b、h變化不大時(shí)，流體沿著緯線運(yùn)動(dòng)。c、當(dāng)流體遇到地形變化時(shí)，相對渦度變化來平衡地形變化導(dǎo)致的位渦改變。d、赤道潛流的形成。赤道外，位渦為：，赤道上，位渦為：所以赤道上的相對渦度很大，形成赤道上東西方向流動(dòng)的赤道潛流五、Rossby波1、位渦守恒和位渦梯度的存在是Rossby波形成的機(jī)制，當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)北向的擾動(dòng)時(shí)，f增大，由知減小，產(chǎn)生順時(shí)針渦旋，帶動(dòng)西邊水團(tuán)向北運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生向西的波動(dòng)。2、頻散關(guān)系，Rossby波是頻散波，頻散波就是相速度和群速度不相等，相速度，群速度。相速度都向西，群速度長波向西，短波可以向東。六、Sverdrup理論1、Sverdrup關(guān)系假定運(yùn)動(dòng)定常，忽略相對渦度和海面海底變化，忽略風(fēng)應(yīng)力作用〔Ekman層以下〕：Sverdrup關(guān)系的物理意義：其實(shí)質(zhì)是位渦守恒，當(dāng)，由,<0向南運(yùn)動(dòng)，由位渦守恒也可得出流體向南運(yùn)動(dòng)〔，水柱壓縮，f減小，向南運(yùn)動(dòng)〕，Sverdrup關(guān)系只在地轉(zhuǎn)層成立。2、Sverdrup平衡考慮上下面摩擦作用，積分Sverdrup關(guān)系，假定垂直流速為0，得：--------------Sverdrup平衡Sverdrup平衡給出了經(jīng)向流速和風(fēng)應(yīng)力的關(guān)系，是大洋環(huán)流中非常重要的理論。，表達(dá)了從海表到海底的總輸運(yùn)，即Sverdrup輸運(yùn)等于Ekman輸運(yùn)和地轉(zhuǎn)輸運(yùn)之和。3、Sverdrup理論的局限Sverdrup關(guān)系僅在大洋Ekman層以下，且不是海底和大洋邊界時(shí)成立。Sverdrup平衡要求在海底、海表W=0,且海底和海表無起伏，海底應(yīng)力忽略，較脆弱，Sverdrup理論只能答復(fù)大洋內(nèi)區(qū)的流場分布，無法解決西邊界流問題。七、西向強(qiáng)化忽略海底地形、海面起伏和海底的垂直速度，在Ekman層以下的地轉(zhuǎn)層內(nèi)方程變?yōu)椋?、Stommal西向強(qiáng)化理論假定底摩擦最重要，忽略其他項(xiàng)，只保存Beta項(xiàng)：，得出β效應(yīng)是造成西向強(qiáng)化的主要原因。2、Munk西向強(qiáng)化理論假定側(cè)摩擦最重要，忽略其他項(xiàng)，只保存Beta項(xiàng)：Munk解不僅可以得到西邊界流，還可以解出回流區(qū)。3、慣性西邊界層理論假定慣性項(xiàng)也就是非線性項(xiàng)重要：，物理上更切合實(shí)際。西向強(qiáng)化總結(jié)：a、Beta效應(yīng)的存在是東西不對稱的主要原因。b、Rossby波在西邊界的反射〔能量來源〕。c、陸地邊界存在〔摩擦的作用〕。d、質(zhì)量守恒〔平衡Sverdrup內(nèi)區(qū)解〕。八、一層半模式1、一層半模式又稱為約化重力模式，假定海洋被溫躍層分為兩層，流動(dòng)只發(fā)生在上層，下層流體靜止且無限深。一層半模式的一個(gè)重要結(jié)論：海面起伏和次表層溫躍層起伏方向相反，量級相差3個(gè)左右。2、溫躍層形成原因：a、海外表負(fù)的風(fēng)應(yīng)力旋度造成海外表高度的變化〔根據(jù)Sverdrup理論，從東邊界開始積分風(fēng)應(yīng)力旋度，計(jì)算自東向西的每一點(diǎn)流函數(shù)，得到海面起伏的分布〕。b、由一層半模式知，海外表最高的地方就是溫躍層最深的地方。九、熱鹽環(huán)流---Stmmel-Arons理論〔純動(dòng)力學(xué)〕1、Stommel和Aron把Sverdrup平衡用于大洋深層，這里的驅(qū)動(dòng)是上下層間的沉降驅(qū)動(dòng)。對垂直積分得：即，由此得：只要w0>0，內(nèi)區(qū)的徑向流動(dòng)就是向極地的，質(zhì)量守恒要求存在一個(gè)深層反向的西邊界流。2、缺陷是忽略了對熱鹽環(huán)流影響很大的地形作用，在AABW〔南極底層水〕深度處并不明顯，而且內(nèi)區(qū)流并不是徑向流占優(yōu)，相反是緯向流很大。十、Stommel雙盒模式〔純熱力學(xué)〕1、設(shè)計(jì)了一個(gè)由兩條管子連接的由兩個(gè)盒子組成的簡單模式，溫度和鹽度是由松弛條件驅(qū)動(dòng)的，流率q由兩容器間的密度差決定，由溫鹽守恒定律可得：〔方程可略〕定義了三個(gè)無量綱參數(shù)：，當(dāng)2、對應(yīng)著三種可能的熱鹽模態(tài)。1〕溫度控制的穩(wěn)定狀態(tài)，有著相對快的環(huán)流2〕鹽度控制的穩(wěn)定狀態(tài)，相對慢的環(huán)流。3〕不穩(wěn)定狀態(tài)，任何的小擾動(dòng)都會(huì)使系統(tǒng)偏離此狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)只有一個(gè)平衡點(diǎn)，即只有一個(gè)模態(tài)。3、鹽度和溫度的松弛時(shí)間差異很大使得系統(tǒng)呈現(xiàn)多重解現(xiàn)象，當(dāng)R接近1時(shí)〔即溫度和鹽度的松弛時(shí)間相當(dāng)〕，這