海洋科学导论-第五章

学习目的海洋环流的时空变化是连续的，它把世界大洋联系在一起，使世界大洋的各种水文、化学要素及热盐状况得以保持长期相对稳定。通过该章学习，掌握海流、环流的相关概念、形成原因及其特征，建立全球海洋及中国近海的环流结构，并了解各流系的主要特征。第五章、海流第五章、海流第五章、海流第一节、基本概念第二节、密度流与地转流第三节、风海流第四节、波浪流第五节、大洋环流第六节、中国近海的环流及上升流第一节、基本概念一、海流的定义与成因1、海流(oceancurrent)：较大尺度范围内的海水具有相对稳定的速度，沿水平和垂直方向的流动。2、海流的成因大气海水风密度不均匀形成风海流直接形成海流太阳辐射能在地球上分布的不均匀性（高压→低压）天体引潮力二、海流的分类按成因分：1、风海流（wind-drivencurrent）：由风的拖曳效应,或由风引起的海面倾斜和海水密度重新分布而形成的海流。2、密度流(densitycurrent)：因海水密度分布不均匀性形成的海水流动。3、地转流(geostrophiccurrent)：由于气压的分布，或因径流和风等引起的增减水，使海面发生倾斜产生的海水流动，——倾斜流4、补偿流(compensationcurrent)：海流使海水流向它处，由于海水的连续性，将由另一海域的海水流来补充海水流失，这种补充的海流叫补偿流(compensationcurrent)。水平补偿流铅直补偿流上升流：下降流：流场水平辐散导致的海水上升流动。流场水平辐聚导致的海水下降流动潮流：在天体引潮力作用下，海水呈现就有周期性的水平流动。以温度特性划分：1、暖流：相对于周围海水来说，具有较高的温度，流向：低纬→高纬2、寒流：相对于周围海水来说，具有较低的温度，流向：高纬→低纬近岸特有的海流：1、河川泄流：河川径流入海，在河口附近的海区产生的流动。2、波浪流：近海岸地区波浪破碎所形成的水流。沿岸流离岸流三、海流的表示法：矢量表示法流速：海流的强度单位：节或cm/s表示流向：海水流去的方向，以度或方位表示箭矢方向——海流的方向，箭矢长度或粗细（或标值）——流速。红线——暖流，蓝线——寒流第二节、密度流与地转流一、等压面和等势面1、等压面：海洋中压力相等的点组成的假想的面。压力场➫等压面倾斜内压场：海水质量分布决定平均密度大，等压面间距离小密度小——升高外压场：风、气压的变化及增水和减水等2、等势面海洋中所有位势相同的点组成的面海水沿等势面运动，重力不作功。3、海水受力情况：压强梯度力⊥等压面↑重力⊥等势面↓海水密度均匀——压强梯度力=重力海水静止密度不均匀-----等压面倾斜压强梯度力（1）垂直分量，⊥等势面↑；(Fz=g)，(Fx=gtgβ)βFzgβFx（2）水平分量，∥等势面←：指向压力递减方向，二、密度流密度大密度小北半球22℃23℃24℃25℃30.230.330.430.530.630.7流速的大小，与等值线倾斜的程度成正比22.5℃22.6℃22.7℃22.8℃22.9℃23.0℃T33.233.333.433.533.633.733.8S三、地转流海水密度均匀，等压面(海面)---等势面倾斜β角βFzgFxfc∵Fx=gtgβfc=2ωvsinф∴gtgβ=2ωvsinф地转流的速率tgsin2gv-zyx北半球顺流而立，右方高南半球相反四、地形对海流的影响隆起地形：北半球上坡，向右偏转（顺时针）下坡，向左偏转（逆时针）南半球方向相反第三节、风海流一、风海流的受力分析3、下层海水阻力1、风的切应力2、地转偏向力艾克曼（Ekman）风海流理论二、无限深海的风海流——漂流假设：1、海水密度均匀分布；2、稳定均匀的风长时间吹刮于无限宽广、无限深的海洋上，海面不发生升降；3、只考虑湍流粘滞系数引起的水平摩擦力；4、不考虑地转偏向力随纬度变化。结论：1.深海中，表层流的方向在北半球偏于风向右边45°，南半球偏左。偏向不随风速、流速和纬度变化。2.表层流流速与风速和所在地理纬度有关：V：表层流的流速〈米/秒〉；U：风速〈米/秒〉；Φ：纬度；0.0127：经验数据----风力系数。当风速大于6m/s以上时，流速经验公式：u.vsin012703.风海流的速度和方向随水深变化：3.风海流的速度和方向随水深变化：流速随深度增加按指数规律减小；流向随深度增加逐渐向右(北半球)，到摩擦深度[D]，流速为表层流速4.3%±。摩擦深度[D]：流向与表层流向相反的深度，---------无限深海漂流所及深度。摩擦深度D与纬度、风速的经验关系：uDsin3.4风速愈大，表层流速度愈大，影响深度愈深。相同风速，表面流速及风海流影响深度，随纬度增高减小。赤道底层无逆流。风海流到达不同深度所需的时间不一致，几小时-----几个月三、浅海风海流表面流方向与风向交角比无限深海小，流向随深度变化较缓。水深越浅，表面流与风向右偏角越小，从上层到下层流速矢量越趋近风矢量。理论计算：h/D≥2时，无限深海。四、海岸对风海流的影响海流与海岸垂直相遇，分为两支反方海流；海流与海角垂直相交，分为两股流；两股垂直向岸的海流，两者间产生一反向逆流。1、风海流的体积运输五、风海流的体积运输及副效应深海：海水的运输方向⊥风向，北半球向右浅海：海水的运输方向与风向偏角90°，深度越小，偏角越小。五、风海流的体积运输及副效应1、风海流的体积运输风海流的水量运输，导致海岸附近增、减水产生与风向一致的倾斜流和密度流。2、上升流与下降流：风摩擦深度和底摩擦深度形成两个相反方向的海水运输----垂直环流。一边---下降流，另一边---上升流环流水层：200-300m风向与岸成21.5°，产生的升降流最大。纬度愈低，升降流愈强升降流形成的其他因素：北半球强大气旋反气旋上升流下降流中心顺时针环流反时针环流下降流上升流中央第四节、波浪流1、沿岸流波浪斜向海岸入射时，在破波带形成的大致平行于海岸的水流K：海底摩擦系数i：海底的坡度α：波峰破碎时波峰线与岸线的交角hb：破碎水深H、T：波浪破碎前瞬间波高和周期141234sincosAHhgKT/HhiVbb2、离岸流近岸破碎的波浪带入破碎区的大量海水经破碎带重新返回海洋的流。平直且海底坡度大致相同的海岸-----离岸流大致等距弯曲海岸-----离岸流在湾中部形成流头补给区流颈破波带沿岸流海岸流第五节、大洋环流(oceancirculation)在海面风力和热盐效应等作用下，海水从某海域向另一海域流动形成的首尾相接的独立循环系统或流涡。海水及海水中的各种物理量和化学量循环于世界大洋的自然现象。(广义)一、大洋环流研究的发展1、风生大洋环流理论西向强化：大洋西岸流线密集、流速大北太平洋黑潮北大西洋湾流印度洋莫桑比克流斯托梅尔(H.Stommel)：地转偏向力随纬度变化，大洋东西两侧海水的旋转方向不同，所受力的旋度就不同。(a)科氏力=0,n(b)纬度↗科氏力↗蒙克(W.H.Munk)西向强化与侧向摩擦力有关三角形大洋2、热盐环流热量平衡和水量平衡产生温度和盐度分布不均匀导致海水密度分布不均匀而产生海水运动。大洋中下层占主导地位热盐环流模型----------一套叠置在一起的“锅”热盐环流模型----------一套叠置在一起的“锅”3、海-气相互作用和ENSO厄尔尼诺(El~Nino)南方涛动（SouthernOscillation）海洋对大气作用----热力大气对海洋作用----动力4、大洋中尺度涡各大洋中存在的一种水平尺度100～500km，时间尺度20～200d的流涡，广泛寄居于大洋环流之中，且以(1～5)×10-2m/s的速度移动。1958年，英国斯罗华二、大洋表面环流成因：风、大洋的位置、海陆分布形态、地转偏向力的综合作用。一、气压风的地理分布1、赤道无风带：空气----上升运动10°N附近赤道无风带2、信风带：30-35°：副热带高压信风带N信风：东北向S信风：东南向赤道低压信风带赤道无风带信风带信风带3、盛行西风带：副热带高压间中纬低压N:西南风S:西北风盛行西风带盛行西风带赤道无风带信风带信风带盛行西风带盛行西风带4、极地东风带极地高压中纬低压N:东北风S:东南风极地东风带极地东风带二、大洋表面环流一般模式副热带高压间副热带高压间6、南极大陆附近东风漂流。1、南北半球主体存在与副热带高压对应的巨大反气旋式环流；2、南北反气旋环流之间为赤道逆流；4、主涡旋北部有小的气旋式环流；5、西风漂流绕南极大陆流动；3、北半球强大的西边界流；三、各大洋的表层环流(一)大西洋巴西海流南赤道流本格拉海流西风漂流暖流暖流寒流寒流东格陵兰海流拉布拉多海流湾流北大西洋流加那利海流北赤道流暖流暖流暖流寒流寒流寒流湾流系统：佛罗里达海流湾流北大西洋海流湾流西边界流右侧：温暖低密左侧：低温高密年变化夏强冬弱非周期性变化——弯曲现象弯曲与主流断离----独立涡旋左侧暖涡，右侧冷涡（二）、太平洋的表面环流南赤道流东澳海流西风漂流秘鲁海流合恩角海流阿拉斯加海流亚北极海流亲潮黑潮北太平洋流加利福尼亚海流北赤道流暖流暖流暖流寒流寒流寒流暖流暖流暖流寒流寒流寒流.黑潮（暖流）西边界流高温，高盐流速强，流量大，流幅窄黑潮流系黑潮本体：黑潮续流：北太平洋流：由35°N的附近离岸东流，142°-160°E之间：160°E以东散开台湾南端开始至35°N日本太平洋沿岸之间黑潮分支：35°N附近沿日本东海岸北上，与北方南下的亲潮汇合后折向东流汇于黑潮延续体。黑潮逆流：从黑潮和黑潮续流分离出来，从外海转向西南至西方向流动的海流。在日本东南侧黑潮主体常发生逆时针方向的大弯曲，形成若干流环(三)印度洋北部海流----季风流南半球北冰洋：超极海流、北大西洋海流分支、沿岸流系组成环流系统。(四)北冰洋和南极海区南极海区：大陆周围海水西流西风漂流---东流南极辐散带特征暖流寒流发源流向温度变化盐度厚度水色透明度含氧量上层营养物低纬-热带、亚热带高纬-寒带、亚寒带低纬→高纬高纬→低纬高→低低→高高低小→大大→小高低大小小（流动中从大气获O2）大（流动中向大气释O2）少多（六）、暖流与寒流四、海水垂直环流和深层环流.（一）、大洋上层的垂直环流赤道：南赤道流在赤道两侧分别向南北辐散，导致赤道海水上升；赤道逆流与南赤道流间（3º一4ºN）海水辐聚下沉；赤道逆流与北赤道流间（10ºN）海水辐散上升。大洋西部暖流、寒流相遇，辐聚下沉-----西北辐聚带大洋东部寒流流向低纬区汇入信风流——上升流副热带高压带——海水辐聚下沉南极海区——辅散南极边缘海区——辐聚（二）、大洋表层以下的环流1、次表层水的运动和分布表层-----主温跃层副热带表层水辐聚下沉形成大部分流向低纬一侧，沿主温跃层散布。少部分流向高纬一侧2、大洋冷水区的环流1）中层水的运动南极辐聚和西北辐聚区下沉的海水形成地中海、红海高盐特性的中层水2）.大洋深层水的运动格陵兰南部形成流到南大洋加入绕极环流，被带入印度洋和太平洋3）.大洋底层水的运动主要源地：威德尔海、罗斯海在各大洋中主要沿洋盆西侧向北流动第六节中国近海的环流及上升流第六节中国近海的环流及上升流一、渤海、黄海和东海的海流1、外海流系(一)台湾暖流台湾东部海域和台湾海峡的黑潮分支表层流向受风影响大，中下层流向向北，夏强冬弱。黑潮在28°3O’-30°N、127°3O’-128°E附近海域的分支与陆架水混合后北上，穿过对马海峡和朝鲜海峡进入日本海的海流。夏强冬弱(二)对马暖流对马暖流在济州岛西南伸入黄海的黑潮分支黄渤海区环流的主干，流向稳定偏北，流速较小冬强夏弱(三)黄海暖流2、沿岸流系多出现于东海和南海低纬度海区（南海）：风生类，较高纬度：海流-地形类。三、中国近海的上升流