5海洋环流

海洋环流1.海水受到的力2.海流运动方程3.世界大洋环流•重力•天体引潮力•压强梯度力•切应力•地转偏向力1.海水受到的力•重力•海水在地球上所受到的地心引力与惯性离心力的合力；•单位质量海水所受的地心引力•其中G为万有引力常数，M为地球质量，m为物体质量，r为地球半径23gGMmGMFarrr1.海水受到的力•惯性离心力•匀速圆周运动•为转动角速度2Fmr离1.海水受到的力•惯性离心力garrFmrarrag3GMgrrr•重力1.海水受到的力•天体引潮力•太阳、月球对地球的引力以及它们相对地球运动所产生的惯性离心力的合力称为引潮力1.海水受到的力•潮汐现象是指海水在天体（主要是月球和太阳）引潮力作用下所产生的周期性运动•习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐，而海水在水平方向的流动称为潮流。1.海水受到的力•潮间带•潮间带是在高潮位与低潮位之间露出的海岸。1.海水受到的力•大潮•太阳、月球和地球三个天体基本成一直线，两者的合力最大，海水就涨得最高，落得最低。•小潮•太阳、月球和地球三个天体的位置近似成直角分布，使海水涨得不高，落得不低，潮差最小。1.海水受到的力钱塘江大潮1.海水受到的力•半日潮：一天内（约24时50分），有两次高潮和两次低潮，周期为半日•全日潮：一天内，只有一次高潮和一次低潮，周期为一日1.海水受到的力•浮力•浮力指物体在流体（包括液体和气体）中，上下表面所受的压力差。1.海水受到的力1pS2pS等压面1.海水受到的力•压强梯度力低压高压等压面正压场水平方向深度等压面与等深线平行G指向垂直方向水平方向深度1.海水受到的力斜压场等压面与等深线不平行G存在水平方向的分量•切应力（摩擦力）•摩擦力是两个表面接触的物体相互运动时或有运动趋势时互相施加的一种物理力。Ff1.海水受到的力v1v21.海水受到的力向n为界面的法线方向1.海水受到的力•风应力•纬线•地球表面某点随地球自转所形成的轨迹。任何一根纬线都是圆形而且两两平行。•纬度•指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角1.海水受到的力•经线•地球表面连接南北两极的半圆弧•经度•指某点所对应的经线与本初子午线的夹角1.海水受到的力•地转偏向力（科氏力、科里奥利力）•对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。•由于地球自转所产生的一种惯性力1.海水受到的力•由于非惯性系而引起的力——惯性力•什么是惯性系？什么是非惯性系？1.海水受到的力•以惯性系为参考系•圆盘在动•球作直线运动•以圆盘（非惯性系）为参考系•圆盘不动•球受到力，发生偏转1.海水受到的力•科氏力的特点•只有当物体相对地球运动时才会产生•在北半球垂直指向物体运动的右方，在南半球垂直指向物体运动的左方•只能改变物体的运动方向，而不能改变物体运动的速率1.海水受到的力•单位质量物体所受到的科氏力•V是物体运动的速度，对于海洋来说，是海水流动的速度，u是纬向速度，v是经向速度•是地球自转角速度2CFV,,0uv1.海水受到的力1.建立在相同的坐标系下yz0,cos,sin1.海水受到的力x——纬向y——经向z——垂直方向122.科氏力化简令，称为科氏参数2200cossinCijkFVuv2sin2sin2cosviujuk2sinfCXCYFfvFfu1.海水受到的力•体积连续方程•海水运动方程•静力学方程•地转流运动方程2.海流运动方程•质量连续方程其中•物理意义：在流动的过程中，质量不变0dVdtuvwVxyz2.海流运动方程•体积连续方程•通常把海水作为不可压缩流体，即在流动过程中，海水微团的形状可以变化，但其体积不会发生变化，从而海水的密度不会发生变化（）。0ddt0dVdt0V2.海流运动方程•动量方程•海水的运动方程dVFdtm12rdVPVgFdt压强梯度力科氏力重力摩擦力2.海流运动方程1rxduPfvFdtx•分量形式1rydvPfuFdty12cosrzdwPguFdtz•流体静力学方程Pgz2.海流运动方程•若不考虑摩擦力，压强梯度力与科氏力达到平衡时的定常流动（流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化），称为地转流•水平方向地转流运动方程1rxduPfvFdtx1rydvPfuFdty2.海流运动方程10Pfvx10Pfuy•北半球地转流2.海流运动方程•风生环流•热盐环流3.世界大洋环流•风生环流•指海水在风应力驱动下产生的流动风应力（切应力）海水阻力（切应力）科氏力3.世界大洋环流3.世界大洋环流暖流：从低纬流向高纬的洋流寒流：从高纬流向低纬的洋流3.世界大洋环流•太平洋和大西洋的环流相似•北半球顺时针方向，南半球逆时针方向赤道流系西边界流西风漂流东边界流3.世界大洋环流•赤道流系•包括北赤道流、南赤道流和赤道逆流•是由东南和东北信风驱动的强大漂流，它起始于大洋的东海岸附近，自东向西横贯各大洋，是一支比较稳定的海流。•特点•高温、高盐、高水色3.世界大洋环流3.世界大洋环流•西边界流•主要包括太平洋的黑潮、大西洋的湾流、巴西暖流等•是由于南赤道流和北赤道流把海水输运到大洋的西海岸堆积而产生的海流，是由强大的海面坡度维持的•特点•流速大、从低纬向高纬输送大量热量3.世界大洋环流•赤道流系•包括北赤道流、南赤道流和赤道逆流•是由东南和东北信风驱动的强大漂流，它起始于大洋的东海岸附近，自东向西横贯各大洋，是一支比较稳定的海流。•特点3.世界大洋环流•黑潮（日本暖流）•是太平洋北赤道流遇大陆后的向北分支3.世界大洋环流•湾流（墨西哥湾流）•起源于加勒比海和墨西哥湾，沿北美大陆坡向北和东北方向流动而形成3.世界大洋环流•西风漂流•包括北太平洋流，北大西洋流，南极绕极流•海水在盛行西风带，自西向东运动3.世界大洋环流3.世界大洋环流•北太平洋流•由黑潮转变而成•北大西洋流•主要来自湾流，把大量的高温高盐的海水输送到北冰洋•南极绕极流（西风漂流）•由于没有陆地的阻隔，常年盛行五六级的西风和四五米高的涌浪3.世界大洋环流•东边界流•包括加利福尼亚流、秘鲁流、加那利流、本格拉流以及西澳流•在大洋的东边界，从高纬流向低纬•特点•流幅宽广、流速小，低温、营养盐丰富、生物产量高3.世界大洋环流3.世界大洋环流为什么赤道西太平洋的温度高于东太平洋？3.世界大洋环流西太平洋的水来自赤道，而东太平洋的水来自更高的纬度3.世界大洋环流•为什么北半球顺时针方向，南半球逆时针方向？•为什么在大洋西边界流速大？3.世界大洋环流•平面：科氏参数视为常数•平面：为常数平面，考虑了科氏参数随纬度的变化fdfdx3.世界大洋环流2sinf1948年，Stommel模式平面平面f0f流线对称大洋西岸流线密集，流速大3.世界大洋环流•西向强化•在大洋西岸流线密集，流速大；而大洋东岸，流线稀疏，流速小。•原因•科氏参数随纬度的变化•例子•黑潮、湾流3.世界大洋环流•热盐环流•是一个依靠海水的温度和盐度驱动的全球洋流循环系统。•主要是经圈翻转环流•周期：约1600年3.世界大洋环流•风应力驱动的墨西哥湾暖流等，将赤道的暖流带往北大西洋•暖流在高纬度处被冷却后下沉到海底3.世界大洋环流•这部分原本温暖的赤道海水变成了高密度的北大西洋深层海水，随后流入洋盆向南前往其他的暖洋3.世界大洋环流3.世界大洋环流•北大西洋深层水（NorthAtlanticDeepWater,NADW）在北大西洋挪威海和格陵兰海，由于冷却导致海水结冰，盐析作用使海表盐度增加，从而下沉形成深层水•南极底层水（AntarcticBottomWater,AABW）主要形成于南极的威德尔海和罗斯海，广泛覆盖在全球大洋的底部3.世界大洋环流大西洋水团分布3.世界大洋环流•风生环流与热盐环流的不同点•风生环流由风应力驱动限于大洋的上层和中层•热盐环流由密度梯度驱动集中在大洋的深层3.世界大洋环流•风生环流与热盐环流的相似点•构成了大洋的主要水团•水团•源地和形成机制相近，具有相对均匀的物理、化学和生物特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异的宏大水体3.世界大洋环流•温—盐图解（水团分析方法）•温度和盐度分布，是区分大洋特定水团特征的主要物理指标北太平洋热带水北太平洋中层水北冰洋南海3.世界大洋环流•热带存在辐射盈余，极地则存在辐射亏损，为保持整个系统的能量平衡，在低纬与高纬之间，必须存在强的热量输送3.世界大洋环流•经向热输送•通过大洋环流，从赤道向极地输送热量3.世界大洋环流•新仙女木事件•距今12800年时，在短短十年内，地球平均气温下降了大约7、8℃。这次降温持续了上千年，直到11500年前，气温才又突然回升。3.世界大洋环流•为什么叫“新仙女木事件”？•这一时期的得名来自于欧洲北部仙女木属的一种植物，该物种本生活在寒带地区，新仙女木期时在低纬度地区都能发现该物种的花粉，从而表明当时气候寒冷，该物种大肆南侵。3.世界大洋环流•事件的原因•多数海洋学家认为气候变暖格陵兰冰雪的融化淡水涌入北大西洋热量无法经向输送热盐环流停止海水无法下沉欧洲和北美变冷3.世界大洋环流•《后天》•全球变暖导致欧洲和北美变冷3.世界大洋环流•热盐环流的阻断可能不是新仙女木事件的原因，但它对全球气候的影响是非常重要的3.世界大洋环流•海水混合的形式1.分子混合分子的随机运动2.湍流混合由动力因子引起3.对流混合热盐因子引起3.世界大洋环流•层流（LaminarFlow）•当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称为层流•湍流（Turbulent）•流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏。这时的流体作不规则运动，这种运动称为湍流3.世界大洋环流•中尺度涡（Mesoscaleeddy）•是指海洋中直径有100~300千米。寿命为2~10个月的涡旋•湍流的一种3.世界大洋环流•上升流•海水从深层垂直向上涌升•当海水发生辐散时，由于连续性，必然导致海水在该区域产生上升运动。3.世界大洋环流•下降流•由于某海域发生辐聚，导致海水下沉•辐聚•空气或海水从四周向中心汇聚•辐散•空气或海水由一个中心向四周散开3.世界大洋环流•永恒洋流•侣行—呼叫长城站3.世界大洋环流本章小结•海水受到的力重力、天体引潮力、压强梯度力、切应力、地转偏向力•海流运动方程体积连续方程、海水运动方程、静力学方程、地转流运动方程•海流运动方程风生环流、热盐环流