物理海洋复习提纲

《物理海洋学》复习提纲（2012年12月）第四章基本方程1、作用于海水微团的真实力有哪些？答：地球引力g02()Mrar，压强梯度力1p，摩擦力FV，天体引力（包括月球引力02MLXLLK和太阳引力02SLXLLK）2、基本方程由哪几个守恒定律推导而来？有几种方程组成？答：120(,,)TDdVgpVFFdtVsVskstVtsp——运动方程动量守恒——连续方程质量守恒——盐量扩散方程盐量守恒——热传导方程热量守恒——海水状态方程3边界条件出现的物理原因？答：海洋是有边界的，它与大气、海底和海岸线之间存在着不连续界面。而这种不连续界面基于连续性的海水运动基本方程组不能应用，必须用边界条件来代替。4、基本方程及边界条件为什么要进行时间平均？答：通常情况下，海水运动处于湍流状态。处于湍流运动状态的流体质点其运动轨道是无序的、随机的。各质点之间存在着不连续的相对运动，这种运动被称为脉冲运动。这种运动分析起来很困难，通过时间平均，可以将海水运动中的脉动特征分离掉，从而更利于体现海水运动的整体规律。5、准静力近似、f平面近似、β平面近似和Boussinesq近似的概念。答：准静力近似：静力方程10pgz0zppgdz，其中0p为海面气压，zgdz为z点以上单位底面积水柱的重量。任意点压强等于海面大气压强与该点以上水柱重量之和，这就是准静力近似又叫静压假设。f平面近似：在大尺度运动中，为了理论上研究方便，在不影响海水运动主要特征的情况下，常常取02sinff，即认为海水运动发生在科氏力参量为常数0f的平面上，该平面叫做f平面，在该平面上研究海水运动称为f平面近似。平面近似：科氏参数f是纬度y的非线性函数，近似地将f表示为0ffy的线性函数，这种近似称为平面近似。Bounssinesq近似：在海水运动基本方程组中，近似认为海水是不可压缩的，以体积连续方程0V来买描述海水的连续性。微小密度扰动'仅在z方向的运动方程中对浮力项'g有意义，其与方程中均以c代替。这种近似叫做Bounssinesq近似。第五章海流1海流、地转流、惯性流的定义。答：海流：海水沿一定途径相对稳定的大规模流动。地转流：大尺度海水在压强梯度力和Coriolis力平衡下的流动。这种流动基本上是近似水平的，也可近似认为是定常的。惯性流：风力维持的漂流流出风力强制作用区域，变为自由流动。其运动的前支持度远小于水平尺度，在不考虑摩擦力作用的情况向，仅受Coriolis力作用。其表达式为11duvfdtdvufdt2梯度流的定义，表达式和特性。答：梯度流：非均匀密度场中大尺度海水在压强梯度力和科氏力平衡下的地转流称为梯度流。这种流动基本上是近水平的，可近似认为是定常的。其表达式为11pufypvfx。特征：a．梯度流垂直分量为0，运动可视为水平b．水平流速与压强梯度垂直，梯度流沿等压线方向流动，背梯度流高压在右c．梯度流沿等温线、等密度线、等盐度线方向流动，流动方向右边温度高、密度小、盐度低。（密度与温度成反比，与盐度成正比）3倾斜流的定义，表达式和特性。答：海水密度分布均匀，但海面倾斜,造成不均匀的水压力场,在这种压力作用时所产生的地转流称为倾斜流。其表达式为gufygvfx特征：a．准水平b．倾斜流沿等水位线流动，倾斜流右方为高水位c．倾斜流从海面到海底的整个水柱有相同的速度；均匀海洋中的海面坡度可作为倾斜流大小的度量。4Ekman漂流和特征；Ekman螺线；Ekman层。Ekman漂流：无限深海中，海底摩擦不起作用。同时，不考虑水平压强梯度力，方程组中为垂直湍流摩擦力与Coriolis力相平衡。控制方程组22220(1)0(2)0(3)zzufvAzvfuAzuvwxyz，Z轴向下，风仅沿y方向作用，且为恒速即0,tanxyconst，边界条件0:0,zzyuvzAAzz，,0zuv。引进复数形式Wuiv，xyi，则运动方程可以合写成2220dWjWdz，其中2222(1)(1),sin/2ZZZififjiaaAAA，2222(1)(2):0zZiuvfWiAAzz，两边同乘i得：2222220ZZZuvidWifWAAAifWzzdz。根据新方程2220dWjWdz，新边界条件：00ZWzAzzW，得出一般解jzjzWAeBe。用海底边界条件得出：0W。利用海面边界条件得出/()ZWjA，带入一般解表达式得：(1)(1)22yyjziaziazZZZiiWeeWejAiaAaA()4**2aziazyZWeaA。现引入漂流深度0D，且0//sin//sinZZDaAA，则**式可写为00()42zizyDDZWeaA，把速度表达式写成如下分量形式：0000cos(),sin()4422zzyyDDZZuezvezDDaAaA，得到无限深海Ekman漂流的速度表达式。Ekman漂流特征：带入边界条件得，在海面z=0处的漂流为402iyZWeaA，其大小为02yZWaA，方向为4cossin()44ieix即与轴成45；在任意深度Z处的漂流大小为02zyDZZWeaA随深度呈指数递减，方向为0()4izDe随深度增加向右偏，偏转角度转由45不断减小。Ekman螺线（EkmanSpiral）：相应于Ekman漂流随深度的变化，漂流矢量端点的连线所构成的曲线为Ekman螺线。在北半球，漂流随深度向右偏；在南半球，漂流随深度向左偏。Ekman边界层（EkmanLayer）：在Ekman层中，漂流受切变应力的湍流摩擦的直接影响及地转偏向力的影响。其厚度D随纬度变化。D反比于纬度φ。Ekman层是在深海大洋中很薄的一个上层。5有哪几种主要的升降流？沿岸升降流是怎样产生的？赤道升降流是怎样产生的？答：沿岸升降流、赤道升降流、南大洋升降流。沿岸升降流：当风沿岸近于平行地吹，导致的EKman质量传输是指向离岸的。这样上层海水做离岸运动，根据海水质量连续，将迫使下层海水上升补偿。赤道升降流：赤道无风带处在5N附近，故赤道处受南半球的东南信风带控制。在北半球，信风引起的EKman质量输送向北，在南半球向南。故赤道处上层海水辐散，根据海水质量连续，下层海水会被迫抬升补偿。6两条著名的风生大洋环流的名称，位置和基本特征。答：黑潮：位于太平洋西部海域，发源于北赤道，经菲律宾、中国台湾东部，进入东海，经琉球群岛沿日本列岛南部流去，结束于142,35EN。基本特征：最窄处150km，厚度最大3000m，强流达200/cms，流量可达636510/ms。湾流：佛罗里达流经佛罗里达海峡进入大西洋后与安地列斯流汇合处视为湾流的起点。伺候，它沿北美陆坡北上，约经1200km，到哈特拉斯角（35N附近）又离岸向东，指导45W附近的格兰德滩以南，海流都保持在比较狭窄的水带，行程约2500km，此段称为湾流，亦称墨西哥湾暖流，是世界上第一大海洋暖流。基本特征：最窄处100-150公里，厚度最大达4000米，强流可达250厘米/秒，流量可大到6315010/ms7热盐环流的重要性是什么？什么是热盐环流？答：因海水受热、冷却引起的密度分布不均匀所产生的流动。海洋的下层以热盐环流为主。热盐环流不仅只携带热量和盐分，还有其他成分如氧气、二氧化碳等。①热盐环流所具有的特征即，深层冷海水和表层暖海水的对比等确定了海水的层结。②这种层结强烈影响着海洋的动力性。深水部分的体积远大于潜水部分的体积。尽管深水流动速度小，但它的运输量与表层运输量相当。③由热盐环流携带的热通量影响着地球热收支，也影响着地球的气候。第六章海浪1、线性波动理论的四个假定及其意义,以及局限性。答：四个假设：a．认为海水均质不可压缩；b．短周期小尺度波动，可以忽略科氏力影响并不考虑湍流影响，重力为唯一外力；c．波动振幅相对于波长很小；d．研究水域广阔等深。（注：无旋运动是通过前两个假设得到的小尺度基本方程通过环流定理和斯托克斯定理证明得到的！）海水不可压缩即考虑了密度为定常，连续方程可以改写为330V的形式。短周期小尺度运动的假设使得考虑线性波动的时候可以2、线性波动中水质点运动特点，水深的影响及线性波动的能量特征。答：①水质点运动特点假定波动振幅远小于其波长且，简单波动为前进波，同时认为波场中相关物理量也具有这一特性，推得二维线性波动中的水质点的运动轨迹为22002200()()1[()][()][][]xxzzchkdzshkdzaashkdshkd该式表明：二维线性波动水质点的运动轨迹为椭圆，其水平轴和铅直轴随着离开自由海面向下逐渐减小，于水底处，铅直轴变为零，质点只作水平运动。②水深对线性波动的影响深水时2kdd，则11,2kdthkdshkdchkde。得到新的相关解频散关系2gk，波速2gck，自由海面高度sin()akxt，速度势cos()kzagekxt，压强分布0sin()kzppgaekxtgz，质点运动速度sin()cos()kzkzuaekxtwaekxt，运动轨迹022200()()()kzxxzzae。可见，深水时的线性波动有以下特点：a．波速与水深无关，只与波动性质有关。b．指点运动轨迹为一圆，其半径岁深度增加而减小。c．当达到很大深度的时候，运动消失。浅水时20kdd，则,,1thkdkdshkdkdchkd，得到新的相关解频散关系22gdk，波速2cgd，自由海面高度sin()akxt，速度势22()[1]cos()2agkdzkxt，压强分布00sin()()ppgakxtgzpgz，质点运动速度sin()(1)cos()aukxtkdzwakxtd，质点运动轨迹2200220()()1()[(1)]xxzzazakdd可见，浅水时线性波动有以下特点：a．波速只与水深有关，而与波动性质无关b．压强分布为静压分布c．质点的铅直速度远小于水平速度d．质点的轨迹为一个椭圆，水平轴不随深度变化，而铅直轴小且随深度而变③能量传播特征a．对于简单波动而言，动能和势能相等，为总能量的一半。b．对于浅水，平均能流在数值上等于单位表面面积水柱内的总能量乘以波速，而在深水中则乘以波速的一半。3、驻波及波群的特性。驻波和群波怎样由简单波动合成？答：驻波的性质：①．驻波中的流体质点的轨迹是一段直线。②．不同平衡位置的质点，振动方向不同，质点沿水平方向振动；在腹点处，质点几乎沿铅直方向振动。③．随着离开表面向下的距离增加，水质点的振动的振幅迅速减小。波群：①．波群波长大于个别波波长②．个别波波长越近，波群波长越长。③．个别波的波速大于等于波群速度，个别波从波群后面向前传播。驻波合成：两个振幅、频率和传播速度相等、传播方向相反的简单波动可以合成驻波。11sin()sin()22akxtakxtsincosakxt波群：许多振幅相同，周期和波长不同但很近似的简单波动沿同一方向传播时，就会形成波群。4、波群、包络线和群速度的概念。波群：在实际的海洋中，大的波浪常一群一群地出现，这种现象叫波群。包络线：波群中最大振幅的连线群速度