海洋学-第4章 海流

1、海洋学,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.1 海流的成因与表示方法,4.1 海流的成因与表示方法,4.1 海流的成因与表示方法,“泰坦尼克号”首航没有进入北极海区，那么，使船沉没的冰山是怎样进入纽芬兰海域的呢？,海流定义 广义地讲海流是指海洋中较大规模的相对稳定的海水运动。 狭义地讲是指海流在水平方向上的运动分量，而海流垂直方向上的运动分量单独称为上升流或下降流。,4.1 海流的成因与表示方法,一.海流的成因,全球性范围，与大气环流相对应 随深度而减弱(所涉及的深度通常只有几百米) 仅是一

2、薄层,1.由风引起,2.由温、盐变化引起,斜压场引起，范围不定 与深度无关,4.1 海流的成因与表示方法,二.海流的分类,1.按成因分：风海流或漂流，热盐环流，梯度流，潮流，波浪流； 2.按受力分：地转流，惯性流等； 3.按区域分：有表层流、深层流、底层流、沿岸流、赤道流、东西边界流等； 4.按温度特性分：寒流，暖流。 5.按随时间的变化关系分：定常流、周期流、短期流,4.1 海流的成因与表示方法,三.海流的表示方法,用漂流瓶或中性浮子追踪流迹,在几个固定点同时对海流进行观测，确定其速率和方向,4.1 海流的成因与表示方法,4.1 海流的成因与表示方法,海流是矢量。海洋学中常用右手坐标系：x轴

3、正方向向东、y轴正方向向北、z轴正方向向上。 海流流速矢量V在直角坐标系中表示为：V=ui+vj+wk 其中u、v和w依次为 x、y及z轴上的分量。 海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去向，线段长短表示海流的大小，单位cm/s。,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.2 海水受力分析,1.引起海水运动的力（主动力） 重力、压强梯度力、风应力、引潮力等； 2.海水运动派生出来的力（被动力） 科氏力，摩擦力等。,一、受力分类：,4.2 海水受力分析,二、重力(地势梯度力) 地心引力和地球

4、自转所产生的惯性离心力的合力。 地势 逆重力方向移动单位质量物体到某一高度所做的功 地势梯度力 方向：垂直向下,或,4.2 海水受力分析,单位质量海水所受的重力即为重力加速度g，理论上它是地理纬度和海洋深度的函数，但在海洋学中一般将其视为常量。 等(位)势面：重力势相等的点组成的面，与重力处处垂直。静止状态下的海平面就是一个等势面。 位势深度：从上往下计算的位势差 位势高度：从下往上计算的位势差,4.2 海水受力分析,垂直压强梯度力必然与重力平衡 水平压强梯度力则使海水沿其方向产生水平运动，除非有其它改变海水运动方向的力。,三、压力(压强梯度力G) 压强梯度力是单位质量海水所受压力的合力 G的

5、大小：,4.2 海水受力分析,等压面： 海洋中压力处处相等的面，海洋学中将海面视为海压为0的等压面（即一个大气压1013.25hPa） G的方向：与等压面垂直，永远指向压力减小的方向，即与压强梯度方向相反 静止海洋中，海水密度为常数或只是深度的函数时，等压面必然是水平的，即等势面平行，此时的压力场称为正压场。 当海水密度不是常数，尤其是水平方向上有着明显差异时，等压面相对于等势面将会倾斜，此时的压力场称为斜压场。,4.2 海水受力分析,斜压场（海洋上部）,正压场（某深度以下）,等势面,等压面,g,g,G,G,F,z5,z1,z2,z3,z4,p0,p1,p2,p3,p4,4.2 海水受力分析,

6、对于静止的海水微团，它受到压强梯度力，但必须和重力势梯度相平衡,两等压面之间的距离：,两等压面间的密度越大，则其距离越小,4.2 海水受力分析,G值的量级相当于无摩擦时，物体在lcm:1km斜面上所受的力. 内压场: 仅由分布决定的压力场. 外压场: 由海面上的风、降水、江河径流等原因所产生的压力场 总压场: 外压场迭加在内压场之上,海洋上部,海洋下部,4.2 海水受力分析,G的一般表达式,或,4.2 海水受力分析,四、科氏力（地转偏向力） 由地球自转而对运动物体产生的作用力 地球表面的线速度差 平均角速率7.29210rad/s； 曾母暗沙(4N)： 462m/s； 漠河(5325)： 27

7、6m/s； 北极： 0 m/s 研究地球上的海水或大气的大规模运动时，必须考虑地球自转效应，或称为科氏效应。,4.2 海水受力分析,傅科摆 1851年傅科在67m长的钢丝下挂一个28kg的铁球组成一个单摆，他利用摆平面的转动成功地证明地球在自转。,傅科摆摆动周期为,北京天文馆： 9.6/h，约230/d,南北两极: 360/d,4.2 海水受力分析,科氏力的解析表达式,4.2 海水受力分析,（1）考虑特定情况：沿地球表面东西方向运动的水质点,水质点静止：它受到离心加速度是V2/r；V=r， 是地球的角速度=,或,r是地球面到地轴的垂直距离。 质点朝东的速度为,，受到的离心加速度：,质点运动产生

8、附加的离心加速度：, 科氏加速度的方向与地球自转角速度的方向和海流的方向满足矢量叉乘规则，数值乘2。,4.2 海水受力分析,（2）考虑一般情况,一般取为90：通过坐标平面与地表的切点P的径圈与x轴的夹角,取xy平面在海面上， x向东为正，y轴向北为正，z轴指向上方,4.2 海水受力分析,由于w很小，忽略与w有关项，简化为：,称为科氏参量。,4.2 海水受力分析,科氏力的作用: （1）作用于运动物体前进方向的右方相垂直的方向上，只改变其方向，不改变速度； （2）在河流流动方向的右岸施加附加压力，使得右岸易受冲刷； （3）在北半球使大气低压系统形成逆时针方向的环流。,4.2 海水受力分析,五、摩擦

9、力 相邻两层海水之间或海水与其边界之间，因海水相对运动而产生的切向作用力，称为摩擦力。,（牛顿内摩擦定律）单位面积上所产生的切应力为：,设海水只沿x方向运动，且只在z方向上存在速度梯度,单位体积海水所受的合力为：,4.2 海水受力分析,将切应力表达式代入，得到微分形式：,进而得到单位质量海水的摩擦力为：,在实际海水中，由涡动导致的涡动摩擦应力比分子粘性引起的分子粘性应力大很多量级。所以，我们在讨论海水运动时，将分子粘滞系数以湍流粘滞系数代替，分子粘性可以忽略。,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流

10、,4.3 海水运动方程,一、流体静力学方程(能量方程),不可压缩流体,4.3 海水运动方程,二、连续方程（质量守恒方程）,进出流体微元的质量差等于微元内部流体质量的增减,不可压缩流体的连续方程,4.3 海水运动方程,三、动量方程,压强梯度力,柯氏力,重力,其他外力,物理意义：总惯性力与总外力相平衡。,4.3 海水运动方程,4.3 海水运动方程,分量的形式为： x方向： y方向： z方向：,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.4 地转流,一、地转流的成因,斜压场,斜压场水平压强梯度力海水在受力

11、方向上运动 科氏力水平压强梯度力=科氏力地转流,4.4 地转流,二、地转流方程及其解,设等势面为xoy面，等压面只沿x方向倾斜，夹角为,则有,4.4 地转流,且有： 和,4.4 地转流,三、地转流特点,大小： 与等压面倾角的正切成正比; 与科氏参量f成反比； 在赤道处：，f=0,上式不适用。 方向： 在等压面与等势面的交线上流动，在北半球垂直指向压强梯度力的右方90度,4.4 地转流,外压场,等密度面,等压面,g,G,F,p0,p1,p2,p3,p4,r1,r2,r3,r4,g,G,F,斜压场各等值面,4.4 地转流,外压场倾斜流,等密度面,等压面,p0,p1,p2,p3,p4,r1,r2,r

12、3,r4,斜压场流况,4.4 地转流,外压场引起的地转流（倾斜流或坡度流）,自表至底(不考虑底摩擦)流速相同 北半球观测者面朝流向而立，右侧水位高、左侧水位低；,内压场引起的地转流(密度流),随深度增大而减小，体现在上层 等压面与等势面平行时，流速为零。 北半球观测者面朝流向而立，右侧海水密度小，左水密度大。,注意：南半球情形正相反。,4.4 地转流,四、地转流场与等密面之间的关系,取两层密度不同的海水，设上下层海水密度分别为1和2 并且21。等压面只在x方向倾斜，海水只沿y轴流动。,4.4 地转流,4.4 地转流,上层流速大时，等压面与等密面倾角 相对 x轴的倾斜方向相反。,4.4 地转流,

13、五、内压场地转流的计算,1.计算流速,由图知：,4.4 地转流,于是,根据d=gdz ,有,4.4 地转流,2. 确定流速参考零面 浅海：近似地视海底为零面 深海：选两站点，测等压线间的深度， 以深度的差值绘制曲线,曲线的 铅直段的中点为速度零面。,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.5 风海流,1.基本假定 北半球；稳定风场；无限广阔；海面水平； 、 、 、f、 为常量,一. 无限深海风漂流,2.运动方程、边界条件及解的形式,分析：流速为常量；方程左边均为0；只考虑摩擦力与科氏力，,4.5

14、 风海流,引入复平面,解方程得,设,4.5 风海流,在海底:,所以，B=0,在海面: 设风只沿 y轴方向吹，则海面的边界条件为,z=0时,4.5 风海流,4.5 风海流,其中：,3.对解的讨论 (1)流速的量值，随深度呈指数减小 (2)流矢量与x轴的夹角： (450+az) (3)z0时：流速为V0，与 成正比，在风矢量 右方450 (在南半球则左偏) (4) 时：流速为： 流向：表面流向相反，-135 0,为摩擦深度，用D表示,4.5 风海流,4.经验公式,4.5 风海流,二、浅海风海流 由于海底摩擦作用，各层流速大小相应减小，流向相对于风向的偏角也减小； h/D 减小，流矢量与风矢量的方向

15、趋于一致； h/D=0.5 ，可作为无限深海处理。,4.5 风海流,三、风海流的体积运输,在x与y方向上通过单位宽度自表面到流动消失处的体积运输分别为,4.5 风海流,结论（北半球）： 深海风海流 体积运输方向与风矢量垂直，指向右方。在南半球相反。 浅海风海流 体积运输在x方向与y方向上都存在，其合成方向偏离风矢量的角度小于900，水深愈小，偏角愈小。,4.5 风海流,四、风海流的副效应 1.升降流 上升流：海水自深层向上涌升而形成的海流； 下降流：海水自上层下沉而形成的海流。 风海流体积运输在近岸等海域使海水发生辐散或辐合，由于海水连续性，辐散处海水自深层向上涌升而形成上升流，辐聚处海水自上

16、层下沉而形成下降流。,上升流的深度：200300m 上升流速度：103量级(cm/s)。,4.5 风海流,北半球沿岸地区风作用形成的上升流和沉降流,4.5 风海流,赤道海域的上升流,南半球沿岸地区风作用形成的上升流和沉降流,4.5 风海流,气旋引起的海流,气旋: 引起海水的上升 反气旋: 引起海水的下沉,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.6 惯性流,惯性流：只有科氏力作用的海流,一、运动方程,4.6 惯性流,又因为,该圆为惯性圆，对应的流称为惯性流,4.6 惯性流,水质点运动的半径为：,速

17、度为：,周期为：,4.6 惯性流,二、惯性流实例,1961年在31.50N，1430E，于10002000m 深处观测到惯性流实例,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.7 世界大洋上层主要环流,4.7 世界大洋上层主要环流,一、主要环流,北太平洋 反气旋式环流 由加利福尼亚海流，北赤道 流，黑潮，黑潮延续组成 气旋式环流 由黑潮分支，阿拉斯加海流 ，亲潮组成。,4.7 世界大洋上层主要环流,南太平洋环流 由秘鲁海流，南赤道流， 东澳大利亚海流，南极绕 极环流组成。,4.7 世界大洋上层主要环

18、流,印度洋环流 由西澳大利亚海流，南赤道流，莫桑比克海流，南极绕极环流组成,4.7 世界大洋上层主要环流,北大西洋 反气旋式环流 由加那利海流，北赤道流，湾流，北大西洋流组成 气旋式环流 由挪威海流，东格陵兰海流，拉布拉多海流，北大西洋流组成,4.7 世界大洋上层主要环流,南大西洋环流 由本格拉海流，南赤道流， 巴西海流，南极绕极环流组成。,4.7 世界大洋上层主要环流,南极绕极环流,（自西向东）,北极环流 挪威海流沿岸流楚科奇海流北极东格陵兰海流,中低纬度海区： 以副热带海区为中心的大洋环流 北顺南逆 东寒西暖,北半球中高纬度海区： 以副极地海区为中心的大洋环流 逆时针 东暖西寒, 南纬30

19、60：西风漂流, 北印度洋：冬逆夏顺,洋流分布规律,4.7 世界大洋上层主要环流,二、赤道流系,赤道无风带位置：30100N,北赤道流 范围：20 0250N。 形成动力：东北信风 性质：高温（纬度低）、高盐（蒸发强）、大透明度 南赤道流 范围：200S30N 形成动力：东南信风 性质：高温（纬度低）、高盐（蒸发强）、大透明度,4.7 世界大洋上层主要环流,赤道逆流:向东流动 范围：30100N 形成动力：压强梯度力（洋面西高东低） 性质：高温（纬度低）、低盐（低压带，上升流，雨水多） 赤道潜流（克伦威尔流） 位置：赤道下方， 大洋东部，约50米深处， 大洋西部，约200米深处 范围：厚约20

20、0m，宽约3O0km,4.7 世界大洋上层主要环流,三.西边界流、湾流和黑潮,1西边界流 大洋西侧沿大陆坡从低纬流向高纬的海流。 有：黑潮、东澳海流，湾流、巴西海流，莫桑比克海流等。,4.7 世界大洋上层主要环流,2.湾流流系,佛罗里达海流 北赤道流和南赤道流跨过赤道的部分组成的圭亚那流进入墨西哥湾后的海流 湾流 流出佛罗里达海峡与安迪列斯海流汇合（湾流起点）进入大西洋的海流 北大西洋流 由哈特拉斯角（35N）转向东北横越大西洋的海流,4.7 世界大洋上层主要环流,湾流在海面上的宽度为100150 km，表面最大流速可达2.5 ms，最大流速偏于流轴左方，沿途流量不断增大，影响深度可达海底；湾

21、流两侧有自北向南的逆流存在。 等密线的倾斜直达2 000m以下，说明在该深度内地转流性质仍明显存在。观测表明在湾流的前进途中，绝大部分区域一直渗达海底。 湾流方向的左侧是高密的冷海水，右侧为低密而温暖的海水，其水平温度梯度高达1020km。,湾流特征：,4.7 世界大洋上层主要环流,流轴弯曲足够大时，往往与主流分离，在北侧则形成 反气旋式暖涡。在南侧形成气旋式冷涡。 空间尺度特征为数百千米，有时可能存在几年。 涡形成之后沿湾流相反方向移动。 有人曾跟踪过一个涡，经过22个月之后，似乎又并入湾流中。,4.7 世界大洋上层主要环流,3.黑潮, 黑潮流系：黑潮、黑潮续流、 北太平洋流 总行程有600

22、0公里。, 黑潮特点 最强流轴宽：约7590km 两侧水位相差：lm左右 流速最大可达150200cm/s 影响深度在1000m以下,4.7 世界大洋上层主要环流,四、西风漂流,位于南北纬4060之间西风带的海域内，因受强大的西风推动，海水自西向东连续不断的流动而形成的洋流。 南半球因没有大陆的阻挡，西风漂流横穿太平洋、大西洋和印度洋的南部，形成环流性质，称为西风环流，其性质为寒流 。 北半球为北大西洋暖流和北太平洋暖流。,4.7 世界大洋上层主要环流,五、东边界流,沿大洋东部边界自高纬向低纬的流动 包括：太平洋的加里福尼亚海流和秘鲁寒流，大西洋的加拿利寒流和本格拉寒流，以及印度洋的西澳大利亚

23、寒流。 上升流是东边界流海区的一个重要海洋水文特征。这是由于信风几乎常年 沿岸吹，造成海水离岸运动所致。 上升流区往往是良好渔场。 与西边界流相比，东边界流是一支流动缓慢（速度为每天数10公里）、流幅宽广（宽约1000公里）、而影响深度较浅（大部分深度均500米）的海流。,第四章 海流,本章主要内容： 海流的成因与表示方法 海水受力分析 海水运动方程 地转流 风海流 惯性流 世界大洋上层主要环流 热盐环流,4.8 热盐环流,由温盐变化引起的环流常被称为热盐环流。 在大洋中下层占主导地位。 相对风生环流而言其流动是缓慢的，具有全球大洋的空间尺度。,4.8 热盐环流,大洋传送带是一种全球性的温度、盐度循环系统。又称为“温盐环流”和“