厦门大学海洋科学导论课件水文部分lect9-1031

1、Review,地转流：密度不均匀,设零面以上任一水平面上站A、站B，且A B,P为零面上方某一等压面，hA*、hB*分别表示A、B两站处等压面P与零面的垂直距离,PN,海面,x,-z,P,A,B,hA*,hB*,F,E,P,等压面从密度较小的站点向密度较大的站下倾,梅兰-汉森公式,流速与tgp成正比，p越大，流速越大。 北半球，vp流向指向等压面下倾方向右方90，南半球则指向等压面下倾方向左方90 由于密度不均匀，海面及其下各等压面的倾角一般也不同，因此地转流的流速及流向自海面到海底也不相等，即地转流与深度有关,地转流(geostrophic flow)动力计算,计算步骤 (1) 划分计算的层

2、次 (2) 假设一个适当的零面， 求出hP-PN (3) 根据hP-PN 符号判断等压面下倾方向，再据南北半球判断流向 (4) 求Vp (5) 作图,六、风海流,南森（F.Nansen）于1902年观测到北冰洋中浮冰随海水运动的方向与风吹方向不一致,后来由埃克曼从理论上进行了论证，提出了漂流理论,(一) 埃克曼无限深海漂流理论 1. 基本假定 (1) 海区无限宽广；(2) 水深无限大；(3) 海水密度均匀；(4)海水运动达到定常； (5)海面（等压面）是水平的；(6) 不考虑科氏力随纬度的变化；(7) 只考虑由铅直湍流导致的水平湍切应力，且假定铅直湍流粘滞系数Kz为常量。在上述假定条件下，均匀

3、且恒定的风在整个海区作用了很长的时间，因此所产生的海流称为深海漂流,定性解释,o,x,y,v0,f,F,F1,F合,o,x,y,f,F,F1,v1,45,v,2. 运动方程及其解 (1)坐标系采用右旋直角坐标系，OXY面与平均海平面重叠，设风只沿Y轴方向吹,(2) 运动方程按照上述的假定，海水运动方程简化为：,(3) 边界条件 海面边界条件： 无限深处：,;,(4)求解,令,求解，可得出深海漂流流速随深度的变化,V0 为海面的流速，其值为,为地理纬度,3. 结论,流速与流向随深度变化如下图所示。联结各层流矢量端点上的线，称为埃克曼螺旋线。,4. 讨论,(1) 表层流速V0,式中Kz和y很难确定

4、，采用经验关系式(埃克曼)，适用于深海,其中W为风速，单位m/s,可见，风速越大，V0越大； 越低,V0越大；南半球以绝对值代入,(2) 摩擦深度 D,因此，有了某纬度处的风速W，便可计算出V0与的值，进而求得粘滞系数Kz的量值。,式中Kz未知，采用经验关系式:,可见，风速越大，海区所在的纬度越低，深海漂流的摩擦深度D越大；南半球以绝对值代入,(二) 浅海风海流,如果水深比较小，大致与D相等或小于D，海底的摩擦将起很大的作用。Ekman指出：对于浅海的漂流而言，表面流的流向与风向的交角一般比无限深海小，流向随深度的变化也比较缓慢。右下图给出了不同水深情况下风海流矢量在平面上的投影。,其中,V0

5、、D分别为风速与被研究浅海区风速相同情况下无限深海漂流的流速和摩擦深度,假设海区的水深h为常数，理论上可导出浅海漂流的流速为,结论：,对于北半球，浅海风海流的表层流向仍偏向于风向的右方(南半球偏向于左方)，海区的水深越小，右偏的角度一般就越小,表 偏向角与h/D的关系,浅海风海流的流速随深度的增加而减小 对于北半球，流向随深度的增加而逐渐右偏（对于南半球则向左偏） h/D2时，海区视为无限深海,但由于D与W有关，因此即使h固定，海区随风速的大小可当作浅海处理，也可作深海处理，计算时应先判断,例 纬度30 海区平均水深160m，则,a) 当风速W=7m/s,则h2D，可作深海风海流处理,b) 当

6、风速W=18m/s,则h2D，只能当作浅海风海流处理,(5) 计算风海流的一般步骤 1) 先判断深、浅海风海流 2) 当h/D2，当作深海风海流计算， 3) 根据南、北半球判断流向 4) 作图,(三) 风海流的体积运输,所谓沿某方向的海水体积运输量是指：在单位时间内，通过一个垂直于海面且垂直于该方向的单位宽、从海面到海底截面的海水体积，这个体积运输量也成为海水沿这方向的全流。,x,o,y,-z,A,B,C,D,A,B,C,1 深海风海流的体积运输量,y,x,Mx,2 浅海风海流的体积运输量,在x,y方向上都存在，其体积运输量偏离风矢量的角度小于90，且水深越小，偏角越小,浅海漂流与深海漂流的差

7、别： 北半球表面流向仍然偏向于风向的右方，而且海区的相对深度(h/D)越小，偏角越小； Ekman螺线比较扁 海水体积运输方向仍偏向于风向的右方，但小于90，因此沿风向也有水体运输的分量 当所研究海区h2D，浅海漂流与深海漂流很相近，因此水深h2D的海区可视作深海,北半球海水的体积运输方向与风矢量垂直，且指向右方，在南半球则相反,(四) 风海流的副效应,1. 风海流的体积运输必然导致海水在某些海域或岸边发生辐散和辐聚。由于连续性，又必然引起海水在这些区域产生上升或下沉运动，继而改变了海洋的密度场和压力场的结构从而产生出其它的流动，上述现象称为风海流的副效应。,北半球,2 上升流 上升流与渔场的

8、关系 50%的渔场位于上升流区 上升流的特点 a. 流速很小，量级为10-5m/s(1m/天) b.低温高盐特征,表层海水的辐散与辐聚与风应力的水平涡度的关系为：,散度（海水辐散）=,当散度为正值时，海水辐散，产生上升流 当散度为负值时，海水辐聚，产生下降流,北半球 南半球 气旋式：中心为低气压 反时针 顺时针 反气旋式：中心为高气压 顺时针 反时针,2 上升流 上升流与渔场的关系 50%的渔场位于上升流区 上升流的特点 a. 流速很小，量级为10-5m/s(1m/天) b.低温高盐特征,Upwelling is especially intense in the eastern bounda

9、ry current. A rather anomalous example is the Somali current in the western Indian Ocean.,sea surface temperatures are relatively low in regions of upwelling,Fig. Sea surface temperature of the Benguela Upwelling off the coast of South Africa in March 2000. (Red color indicates high temperature, pur

10、ple indicates low. The coldest water is found where the upwelling is strongest),30N,40N,130W,110W,90W,The climate of the east coast differs considerably from that on the west coast. Why?,San Diego,Charleston,125-150cm of rain a year Hot Summer,25-50cm of rain a year Cool Summer,Upwelling,Cool San Di

11、ego Hot Charleston,Provided by NASAs SeaWiFS Project and ORBIMAGE,The equator is marked by a line of increased chlorophyll concentrations, which is wider and stronger in the eastern Atlantic. The nutrient rich water from the Congo river plume flows north-westward and merges into the equatorial upwel

12、ling.,Equatorial upwelling,As the surface water moves away from the equator on both sides, it is replaced by colder, nutrient rich water from deeper layers.,Equatorial Upwelling,Upper: Large area of warm temperature and low chlorophyll Bottom: cold temperature and elevated chlorophyll concentration,3) July 1998: La Nia conditions, enhance upwelling, Pacific Equatorial Upwelling reappeared.,2) January 1998: strong El Nio warm event, warmer water suppresses upwelling, and phytoplankton growth is severely diminished.,南半球某支风生海流表层流向向东，问在该洋表面上理应吹什么方向的风？并以羽状箭号表示。,设北太平洋的西风