第五讲-海洋环流基础知识

ρ p0 y u 1 f = 2 z ρ
U为正值，流动向西
p p0 z p ρ p0 z y
35
假定深海的流动速度为0 假定深海的流动速度为
U为负值，流动向东
大洋内部的流动方向？
v 1 p ρ f = 2 z ρ z x
36
赤道潜流的流动方向？
南 赤道 北
为什么流速强？
u 1 p ρ f = 2 z ρ z y
7
1. 科氏力和科氏参数 sin θ
地球在自转，局地的 旋转角速度和纬度有 关，赤道上的局地旋 转角速度为0，两极 的局地旋转角速度最 大，就是地球自转的 角速度
θ
8
1. 科氏力和科氏参数
在地球这个非惯性坐标系中，由于地球的自 传引入了惯性力——科氏力：
r r 2 × u = fvi + fuj
U U2 惯性项/科氏力： = T L
fU
旋转时间尺度/平流时间尺度 / 相对速度/牵连速度 相对涡度/牵连涡度
1 f
L U
U
U L
fL
f
13
3. 正压海洋和斜压海洋
严格定义 正压海洋：等密度面和等压力面平行
ρ × p = 0
斜压海洋：等密度面和等压力面不平行
ρ × p ≠ 0
14
一般情况下的定义
2. 涡度方程
对运动方程求旋度，得到涡度方程
dω a dω ρ × p F = = ω a u ω a u + +× 2 dt dt ρ ρ
涡度的变化 内部作用 斜压作用
外力作用
涡度方程表明：涡度的变化由内因、斜压作 涡度的变化由内因、 涡度的变化由内因 用和外因共同决定， 用和外因共同决定，绝对涡度的变化和相对 涡度的变化一样。 涡度的变化一样。
25
r ω = ×V
绝对涡度、相对涡度和牵连涡度
地球上的运动是在旋转坐标系下： u i = u r + × r
ωa = × ui = × {ur + × r} = ω + 2 = ω + f
绝对涡度 特别是 相对涡度 牵连涡度
u = ×r
ω = 2
26
Rossby数表征的就是相对涡度和牵连涡度的比值 数表征的就是相对涡度和牵连涡度的比值
ω a u ω a u =
ρ × p
ρ 热成风关系—— ——斜压流体 热成风关系——斜压流体
32
分量形式的热成风关系
u 1 p ρ p ρ f = 2 z y y z ρ z
大量 小量
v 1 p ρ p p f = 2 z ρ z x x z
大量 小量
u v 1 p ρ p ρ f + = 2 x y ρ x y y x
压力P 压力P 温度T 温度T
150 200 250
r r r V = V + Vφ
流函数是平行等压线的 运动 势函数是垂直等压线的 运动 任何运动都可以分解成 两部分， 两部分，一部分是流函 数决定的， 数决定的，一部分是势 函数决定的
22
信风和西风带反映流函数和势函数运动
信风带 科氏力较弱 势函数作用 比较明显 西风带 科氏力较强 流函数作用 比较明显
5
旋转坐标系下的运动方程
du ρ ( + 2 × u ) = p + ρφ + F dt
科氏力总是和 运动方向垂直 离心力包含在 有势力里面
旋转坐标系下的运动方程和非旋转坐标系下 的方程相比，多了惯性力项，特别是科氏力 的出现，使得旋转坐标系下的运动更具特点
6
第二节 基本概念
1. 科氏力和科氏参数 2. 大尺度运动和Rossby数 3. 正压海洋和斜压海洋
正压海洋：海水的密度（温度）看成是常数 斜压海洋：海水的密度（温度）不是常数 实际的海洋是斜压的，然 而正压近似可以简化物理 问题，同时能对海洋的运 动做出初步的合理解释， 因而被大家所接受。 本课程主要讲述正压海洋
15
第三节 地转运动、流函数和势函数
du ρ ( + 2 × u ) = p + ρφ + F 基本运动方程 dt du 1 p 写成分量形势 + Fx fv = dt ρ x dv 1 p + fu = + Fy ρ y dt 实际的海洋中，大尺度的环流运动是定常的，海 洋当中的摩擦力等其他外力很小，相对于科氏力 和压力可以忽略，这样的运动称之为地转运动。 地转运动。 地转运动
27
涡度变化原因1——内部作用
内部作用表达式： ω a u ω a u
r r u v w r r = ωa ui + vj + wk ωa k + + z x y z r u r v r u v = i ωa + j ωa k + z z x y
流体柱的垂直流速 流体柱的辐合辐 剪切导致涡度变化 散导致涡度变化
16
1. 地转运动
定常下忽略摩擦力 和其他外力的运动 地转运动方程
1 p h fv = =g ρ x x
1 p h fu = = g ρ y y
运动特点： 流动平行于等压线，在北半球，高压在右手方 向。海面高度和海面压力是对应的，所以地转 运动也是平行于等高线的流动，在北半球，海 面高的海水在右手方向。 17
Leabharlann Baidu11
Rossby数
U 定义Rossby数： 0 = 定义 数 R fL
其中U是水平流动的特征流速，L是水平流动 的特征空间尺度。对于大尺度运动，U一般 为0.01-0.1m/s，L一般为100-1000km。 对于大尺度运动 ： U R0 = pp 1 Rossby数远小于1
fL
12
Rossby数物理意义
2.旋转坐标系下的运动方程
在非惯性坐标系下，绝对速度等于相对速度 加上牵连速度
ui = u r + × r
绝对速度 相对速度 牵连速度 地球在自转，是旋转坐标系， 是地球自转 r 7.29 × 10 5 s 1， 是地球球心 角速度，大小是 到运动位置的矢径
4
坐标变换，引入惯性力
由于我们实际是在地球上观测海洋的运动， 采用相对坐标系比采用绝对坐标系方便
{
}
28
内部作用导致涡度变化——愣次定律
背景涡度向上 背景涡度通量减少 垂直速度剪切导 致流体柱倾斜 产生向上相对涡度 弥补背景涡度变化 诱生逆时针的 环流
背景涡度向外
背景涡度通量减少 辐合导致流体 柱面积缩小
产生向外相对涡度 弥补背景涡度变化
诱生逆时针的 环流
流体运动导致的涡度变化类似于磁场中线 圈运动导致的感应磁场和感应电流变化
∫∫ ω ndA = ∫ u dr
A c
ω
A
C
环流代表着通过物 质面的涡度通量
u
48
影响环流变化的因素
dΓa p F 绝对环流变化： dt = ∫c∫c ρ dr + ∫c ρ dr
dΓ p F 相对环流变化： = ∫c(2 × u ) dr ∫c dr + ∫c dr dt ρ ρ
ωa u ωa u = 0
f u f u = 0
泰勒-普劳德曼定理——正压流体 泰勒 普劳德曼定理——正压流体 普劳德曼定理——
41
泰勒-普劳德曼定理
u v w 连续方程： u = x + y + z = 0
涡度方程变为：
f u = 0
w =0 z
u v u v = = + =0 z z x y
45
8月 月月 月 (sigma坐坐） 月
40.5
40
39.5
lat
39
38.5
38
37.5 20cm 118 118.5 119 119.5 120 lon 120.5 121 121.5 122
46
第七节 环流和Kelvin定理
47
1. 环流定义
绝对环流： Γa = ∫∫A ωa ndA = ∫cui dr 相对环流： Γ =
37
北纬25度的流速？
u 1 p ρ f = 2 z ρ z y
38
东经150度的流速？
v 1 p ρ = 2 f z ρ z x
39
热成风——大洋中的Beta螺旋
40
第六节 泰勒-普劳德曼定理
涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外 力作用可以忽略（大尺度运动），斜压项为0 （正压流体）： 忽略相对涡度：
du r d dr =( )r + × r + × ( ) r + × (u r + × r ) dt dt dt du r d =( ) r + 2 × u r + × ( × r ) + ×r dt dt
du i du i ( )i = ( ) r + × ui dt dt
科氏力
离心力
流体的流动垂向无剪切， 流体的流动垂向无剪切，与热成风关系对应
42
泰勒柱——正压流体流动趋向2维
w =0 z
流体如果在某一高度垂直速度 为0，在所有高度上垂直速度都 为0，运动是2维的。 0 2
43
热成风和泰勒柱同时存在
44
8月 5米 月 月 月
40.5
40
39.5
lat
39
38.5
38
37.5 20cm 118 118.5 119 119.5 120 lon 120.5 121 121.5 122
33
简化形式的热成风关系
u 1 p ρ f = 2 热成风关系构建了垂 z ρ z y 直流速的变化和水平 垂直流 水平密 密度（温度）变化之 速剪切 度梯度 间的关系，是大洋中 v 1 p ρ 非常重要的流速和密 f = 2 度（温度）的关系式 z ρ z x
34
热成风关系应用
p ρ p0 f0 z y u 1 p ρ f = 2 f0 z ρ z y
23
第四节 涡度和涡度方程
24
1. 涡度
涡度定义： 速度场的旋度定义为涡度，海洋运动中势函数运动 没有涡度，流函数运动才有涡度。 海洋中最重要的涡度 分量是Z 分量是Z方向的涡度 逆时针运动的涡度为 正值，顺时针运动的 涡度为负值。
w v ωx = y z u w ωy = z x v u ωz = x y
29
涡度变化原因2——斜压作用
等压面 冷 热 浮力作用 冷 热 背景涡度 通量减少
诱生向上 相对涡度
斜压作用导致涡度的变化类似于 内部作用，也适用于愣次定律
30
涡度变化原因3——外力作用
31
第五节 热成风关系
涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外 力作用可以忽略（大尺度运动）：
ρ2 大尺度运动相对涡度远小于牵连涡度 ρ × p f u f u = 2
10
大涡和锋面 10-200 km 主要流 10-1000 km
大尺度环流 海盆尺度
海洋环流大尺度运动特点
运动空间尺度特点： 运动的空间尺度很大，基本在100km以上。 运动时间尺度特点： 运动的时间尺度很长，一般在1个月以上，意 味着要远远的大于地球自转的时间尺度。 物理意义： 物理意义：流体相对运动的时间尺度远大于地 球自转周期，运动过程中地球自转的效应能 够被感觉到，即科氏力的作用能被感觉到。
v= x φ u= x
u= y
φ v= y
地转运动中的压力或者高度可以看成是流函数
20
流函数和势函数运动特点
流函数决定的流场
u v + =0 x y
r V = 0
流函数决定的流场是无辐散的 势函数决定的流场
v u =0 x y
r ×V = 0
势函数决定的流场是无旋度的
21
流函数和势函数运动特点
p = ρ gh
海面温度和 海面高度是 对应的，地 转运动沿着 等温线或者 等高线流动
地转是大洋重要的 水平流速和水平密 温度） 度（温度）关系式
18
大洋流动基本沿等温线，而且等温线越 密集的地方压力梯度越大，流动越强
19
2. 流函数和势函数
如果流场可以表示为 就把 称之为流函数 如果流场可以表示为 就把 φ 称之为势函数
第三章
海洋环流基础知识
1
第一节 基本运动方程
运动方程： 牛顿第二运动定律 动量方程 质量守恒方程：
f = ma
dρ + ρ u = 0 dt
2
1. 非旋转坐标系下的运动方程
dρ + ρ u = 0 dt
du ρ = p + ρφ + F dt
压力项 有势力项（重力） 其他力项（摩擦力） u v w + + =0 如果密度不变 u = 0 x y z 3
科氏力的方向总是和运动的方向垂直，因而 不做功，不会为运动提供额外的能量，但是 会影响运动的轨迹。 科氏参数：2倍的局地旋转角速度
f = 2 sin θ
9
2. 大尺度运动和Rossby数
L 长度尺度 大气：海陆风 天气过程 盛行风 气候 海洋：内波 上升流 5-50km 100-5000km 全球尺度 全球尺度 1-20 km 1-10 km U水平速度尺度 1-10m/s 1-50m/s 5-50m/s 1-50m/s 0.05-0.5m/s 0.1-1m/s 0.1-1m/s 0.1-2m/s 0.01-0.1m/s T 时间尺度 12h Day-week 季-年 十年以上 分-小时 几天 天-周 周-季 十年以上