第五章 海洋环流
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第五章 海洋环流
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§5.1 海流的成因及表示方法
❖ 一、定义及分类 ❖ 二、研究方法 ❖ 三、海流的方向和单位
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一、定义及分类
❖ 1.海流：海水大规模相对稳定的流动。 ❖ 海洋环流：一般是指海域中的海流形成首尾相接的
相对独立的环流系统或流旋。
❖ 2.分类 ❖ 按成因分：密度流，风海流，补偿流 ❖ 按受力分：地转流、惯性流； ❖ 按发生区域：赤道流，陆架流，东西边界流等； ❖ 按运动方向：上升流，下降流； ❖ 按海流温度与周围海水温度差异分：寒流，暖流等
运动状况。
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二、受力分析
❖ 作用在海水上的力有多种，归结起来可分为两大类： ❖ 引起海水运动的力：重力，压强梯度力，风应力，
引潮力。 ❖ 海水运动后派生的力：地转偏向力（Coriolis
Force,亦称为科氏力），摩擦力。
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二、受力分析
❖ １、重力：地心引力与地球自转产生的惯性离心力 的合力。习惯上将单位质量物体所受重力称为重力 加速度，以g表示，它是地理纬度与从海平面向下 算起深度的函数。其表达式为
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二、研究方法
❖ １、拉格朗日方法，对同一质点在不同时间 的观测
❖ ２、欧拉方法，对不同质点在同一时间的观 测
精品课件Biblioteka Baidu
三、海流的方向和单位
❖ １、海流流速单位：ｍ／ｓ（SI单位制） ❖ ２、海流流向：指海水流去的方向，正北为
０度。“风来流去” ❖ 绘制海流图时常用箭矢符号，矢量长度表示
流速大小，箭头方向表示流向。 ❖ ３、1纬距＝111.1km=60海里 ❖ 1节＝1海里／小时＝1.85233km/小时
❖ 外压场：外部原因（风、降水、江河径流）引起海 面倾斜产生的压力场。
❖ 总压场：外压场自海面到海底叠加在内压场之上， 一起称为总压场。
❖ 单位换算：在SI单位制中，利用公式dp=-pgdz计 算压力的单位是牛顿每平方米(N/m2)，相当于 100hPa。若以百帕为单位，则有
❖ 联合式（5-10）与式（精5品-课4件），则有
❖ 式中ρ为海水密度。写成微分形式则有
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❖ 此方程称为流体静力学方程。
二、受力分析
❖ 正压场：在静态的海洋中，当海水密度为常数或者 只是深度的函数时，海洋中压力的变化也只是深度 的函数，此时海洋中的等压面必然是水平的，即与 等势面平行。这种压力场称为正压场。
❖ 压强梯度力：根据牛顿运动定律，当海水静止时， 水质点所受到的合力必然为零。但海水却总是处在 重力的作用之下，且指向下方。由此可以推断，一 定还存在一个与重力方向相反的，与重力量值相等 的力与其平衡。由式(5-6)知，该力为
二、受力分析
❖ ３、地转偏向力（科氏力） ❖ 研究地球上海水或者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。 ❖ 人们把参考坐标取在固定的地表，由于地球不停地
在以平均角速度绕轴线自西向东自转，参考坐标系 也在不断地旋转，因此它是一个非惯性系统。 ❖ 在研究海水运动时，必须引进由于地球自转所产生 的惯性力，方能直接应用牛顿运动定律作为工具， 从而阐明其运动规律。这个力即称为地转偏向力或 称科氏力。
❖ 式中ω为地球自转角速度，在海洋中，由于海水的 铅直运动分量ω很小，故通常忽略与ω有关的项， 即简化为
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❖ 式中 f 2称sin为科氏参量。
二、受力分析
❖ 科氏力的基本性质： ❖ ａ、只有物体相对地球运动时才会产生； ❖ ｂ、北半球垂直作用在运动物体的右方；南半球向
左； ❖ ｃ、只改变运动物体的方向，不改变速度； ❖ ｄ、与运动物体的的速率及地理纬度的正弦成比例，
❖ 海面上赤道到极地差为0.052m/平方米，在中纬度， 海面与10km深处的差为0.031m/平方米。因此， 在海洋研究中，一般视其为常数9.8m/平方米。
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二、受力分析
❖ 海平面：对于静态的海洋，重力处处与海面垂直， 此时的海面称为海平面。处处与重力垂直的面也称 为水平面。
❖ 重力位势：从一水平面逆重力方向移动物体到另一 高度所做功。
❖ 等势面：位势相等的面叫等势面。静态海洋的表面 是一个等势面。
❖ 用位势米表示位势差：
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二、受力分析
❖ ２、压强梯度力、海洋压力场 ❖ 等压面：海洋中压力处处相等的面。海面为海压为
０的等压面。 (以往称为一个大气压，平均为 1013.25hPa)。 ❖ 在右手直角坐标系中，坐标原点取在海面，z 轴向 上为正，那么海面以下-z深度上的压力则为
赤道为０，越往极地越大。
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§5.2 海流运动方程
❖ 一、运动方程 ❖ 二、受力分析 ❖ 三、连续方程 ❖ 四、边界条件
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一、运动方程
❖ 所谓海水运动方程，实际就是牛二运动定律在海洋 中的具体应用。
❖ 单位质量海水的运动方程可以写成
❖ 在直角坐标系中，它的三个分量方程为
❖ 只要给出这些力，应用式（5-2）便可了解海水的
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二、受力分析
❖ 定性说明地转效应： ❖ 1、沿经圈运动（从赤道向高纬运动，轨道向东偏
移；从高纬向赤道运动，轨道向西偏移）。 ❖ 2、沿纬圈运动（向东运动，轨道向赤道偏移；向
西运动，轨道向极偏移）。
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二、受力分析
❖ 实际上由于地球自转所产生的惯性力是三维的。取 x－y 平面在海面上，x 轴指向东为正，y 轴指向北 为正，z 轴向上为正，科氏力的三个分量为
的分量分别为
❖ 内压场，外压场，总压场。
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二、受力分析
❖ 由式(5—6)知，两等压面之间的铅直距离为
❖ 与海水密度成反比。当海水密度在水平方向上存在 明显差异时，必然导致两等压面之间的距离不等， 使其相对于等势面而发生倾斜。这种由海洋中密度 差异所形成的斜压状态，称为内压场。
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二、受力分析
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二、受力分析
❖ 它与等压面垂直， 且指向压力减小的 方向。
❖ 图5—1a表示了正压 场中压强梯度力与 重力平衡的情况。
❖ 当海水密度不为常 数，此时等压面相 对于等势面将会发 生倾斜，这种压力
精品课件 场称为斜压场。如 图5—1b所示。
二、受力分析
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二、受力分析
❖ 斜压场中压强梯度力一般表达式： ❖ 写成分量形式，即压强梯度力在x，y，z三个方向上
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§5.1 海流的成因及表示方法
❖ 一、定义及分类 ❖ 二、研究方法 ❖ 三、海流的方向和单位
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一、定义及分类
❖ 1.海流：海水大规模相对稳定的流动。 ❖ 海洋环流：一般是指海域中的海流形成首尾相接的
相对独立的环流系统或流旋。
❖ 2.分类 ❖ 按成因分：密度流，风海流，补偿流 ❖ 按受力分：地转流、惯性流； ❖ 按发生区域：赤道流，陆架流，东西边界流等； ❖ 按运动方向：上升流，下降流； ❖ 按海流温度与周围海水温度差异分：寒流，暖流等
运动状况。
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二、受力分析
❖ 作用在海水上的力有多种，归结起来可分为两大类： ❖ 引起海水运动的力：重力，压强梯度力，风应力，
引潮力。 ❖ 海水运动后派生的力：地转偏向力（Coriolis
Force,亦称为科氏力），摩擦力。
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二、受力分析
❖ １、重力：地心引力与地球自转产生的惯性离心力 的合力。习惯上将单位质量物体所受重力称为重力 加速度，以g表示，它是地理纬度与从海平面向下 算起深度的函数。其表达式为
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二、研究方法
❖ １、拉格朗日方法，对同一质点在不同时间 的观测
❖ ２、欧拉方法，对不同质点在同一时间的观 测
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三、海流的方向和单位
❖ １、海流流速单位：ｍ／ｓ（SI单位制） ❖ ２、海流流向：指海水流去的方向，正北为
０度。“风来流去” ❖ 绘制海流图时常用箭矢符号，矢量长度表示
流速大小，箭头方向表示流向。 ❖ ３、1纬距＝111.1km=60海里 ❖ 1节＝1海里／小时＝1.85233km/小时
❖ 外压场：外部原因（风、降水、江河径流）引起海 面倾斜产生的压力场。
❖ 总压场：外压场自海面到海底叠加在内压场之上， 一起称为总压场。
❖ 单位换算：在SI单位制中，利用公式dp=-pgdz计 算压力的单位是牛顿每平方米(N/m2)，相当于 100hPa。若以百帕为单位，则有
❖ 联合式（5-10）与式（精5品-课4件），则有
❖ 式中ρ为海水密度。写成微分形式则有
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❖ 此方程称为流体静力学方程。
二、受力分析
❖ 正压场：在静态的海洋中，当海水密度为常数或者 只是深度的函数时，海洋中压力的变化也只是深度 的函数，此时海洋中的等压面必然是水平的，即与 等势面平行。这种压力场称为正压场。
❖ 压强梯度力：根据牛顿运动定律，当海水静止时， 水质点所受到的合力必然为零。但海水却总是处在 重力的作用之下，且指向下方。由此可以推断，一 定还存在一个与重力方向相反的，与重力量值相等 的力与其平衡。由式(5-6)知，该力为
二、受力分析
❖ ３、地转偏向力（科氏力） ❖ 研究地球上海水或者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。 ❖ 人们把参考坐标取在固定的地表，由于地球不停地
在以平均角速度绕轴线自西向东自转，参考坐标系 也在不断地旋转，因此它是一个非惯性系统。 ❖ 在研究海水运动时，必须引进由于地球自转所产生 的惯性力，方能直接应用牛顿运动定律作为工具， 从而阐明其运动规律。这个力即称为地转偏向力或 称科氏力。
❖ 式中ω为地球自转角速度，在海洋中，由于海水的 铅直运动分量ω很小，故通常忽略与ω有关的项， 即简化为
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❖ 式中 f 2称sin为科氏参量。
二、受力分析
❖ 科氏力的基本性质： ❖ ａ、只有物体相对地球运动时才会产生； ❖ ｂ、北半球垂直作用在运动物体的右方；南半球向
左； ❖ ｃ、只改变运动物体的方向，不改变速度； ❖ ｄ、与运动物体的的速率及地理纬度的正弦成比例，
❖ 海面上赤道到极地差为0.052m/平方米，在中纬度， 海面与10km深处的差为0.031m/平方米。因此， 在海洋研究中，一般视其为常数9.8m/平方米。
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二、受力分析
❖ 海平面：对于静态的海洋，重力处处与海面垂直， 此时的海面称为海平面。处处与重力垂直的面也称 为水平面。
❖ 重力位势：从一水平面逆重力方向移动物体到另一 高度所做功。
❖ 等势面：位势相等的面叫等势面。静态海洋的表面 是一个等势面。
❖ 用位势米表示位势差：
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二、受力分析
❖ ２、压强梯度力、海洋压力场 ❖ 等压面：海洋中压力处处相等的面。海面为海压为
０的等压面。 (以往称为一个大气压，平均为 1013.25hPa)。 ❖ 在右手直角坐标系中，坐标原点取在海面，z 轴向 上为正，那么海面以下-z深度上的压力则为
赤道为０，越往极地越大。
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§5.2 海流运动方程
❖ 一、运动方程 ❖ 二、受力分析 ❖ 三、连续方程 ❖ 四、边界条件
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一、运动方程
❖ 所谓海水运动方程，实际就是牛二运动定律在海洋 中的具体应用。
❖ 单位质量海水的运动方程可以写成
❖ 在直角坐标系中，它的三个分量方程为
❖ 只要给出这些力，应用式（5-2）便可了解海水的
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二、受力分析
❖ 定性说明地转效应： ❖ 1、沿经圈运动（从赤道向高纬运动，轨道向东偏
移；从高纬向赤道运动，轨道向西偏移）。 ❖ 2、沿纬圈运动（向东运动，轨道向赤道偏移；向
西运动，轨道向极偏移）。
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二、受力分析
❖ 实际上由于地球自转所产生的惯性力是三维的。取 x－y 平面在海面上，x 轴指向东为正，y 轴指向北 为正，z 轴向上为正，科氏力的三个分量为
的分量分别为
❖ 内压场，外压场，总压场。
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二、受力分析
❖ 由式(5—6)知，两等压面之间的铅直距离为
❖ 与海水密度成反比。当海水密度在水平方向上存在 明显差异时，必然导致两等压面之间的距离不等， 使其相对于等势面而发生倾斜。这种由海洋中密度 差异所形成的斜压状态，称为内压场。
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二、受力分析
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二、受力分析
❖ 它与等压面垂直， 且指向压力减小的 方向。
❖ 图5—1a表示了正压 场中压强梯度力与 重力平衡的情况。
❖ 当海水密度不为常 数，此时等压面相 对于等势面将会发 生倾斜，这种压力
精品课件 场称为斜压场。如 图5—1b所示。
二、受力分析
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二、受力分析
❖ 斜压场中压强梯度力一般表达式： ❖ 写成分量形式，即压强梯度力在x，y，z三个方向上