大洋环流考试版

1、描述世界海洋大致的风场和环流场特征。

（1）风场：赤道为赤道无风带，从低纬向高纬北半球依次为东北信风带、副热带无风带、中纬盛行西风带、副极地风暴带、

极地东风带，南半球依次为东南信风带、副热带无风带、中纬盛行西风带、副极地风暴带、极地东风带。从南北半球来看，以赤道为中心的风场北半球形成顺时针结构，南半球形成逆时针结构；以副极地为中心的风场北半球形成逆时针结构，南半球形成顺时针结构。这决定了上层海洋的环流分布。

（2）环流场：上层海洋的环流分布受风场驱动，也受陆地边界等其他因素的影响。分布规律为： 中低纬海区：以副热带为中心的大洋环流，北顺南逆。 北半球中高纬度海区：逆时针环流。 南极大陆外围：西风漂流（陆地影响）。 北印度洋海区：季风洋流，夏顺冬逆。 太平洋的地形：宽广的海盆，众多海脊岛屿

赤道流系：北赤道流、北赤道逆流、南赤道流、南赤道逆流、赤道潜流 赤道潜流：主要与南太平洋的水有关

⏹

西太平洋：核心在200米左右；东太平洋：核心在50米左右

北赤道流和南赤道流 ⏹

都是典型的风生环流，都在风最强的季节里最强，北赤道流量大于南赤道流，北赤道逆流是南北赤道流的分界线，太平洋流南北不对称，南赤道流越过赤道。

北太平洋环流系统：副热带逆流、黑潮、黑潮延续体、北太平洋流、加利福尼亚流、亲潮 黑潮及延伸体：世界上最强的西边界流之一；流速可以达到2m/s ，流量大约100SV ；高温高盐 北太平洋海流：流速慢，流幅宽；受风场影响较大；流动变化较小

加利福尼亚寒流：流速慢，流幅宽；变化大，瞬时观测中较难发现；形成低温低盐舌；加利福尼亚寒流对应的上升流，一般东边界的寒流附近都存在显著的上升流

南太平洋环流系统：南赤道流、东澳大利亚海流、西风漂流、秘魯海流

东澳大利亚海流：相对黑潮和湾流弱；流量大约15SV ；在南纬34度左右离开澳大利亚

西风漂流（南极绕极流）：流速快，流幅宽；环绕整个南大洋；整个全球海洋环流的能量主要集中于此 秘鲁海流：世界著名的上升流区，生产力最强的海区；ENSO 现象最显著的区域 大西洋的地形：大洋中脊的存在 狭长的形状 大西洋平均的风场

• 风场的辐合带同样在北半球，低纬和极地附近大致是东风带，而在中纬是西风带 •

大西洋南半球风场南北分量较强，原因是大西洋东西较窄

大西洋的基本环流：赤道流系和南北海盆的副热带环流与太平洋类似 北大西洋流系：北赤道流、湾流、亚述尔海流、加纳利海流

湾流：世界上流量最大的西边界流，流速超过2m/s ，高温高盐水，对美洲和欧洲的气候意义重大 南大西洋流系：南赤道流、巴西海流、南大西洋流、本格拉海流

巴西海流：西边界流，流速较强，流量小于黑潮和湾流 印度洋

风场：冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风在冬、夏季风作用下形成季风环流。

环流：冬季北印度洋的逆时针环流；夏季存在西边界流——索马里寒流，带来冷的海水，北印度洋地区环流是顺时针；南部洋流基本稳定，形成印度洋南部的逆时针环流；南印度洋的东边界流是暖流，与风向相反 马达加斯加海流：西边界流之一，流速较强，流轴变化较大

2、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：j

fu i fv u +-=⨯Ω2

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

θ

s i n 2f ∙Ω=

Rossby 数：判断运动尺度大小的参数，

0U R fL

=

，R 0<<1是大尺度运动。

物理意义：惯性项/科氏力：R 0=

L

U 2

/fU ；旋转时间尺度/平流时间尺度 R 0=

f

1/

U

L ；

相对速度/牵连速度 R 0=U/fL ；相对涡度/牵连涡度 R 0=

L

U /f

3、（1）涡度方程：对运动方程求旋度，得到涡度方程

涡度方程

ρ

ρ

ρωωωωF

p

u u dt

d dt

d a a a ⨯

∇+∇⨯∇+

⋅∇-∇⋅==

2

涡度的变化 内部作用 斜压作用 外力作用

涡度的变化由内因、斜压作用和外因共同决定，绝对涡度的变化和相对涡度的变化一样。内部作用又包括流体柱的垂直流速剪切和流体柱的辐合辐散。

A ．假设流体柱背景涡度向上，垂直速度剪切导致流体柱倾斜，背景涡度通量减少，诱生逆时针的环流，产生向上相对涡度弥补背景涡度变化。

B ．假设背景涡度向外，辐合导致流体柱面积缩小，诱生逆时针的环流，产生向外相对涡度弥补背景涡度变化。 斜压作用：

（3）热成风关系（斜压流体） <= 涡度方程

0y

ρ∂∂ ，

0p

z ∂∂ ，012 y

z p z u f ∂∂∂∂-=∂∂ρρ，假设海底流速为0，U 为正值，流动向东，反之，U 为负值，

流动向西，即东西方向的流速是由南北方向的密度梯度决定，而南北方向的流速是由东西方向密度的梯度决定。在赤道即使

y

∂∂ρ较小，由于f 很小，根据

y z p z

u f

∂∂∂∂-

=∂∂ρ

ρ

2

1，流速也较大。

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）：

2

ρ

ρωωp

u u a a ∇⨯∇-

=∙∇-∇∙

大尺度运动相对涡度远小于牵连涡度,

2

ρ

ρp

u f u f ∇⨯∇-

=∙∇-∇∙

简化形式： ，

热成风关系构建了垂直流速的变化和水平密度（温度）变化之间的关系，是大洋中非常重要的流速和密度（温度）的关系式

（4）泰勒-普劳德曼定理（正压流体）

▪ 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：

▪ 连续方程：

▪ 涡度方程变为：

▪

（流体的流动垂向无剪切，与热成风关系对应）

泰勒柱：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，运动是二维的，可看做是柱状运动。

4、（1）位涡守恒d dt (ζ+f H )=0，即位涡守恒。这是地球物理流体动力学的重要定理，其本质就是角动量守恒，即

ω

H

const

=，通过研究流体的旋转特性来认识流体的运动。应用：当涡度变化不大时，特别是行星涡度f 变化不大时，

流体的运动基本沿着等深线。当在大洋内深度变化不大时，流体基本沿着纬线流动。当流体遇到地形变化时，相对涡度也发生相应的变化来平衡地形变化导致的位涡改变。赤道潜流的形成。 赤道外，位涡为：

H

f H

f ≈

+ζ ；赤道上，位涡为：

H

H

f ζ

ζ≈

+。所以赤道上的相对涡度很大：

y

u y

u x

v ∂∂-

≈∂∂-

∂∂=

ζ⇒

赤道上东西方向流动的赤道潜流。

（2）位涡方程

x

z p z v f ∂∂∂∂=

∂∂ρ

ρ2

1y

z p z

u f ∂∂∂∂-=∂∂ρ

ρ2

10

=∙∇-∇∙u f u f 0

=∙∇-∇∙u u a a ωω0

=∂∂+∂∂+∂∂=

∙∇z

w y

v x

u u 0

=∇∙u f 0

=∂∂+∂∂=

∂∂=

∂∂y

v x

u z

v z

u 0

=∂∂z

w )(F curl z w

f F curl y v x

u f h H f f g y f y v x u H f f g t B +∂∂=+⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛∂∂+∂∂-=⎪

⎪⎭

⎫

⎝

⎛-+∇∙++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∇∙∂∂0

002

0002

0ηηβηη