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：jfu 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θs 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=LU 2/fU ；旋转时间尺度/平流时间尺度 R 0=f1/UL ；相对速度/牵连速度 R 0=U/fL ；相对涡度/牵连涡度 R 0=LU /f3、（1）涡度方程：对运动方程求旋度，得到涡度方程涡度方程ρρρωωωωFpu u dtd dtd 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0yρ∂∂ ，0pz ∂∂ ，012 yz 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 zu f∂∂∂∂-=∂∂ρρ21，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）：2ρρωωpu u a a ∇⨯∇-=∙∇-∇∙大尺度运动相对涡度远小于牵连涡度,2ρρpu 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ωHconst=，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：Hf Hf ≈+ζ ；赤道上，位涡为：HHf ζζ≈+。

所以赤道上的相对涡度很大：yu yu xv ∂∂-≈∂∂-∂∂=ζ⇒赤道上东西方向流动的赤道潜流。

（2）位涡方程xz p z v f ∂∂∂∂=∂∂ρρ21yz p zu f ∂∂∂∂-=∂∂ρρ210=∙∇-∇∙u f u f 0=∙∇-∇∙u u a a ωω0=∂∂+∂∂+∂∂=∙∇zw yv xu u 0=∇∙u f 0=∂∂+∂∂=∂∂=∂∂yv xu zv zu 0=∂∂zw )(F curl z wf F curl y v xu f h H f f g y f y v x u H f f g t B +∂∂=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+∇∙++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∇∙∂∂000200020ηηβηη5、 Rossby 波频散关系：22-+-=DL K k Uk βω 。

Rossby 波的频率及相速度都依赖于波数，因此是频散波。

Rossby 波是低频波 。

Rossby 波仅当有位涡梯度存在时才能发生，即位涡梯度是产生Rossby 波的必要条件。

（1）Rossby 波的形成机制：位涡守恒和位涡梯度的存在是Rossby 波形成的机制。

当产生一个北向的扰动时，f 增大，由const Hf =+ζ知ζ减小，产生顺时针涡旋，带动西边水团向北运动，产生向西的波动。

（2）速度：相速度：22-+==DL Kkc βω；群速度：kL K L l k c D D gx∂∂=+--=--σβ222222)()(。

假定U =0，不存在基本流的作用，Rossby 波的相速度都是向西的，反映了旋转的存在导致的东西不对称；Rossby 波的群速度长波也都是向西的，短波可以向东。

6、Sverdrup 理论（会用来解释现象，用到深层热盐环流） （1）Sverdrup 关系：zw fv∂∂=β （实质是位涡守恒）物理意义：zw ∂∂=>水柱压缩=>向南运动（行星位涡减小，位涡守恒CHf =）适用范围：运动定常，忽略应力作用，忽略非线性，忽略地形和海表起伏，即不在海表、海底，离边界远的大洋内区，就是位涡守恒。

（2）Sverdrup 平衡：⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=∂∂≡0 ρτψββ curl x V S，给出了经向流速和风应力的关系适用范围： 忽略垂向速度，忽略海面起伏、地形，忽略底应力。

（3）Sverdrup 输运：是由Ekman 输运和地转输运共同组成()SE G V V V ββ=+（4）应用：Sverdrup 关系仅在大洋Ekman 层以下，且不是海底和大洋边界时成立。

Sverdrup 平衡要求在海底、海表W=0,且海底和海表无起伏，海底应力忽略，较脆弱，Sverdrup 理论只能回答大洋内区的流场分布，无法解决西边界流问题，因此需要西边界流理论。

应用：根据Sverdrup 平衡⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛=∂∂0 ρτψβ curl x ，自东边界开始积分风应力 dxcurl Ex x⎰⎪⎭⎫⎝⎛-=-τβρψ01，由此可以得到大洋内部流函数场。

副热带海区内部流动向南——存在负的风应力旋度。

北赤道逆流的成因——风应力的分布导致北赤道逆流的产生7、西向强化理论（几种理论联系、区别）北半球，流动在西边界得到加强。

原因：Rossby 波在西边界的反射（能量来源）；Beta 的存在；陆地边界存在（摩擦的作用）； 质量守恒（平衡Sverdrup 内区解）。

且Beta 效应的存在是东西不对称的主要原因 （1） Stommal 西向强化理论• 准地转位涡方程中假定底摩擦最重要，忽略其他项，只保留Beta 项：•Stomma l 能够解释出现西边界流的原因，并能给出相对合理的西边界流场（2）Munk 西向强化理论准地转位涡方程中假定侧摩擦最重要，忽略其他项，只保留Beta 项：•Munk 解不仅可以得到西边界流，还可以解出回流区（3）惯性西边界层理论假定惯性项也就是非线性项重要：44=∂∂-∂∂xxA Hψβψ022=∂∂+∂∂xxψβψ()220,xy J ∂∂==+ψζβζψ其中优势：考虑了惯性项和非线性项，物理上更切合实际。

计算得到的西边界层厚度大概100公里，流速可以达到2m/s ，与实际吻合。

不足：只是一个部分的不完全解，只在内区流动向西的区域中存在。

不能满足在x=0处的第二个边界条件。

8、一层半海洋模式（一层半环流特征，解释现有的流动格局）（1）一层半模式：又称为约化重力模式，假定海洋被温跃层分为两层，流动只发生在上层，下层流体静止且无限深。