大洋环流

渤海环流系统特点
•渤海中部常年存在一顺时针环流，冬季的形成可能与风场有关，夏季的形成可能与渤海中部的暖水团有关
•渤海海峡口附近的环流为北进南出
•辽东湾、渤海湾和莱州湾的环流各有特点，存在比较典型的季节变化
黄海环流系统特点
•黑潮对黄海的环流系统，特别是对马暖流和黄海暖流的影响较大
•地形对环流的影响也比较大，黄海暖流和对马暖流基本上沿着等深线运动
（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：
•Stommal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）正压、斜压运动的特点（联系后面的泰勒-普劳德曼定理、热成风关系）
3、涡度，涡度方程=>热成风关系，泰勒-普劳德曼定理
（1）涡度： ，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。逆时针运动的涡度为正值，顺时针运动的涡度为负值。海洋中最重要的涡度分量是Z方向的涡度。
（2）涡度方程：对运动方程求旋度，得到涡度方程
•垂直温度（密度）的变化影响着流动的方向（赤道潜流、北赤道流和黑潮延伸体）。
•有时流动沿着等深线（东海黑潮、近海环流）或者纬线（南太平洋海流），遇地形流动会发生变化（黑潮延伸体）。
•存在顺时针和逆时针的环流，很强的西边界流。
•
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100 km以上。
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2维的。
4、位涡守恒及位涡方程
（1）位涡守恒，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，通过研究流体的旋转特性来认识流体的运动。
应用1：流体沿等深线运动。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。
大洋环流复习题
（橘子、娜娜、pp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。
（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。一个重要结论：海面起伏和次表层温跃层起伏方向相反，量级相差3个左右。
（2）一层半模式求解大洋环流结构过程
确定东边界第一层深度，
=>根据Sverdrup理论，从东边界开始积分风应力旋度，计算自东向Leabharlann 的每一点流函数，得到海面起伏的分布，
南海环流特征
•冬季南海强劲的东北季风强迫出海盆尺度的气旋式环流
•夏季南海北部气旋式环流减弱，南部则受西南季风驱动出现反气旋式环流
•冬、夏季海盆尺度环流在西边界存在强化现象
•北部吕宋海峡受到黑潮入侵影响，南部从卡里马塔海峡流出形成南海贯穿流
•
海洋环流的基本特征
•水平流动沿着等高线（等温线），流速大小和等值线的密集程度有关。
（3）惯性西边界层理论
假定惯性项也就是非线性项重要：
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）
北太平洋海流
流幅宽，流速慢受风场影响较大流动变化较小
加利福尼亚海流
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風漂流秘魯海流
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
•基本洋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
印度洋的地形
上层洋流
（3）Sverdrup输运：是由Ekman输运和地转输运共同组成
（4）应用：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1：根据Sverdrup平衡 ，
自东边界开始积分风应力
由此可以得到大洋内部流函数场
应用2：副热带海区内部流动向南——存在负的风应力旋度
冬季逆时针和夏季顺时针的环流
马达加斯加海流
西边界流之一，流速较强，流轴变化较大
索马里海流
特殊的西边界流，只存在于夏季，带来冷的海水
2、基础概念
（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：
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。
三种可能的热盐模态：
•1）温度模态：温度控制的稳定状态，有着相对快的环流。高纬下沉，低纬上涌。与现在的热盐环流一致。（大西洋）
•2）盐度模态：盐度控制的稳定状态，相对慢的环流。低纬下沉，高纬上涌。与现在的热盐环流相反。（太平洋）
•3）不稳定状态，任何的小扰动都会是系统偏离此状态
（2）Stommel–Arons理论：是纯动力学问题。解决了热盐环流由什么力来驱动以及为什么涌升上来的内区海水流向极地沉下来由西边界流回去。将Sverdrup平衡直接应用到了深层海洋，当然这里的驱动不是风生环流的Ekman抽吸，而是上下层间的沉降驱动。而质量守恒要求有西边界流来完成热盐环流。缺陷是忽略了对热盐环流影响很大的地形作用。该理论证明了Sverdrup关系，也就证明了位涡守恒。
涡度方程
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。解释涡度的变化可类比于楞次定律（不详）。
（3）热成风关系（斜压流体）<=涡度方程
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）：
应用3：北赤道逆流的成因——风应力的分布导致北赤道逆流的产生（具体？）
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）Sverdrup关系： （实质是位涡守恒）
物理意义： =>水柱压缩=>向南运动（行星位涡减小，位涡守恒 ）
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： ，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。
（2）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。
（3）速度
相速度： ；群速度：
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）
以上方程是在准地砖近似下得出。
定义为准地转位涡
准地转位涡方程可以写为：
引入流函数
外力忽略，位涡守恒：
5、Rossby波
（1）频散关系：
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。
科氏参数：2倍的局地旋转角速度
（2）正压、斜压及正压
正压海洋：严格意义下，等密度面和等压力面平行，即 ；
一般情况下，海水的密度（温度）看成是常数
斜压海洋：严格意义下，等密度面和等压力面不平行，即
一般情况下，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。
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高温高盐流量大约100SV
（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。