海洋科学导论 作业

必做作业
向一个没有学过海洋学的人介绍并解释大尺度海流与普通人直觉相悖的现象。

一、风海流体积输送方向与风向垂直（北冰洋浮冰随海水运动的方向与风吹方
向不一致）
首先，我们应当知道，风海流是湍切应力和科氏力平衡时的稳定流动。

为了更好地解释这一现象，我们引入一个理想的海水模型：
1)密度均匀；
2) 海区无限宽广，海面无起伏；
3) 风场均匀，长时间吹；
4) 科氏力不随纬度变化；
5) 只考虑垂直涡动粘滞系量引起的水平方向的摩擦，且视为常数。

也就是说，在我们研究的理想海水中，密度均匀，海区宽广，这意味着因密度造成的海流和地形的制约因素可以不考虑；风场均匀并且恒有风，意味着风海流的动力是源源不断且均匀的；科氏力，也就是地转偏向力不随纬度变化，即海水的受力不会因位置的变动而改变大小；同时，我们只对水平方向上海水层之间的摩擦力予以考虑，方便起见，将其大小视为常数。

于是，我们可以在理想海水海面上加一股定向的风，假设风吹向北。

由于海水表面与大气的摩擦力的存在，海水得以运动，而科氏力的存在，又使得海面上海水流动方向与风向存在一个45°夹角，即海面海水流向东北。

我们继续研究更深处海水的运动状态。

可以想见，随着深度的增加，风的动能越来越多地通过摩擦力做功转化为海水的内能，海水的流速在竖直方向上显著减小，到达一定深度后，海水的流速甚至不到表面流速的5%.
另一方面，科氏力在海水的运动中客观存在着，并显著改变着其方向。

如果把海水看做由一层一层薄薄的海面拼合而成，那么，上一层海面的运动会带动下一层海面的运动，他们间的摩擦力因上一层海水的运动产生，方向与其运动方向一致，但科氏力的方向不会改变，于是他们的合力方向愈发向右偏（对于科氏力向右的北半球而言），进而导致每一层海水的运动方向都较上一层偏右，在到达某一深度时，甚至会偏向与表面海水完全相反的方向。

该模型被称为埃克曼（Ekman）深海漂流理论，在三维空间中，每一层海水速度矢量终
点的连线呈螺旋状下降，该曲线叫做埃克曼螺旋线。

而对沿竖直方向从海面到无限深处速度的定积分，便是风海流的体积输送量。

为了方便计算，我们从北向和东向分别求定积分。

计算结果告诉我们，北向的定积分为零，而东向的定积分为一常数。

这也就意味着，虽然速度方向千变万化，风海流的体积输送方向却是与风向垂直的正东！
积分算是十分复杂，我们不妨定性地解释这一现象。

上文说到，从表面到深水，每一层海水的运动速度不断减小，方向不短偏向右，而运动速度减小的速度是远远快于方向变化之速度的，这就意味着，当海水运动方向指向正南或西南时，它的速度已经可以忽略不计，所以海水向西运输的体积微乎其微，难以与向东运输的体积抵消，但向南和向北运输的海水体积大致相等，相互抵消，总量为零也就并不奇怪了。

所以宏观来看，海水的体积运输方向是垂直于风向向东的。

二、洋流的西向强化现象（大洋西岸洋流比东岸强许多）
显而易见，考虑全球范围的洋流运动时，如果仅仅加入风应力和不随纬度变化的科氏力时，大洋环流会是图（a）中的样子：一个套着一个的环流圈。

但如果我们考虑到科氏力随纬度的增大而增大，那么大洋环流就会变成（b）图中西岸密集，东岸稀疏的样子。

我们可以从科氏力变化的角度，定性分析这一现象。

如图所示，假定该海域在北半球，科氏力偏向右，风应力一半向西一半向东，科氏力随纬度升高而增大。

在向西的风应力作用下，海水向西运动，由于科氏力的扰动，他们的运动方向会偏向北，这就意味着，随着他们的运动，所受的科氏力逐渐增大，向北的趋势愈发明显，最终在西岸汇聚成强大的北向洋流，流过风应力为零的区域。

紧接着，海流收到东向风应力，由于科氏力的作用向南偏，进而随着海水的运动，所受科氏力减小，向南运动趋势减缓，当海流运动方向偏向正南时，海流已变得十分松散无力，造成东岸海流较弱。

正是因为科氏力随纬度的变化，大洋环流才呈现大洋西岸强（湾流，黑潮），东岸弱（加利福尼亚寒流，秘鲁寒流）的西向强化现象。

选做作业
假如海水没有盐度，海水的物理性质，海洋要素分布及海水动力现象会发生
哪些变化。

盐度，与温度和密度并称为海水的三大要素。

我们对海水的第一感觉，大概就是“海水是咸的”——正因为海水的盐度客观存在，变化多端，才造就了海水纷繁复杂的物理现象，规模极大的海洋环流，丰富多彩的海洋生物和取之不尽的资源财富。

关于盐度的定义，最开始是这样表示的：一千克海水中将溴，碘离子以氯置换，碳酸盐分解为氧化物,有机物全部氧化,所余固体物质的总克数。

在1969年，人们提出了电导盐度的
概念，使得盐度的测量更加精确。

标准海水的盐度是35。

各个大洋的海水盐度略有不同，大西洋最高，可达34.90，太平洋最低，是34.69；大洋中各个区域盐度也不尽相同，赤道地区降水丰沛，盐度小，；副热带海域蒸发量大，降水少，盐度很高，极地地区，海水盐度逐渐降低；铅直分布上，海水盐度则与该深度的水团性质有关，因区域而异。

正因为海水的盐度的存在，才有了时间尺度为千年量级，影响整个地球的深层海水温盐环流；小尺度的海流中，地中海海水进入大西洋后下沉，红海海水居于印度洋中层，都与海水的高盐度不无关系。

另外，海水的盐度来自于丰富的无机盐、矿物质，他们既可以冲刷海岸，造就嶙峋伟岸的壮丽景观，又可以沉积于海底，形成造福人类的矿物结核。

丰富的营养物质也孕育了多彩的生物世界，充实了整个地球。

然而，如果海水失去盐度，变成了纯水，又会有什么事情发生呢？
让我们先从盐度的定义以及海水的物理性质入手。

盐度为零，意味着卤素无机盐，无机含氧酸盐，有机物全部消失，海水变为纯水，这无疑会对海水的物理性质产生巨大影响。

首先，盐度为零意味着同温度下海水的密度变小，同样质量的水，体积反而会变大，海平面有可能上升。

同体积水产生的浮力也会随着盐度的消失而减小，人们或许会需要造出排水量更大的船，以适应新的大洋。

但是盐度为零，同时也意味着海水对桥梁，船舶的腐蚀减小，这对船舶及港口行业来说无疑是福音。

其次，我们知道，盐度越低，海水的比热越高。

当海水盐度为零时，海水的比热也达到了前所未有的高度，它调节气候的作用也更显著。

以港口城市青岛为例，现在的海水已足以造就强烈的海陆风，起到吹走雾霾，净化环境，冬暖夏凉的作用，如果海水的比热更大，那么海陆风显然会更剧烈，而对气温的调节也就更加显著了。

再者，海水的盐度为零，渗透压会发生骤减。

这对于海洋生物无疑是毁灭性的打击，细胞的渗透体系将会崩溃，生物大量灭绝，有幸存机会的仅仅是一些有壁细胞及其构成的生物——藻类，细菌等等。

同时，河水反而成为了高渗溶液，在三角洲地区，海水有倒灌的可能性。

当然，海冰的物理性质也会因海水盐度的改变而变化。

我们知道，当海水盐度低于24.695时，海冰的结冰方式与淡水冰无异，都是从表面开始，而下层保持液态。

这就意味着，盐度为零的海洋结冰时，会呈现与现在不同的方式：海冰整片相连，浮于表面，结冰面积极大。

这也意味着，海冰的冰害比现在更加严重了。

不单单是物理性质，整个地球上海水要素的分布，都会因为海水盐度变为零而发生巨变。

先从盐度的水平分布说起，容易得出的结论是，先前马鞍状的密度曲线不复存在，全球大洋各个深度水平方向上海水盐度均为零。

我们进而分析温度的水平分布，表层的水温当然和现在区别不大，大致从赤道向两极递减，但在下层海水中，大西洋中层因地中海海水高盐度下沉而形成的高温海水区将会消失，其他地区变化不大。

于是我们可以得出密度的水平分布，近极地地区4℃的海水密度最大，向赤道地区递减，深层海水密度加大，且水平变化愈不明显。

我们可以知道，由于海表面海水密度的不同，导致不同地区的海水辐聚下沉，居于海水的某一深度处，导致了海水要素铅直分布差异。

那么我们可以得知，海水盐度为零时，极地地区海水密度依然最大，将会居于海水最深层，赤道处海水温度高，依然会在海洋表面，副热带地区海水受盐度影响较大，盐度为零时，它的密度减小比较明显，难以像以前一样居于海水中层，铅直方向上海水的温度变化也会因此改变，密度变化则随着温度要素的改变发生
调整。

最后让我们分析一下海水动力现象受海水盐度变化而产生的影响。

海水盐度变为零，首当其冲受到影响的无疑是深海的温盐流。

我们知道，温盐流是由密度梯度驱动的，而盐度的改变势必会引起密度的改变，现在在调节气候，传递能量等方面有巨大作用，全球范围内，千年量级的深海大尺度温盐流也会因此发生巨大改变，甚至消失：这对地球的影响是难以估量的，电影《后天》里的情景有可能会因此出现。

由于盐度为零时，海水的密度只是温度的函数，这就使得大洋海水的铅直分布发生变化。

最明显的当属北大西洋地区：地中海海水高盐的性质消失了，再难以因密度大而深入北大西洋中层，而因此而形成的洋流当然也就销声匿迹了。

当然，海浪与潮汐也会或多或少受到影响。

比如因为盐度降低，海水密度变小，风应力不变的情况下，海浪会变得更大更汹涌；海水密度变小，引潮力不变的情况下下，高潮潮位升高，低潮潮位下降；海水盐度为零，海水对海岸的侵蚀必将由原先化学、机械侵蚀双管齐下，变为只有机械侵蚀，侵蚀速度减缓，质量变差，海岸的形态不再会多姿多彩。

总而言之的，盐度是海水的一个重要要素，与盐度、密度都是不可或缺的。

盐度一旦变为零，海水成为纯水，许多现在看来的常识都会改变，而很多现在看来不可思议的事情，都会顺理成章。

大自然就是如此的神奇。