物理海洋学_回顾与展望_20304

举例 3：位涡
大气运动
PV
=
g (ζ θ
+
f
) −
∂θ
∂p
位涡 = (等位温面上的绝对涡度) * (静力稳定度)
位涡守恒： 沿等位温面上运动时位涡守恒
(ζ θ
+
f
) −
∂θ
∂p
=
const
沿纬度：
(ζ θ
+
const) −
∂θ
∂p
=
const
举例 3：位涡
平流层 PV库
平流层 PV库
低纬度，对流层 位温范围为 300 ～ 370 K (相差70 K).
500hPa Geopotential Height, Temp and Wind on Nov. 2, 2013
Source: 中央气象台，http://www.nmc.gov.cn/
海平面气压场，海平面风场
Source: 国家海洋环境预报中心， http://www.nmefc.gov.cn/
举例 2.4：粘性运动
du
+
fk × u
=
−
∇p
+ ∇Φ + F (u)
dt
ρ
fk
×
u
=
F
边界条件：
τs = ρAV τ−H = 0,
∂u ∂z
,
z=0 z = −H
∫ 整体特性：
M=
0 udz
−H
=− k
ρf
×τs
=
τs × ρf
k
举例 2.4：粘性运动
fk
× u
=
AV
∂ 2u ∂z 2
TALLEY
FIGURE 14.4 Copyright © 2011 Elsevier Inc. All rights reserved
深层环流
变 化 的 海 洋
深层环流
变 化 的 海 洋
表层环流
变 化 的 海 洋
KE of the mean
变
化
的
KE of the eddies
海
洋
KE eddy / KE mean
海洋观测
• 技术革新使得人们能够有效地观测海洋，观测为物理海洋 学研究提供素材，是科学问题的源泉和科学创新的基础。
• 制约物理海洋学发展的主要瓶颈仍然是采样不足，具体表 现为时间与空间分辨率不足和时间与空间覆盖范围不足两 个方面。分辨率不足制约人们对高频率与小尺度现象的认 知，覆盖范围不足制约人们对低频率与大尺度现象的认知。
数值模拟：它以电子计算机为手段，通过数值计算、 信息处理和图像显示的方法，研究海水运动海水物理 性质。
学习过程中需要注意的地方 --三个方面与三种表达
• 一个学科理论（概念）三个方面
1. 形式逻辑的内容 2. 直观的背景 3. 应用
• 一个学科理论（概念）的三种表达
a. 公式 b. 语言 c. 图像
海洋观测
主要海洋过程的时间和空间尺度（Dickey，2002）
海洋观测
海洋观测的主要手段（Dickey，2002）
海洋观测
海洋观测手段的时空覆盖范围（Dickey，2002）
海洋观测
海洋观测资料的综合集成和应用（Dickey，2002）
①海洋观测
海洋观测技术革新推动物理海洋学的发展：
1950年代CTD垂直剖面观测 高垂向空间分辨率
1970年代锚系浮标连续观测 高时间分辨率，长时间序列
1970年代遥感观测海面温度、高度 高时空分辨率和覆盖范 围，实时
2000年代ARGO剖面浮标观测全球中上层海洋 高时空覆盖范 围，实时
当今，全球海洋观测系统，其核心是提高采样频率和覆盖范 围，尽量满足采样定理的要求。
采样定理
最高频率：
信号的最高频率为B Hz，采样频率至少为1/(2B)s 才能完全确定原信号。 每周期内至少采样2次，实际工作中4次以上。
• 对全球海洋进行持续的高时空分辨率的观测是人们的理想， 但对生活在陆地上的人类来说，进行海洋观测不但面临着 缺少可作为观测平台的基础设施，而且面临着比陆地更为 恶劣的环境。
海洋观测
• 因此，解决海洋观测采样不足问题，需要从两个方 面着手：
• 其一是发展新原理和新方法（包括观测平台、传感 器、数据集成、数据通信等），以提高观测的能力 和效率。遥感技术是进行空间大范围和高分辨率海 面观测的主要手段，浮标技术是进行海气界面、水 体剖面和海底界面观测的主要手段，海底电缆技术 将为现场海洋观测提供持续工作能量和有效的数据 通信平台。
物理海洋学 回顾与展望
黄大吉
海洋二所，djhuang@sio.org.cn 浙大海洋学院，hdj@zju.edu.cn
2013-11-04
物理海洋学
• 回顾
– 基本原理和方法 – 理论（概念）的三个方面和三种表达 – 举例
• 展望
① 海洋观测（采样频率，覆盖范围） ② 理论研究（中小尺度过程，界面过程，未知过程） ③ 数值模拟（机理模式、仿真模式）
举例一：质量守恒
1.形式逻辑的内容： 1 dρ = −∇ • u
ρ dt
∇ • u = 0
∂ρ = −∇ • (ρu)
∂t
2.直观的背景：物质不灭，质量守恒
3.应用：密度变化与体积变化，如流管中流 进与流出的流体质量相等
举例 1：质量守恒
a.公式：
∇ • u = 0
1 dρ = −∇ • u ρ dt
海洋观测
• 其二是选择优化观测策略，选择关键对象（包括空 间区域，时间范围，观测变量等）进行高时空分辨 率的观测，以达到有限的能力进行最有效的观测目 的。空间区域着重关注物理现象显著的区域、产生 物理现象的源地引擎区域和驱动力物理过程变化的 界面区域，观测需要长时间持续地进行，除继续对 基本物理量本身进行观测外，需要加强相关通量的 观测。
物理海洋学
物理海洋学是以物理学的理论、技术和方法，研究海洋中的物 理现象及其变化规律，尤其是海水运动和海水物理性质，并研 究海洋水体与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用的科学。
它是海洋科学的一个分支学科，与大气科学、海洋化学、海洋 地质学、海洋生物学有密切关系，在军事活动、海洋运输、资 源开发、环境保护、海岸设施和海底工程等方面有广泛的应用。
②理论研究
大尺度定常海洋（1970年代以前） 中尺度过程变化海洋（1970年代以后）,海洋环流 的认识从10±1cm/s 1±10cm/s， 大尺度变化海洋海洋与气候 多学科交叉海洋海洋与生态环境
定常大洋环流
STG – SubTropical Gyre SPG – SubPolar Gyre WBC – Western Boundary Current ECS – Equatorial Current System ACC – Antarctic Circumplolar Current
2
J
ψ
,
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∇ζ 2ψ=
0+
∂ψ
=0
L
∂x
f↓
f↑
ζ↑
ζ↓
The interior flow is westward everywhere
物理海洋学
• 回顾
– 基本原理和方法 – 理论（概念）的三个方面和三种表达 – 举例
• 展望
① 海洋观测:采样频率，覆盖范围 ② 理论研究:中小尺度过程，界面过程，未知过程 ③ 数值模拟:机理模式、仿真模式
由于海水运动是所有海洋过程中最基本的过程，海水物理性质 是海水最主要的性质之一，因此，物理海洋学的性质决定了它 在海洋科学中的基础地位和引领作用。
物理学的理论、技术和方法
实验和观测：实验室试验、现场观测、遥感观测等。
理论研究：从质量、动量和能量守恒等原理出发，得 到描述海水运动和海水物理性质的连续方程、运动方 程、温度盐度的输运扩散方程、状态方程等，运用数 学工具，对简单典型问题进行研究。
①海洋观测
2000年代ARGO剖面浮标观测全球中上层海洋 高时空覆盖范 围，实时
①海洋观测
全球海洋观测系统，其核心是提高采样频率和覆盖范围，尽 量满足采样定理的要求。
物理海洋学主要问题
物理海洋学的未来将遵循历史的发展规
律，通过海洋观测技术的革新来推动
海洋观测、理论研究和数值模拟
这三个研究分支的突破和它们之间的相 互促进。
流动沿等压线 等压线密集处流速大
Mean dynamic topography, i.e. oceanic relief corresponding to permanent ocean circulation. Arrows are proportional to current speed. Credits CLS.
90% of the ocean’s kinetic energy
NP, SP, PAC – North, South, Pacific NA, SA, ATL – North, South, Atlantic SI – South Indian
Streamlines for the (a) middepth circulation at 2000 dbar and (b) deep circulation at 4000 dbar. (Adjusted steric height, representing the absolute geostrophic flow.) Source: From Reid (1994, 1997, and 2003).
行星涡度 风应力 底摩擦应力
输运
涡度
涡度
侧摩擦应力 涡度
Stommel Model
Inertial Model
Munk Model
f = f0 + βy
东海岸流函数为零 从东向西积分
∫ ψ =
x
k
•
∇
×τ
dx
xE ρβ
H
L
Walter H. Munk
∂ψ = ∇ ×τ + δ M 3∇4ψ
∂x
•k
=
f
+ω
ρ h ρh
λ = z − hB = z − hB ζ − hB h
向深水运动，h和ω增大，气旋式旋转 向浅水运动，h和ω减小，反气旋式旋转 沿等深线运动，h和ω不变
举例 3：位涡
气流过山
Π = ( f + ω) ∂θ
∂p
Source: Geerts and Linacre, 1999, Potential vorticity and isentropic charts
中高纬度，对流 层位温范围为 270 ～ 300 K (相差30 K).
举例 3：位涡
PV
=
g (ζ θ
+
f
) −
∂θ
∂p
举例 3：位涡 PV 思想
举例 4：大洋环流
Sverdrup 内区
( ) δI
2
J
ψ
, ∇ 2ψ
+ ∂ψ
=
∇ ×τ
−
δ S
∇2ψ
+
δ M
3
∇4ψ
L
∂x
L
L
相对涡度 输运
+ ∇Φ + F (u)
dt
ρ
地转运动
fk
×
u
=
−
∇p
ρ
力 与加速度： fk
压强梯度力产生科氏加速度
−
∇p
−
fk
×
u
=0
ρ
力平衡： 压强梯度力与科氏力平衡
u = k × ∇p
ρf
流动沿等压线，等压线密处流速大 面向流的去向：
N半球：高压在右侧，低压在左侧 S半球：反之
举例 2.3：地转运动
最低频率： f0 = 1/(N∆t)
由样本的长度(覆盖范围)决定 频率的分辨率
①海洋观测
1950年代CTD垂直剖面观测 高垂向空间分辨率
①海洋观测
1970年代锚系浮标连续观测 高时间分辨率，长时间序列
北大西洋环流观测
①海洋观测
1970年代遥感观测海面温度、高度 高时空分辨率和覆盖范 围，实时 海表温度、高度、风场、波浪、水色、浊度、盐度等
τs = ρAV τ−H = 0,
∂u ∂z
, z
z=0 = −H
U = u + iv
U=
τ δs
e ez δ
i
z δ
−
π 4
2ρAV
=
U
0
e
z δ
e
i
z δ
−
π 4
τs
U0 =
τ sδ 2ρAV
δ = 2 AV / f
垂向结构
举例 3：位涡
dΠ dt
=
d dt
ωa ρ
• ∇λ
=
0
Π = ωa
ρ
− ρg = ∂p
∂z
ς
∫ p = pa + ρgdz −h
举例 2.2：惯性运动
du ∇p
+ fk × u = − + ∇Φ + F (u)
dt
ρ
惯性运动 fk
u
du
+
fk
× u
=
0
−
fk
× u
dt
u
=
ueiθ
= u0e−ift
k
举例 2.3：地转运动
du
+
fk × u
=
− ∇p
∂ρ = −∇ • (ρu)
∂t
b.语言：物质不灭，质量守恒 c.图像：
举例 2：海洋中一些运动形式
du
+
fk
×
u
= − ∇p
+ ∇Φ + F (u)
dt
ρ
地转运动 静力平衡
惯性运动
粘性运动
举例 2.1：静力平衡
du
+
fk × u
=
− ∇p
+ ∇Φ + F (u)
dt
ρ
静力平衡
0 = − ∇p + ∇Φ
L
Munk, W. H., 1950, On the wind-driven ocean circulation, J. Meteorology, 7(2): 79-93
Inertial model (Fofonoff streamlines)
f↑
f↓
ζ↓
f + ζ = const
ζ↑
( ) δI