大洋环流动力学能量学

大洋环流中的动力学能量学问题
摘要：本文就大洋环流根据物理学海洋学有关知识讨论了大洋环流中的力与能量、海流的西向强化现象以及热盐环流。

关键词：大洋环流中的能量与力、海流的西向强化、热盐环流
一、大洋环流的定义
大洋环流是指海流在大洋中流动的形式是多种多样的，除表层环流外，还有在下层里偷偷流动的潜流，由下住上的上升流，向底层下沉的下降流，海流水温高于周围海温的暖流，水温低于流经海域的寒流，水流旋转的涡旋流，等等。

海流遍布整个海洋，既有主流，也有支流，不断地输送着盐类、溶解氧和热量，使海洋充满了活力。

二、大洋环流的动力学
1、大洋环流中的力与能量
大洋中能量存在的形式有重力位能,动能,内能以及由于海洋中溶解盐分所导致的化学势能。

然而，大洋中的能量平衡与大气中的能量平衡有很大区别。

大气环流多半由下垫面加热和上边界冷却驱动，可是海洋只是在上边界受到冷却和加热。

重力位能的来源包括太阳和月球引起的潮汐,海表大气压力的脉动以及海表淡水通量。

潮汐力来源于地球本身引力和太阳以及月球对于地球的引力之差。

如果潮与引潮力总处于严格的平衡状态,引潮力就不会做功,因此引潮力对大洋环流就不会作贡献。

但是由于摩擦作用潮总是滞后于引潮力,因而导致潮流,所以潮汐对于海洋中重力位能的贡献就来源于潮汐的耗散。

此外蒸发和降水以及径流造成的海-气界面上的淡水通量可以改变大洋的重力位能,这是因为蒸发和降水发生在不同的高度上，然而实际上淡水通量对于大洋环流的重力位能贡献是非常小的。

海洋中内能的直接来源是海表加热和冷却。

海表加热主要由于太阳辐射,不过这时候相当于把海-气界面上各种热交换形式笼统地归纳为大气加热和冷却。

据估算海-气相互作用对内能的贡献约为15102 W,约等于海洋中由低纬度向高纬度的热输送量。

而海洋中由低纬度向高纬度的热输送量大约是地球气候系统中总的热输送量的50%，所以不难看出海洋在气候系统中的作用是举足轻重的。

同时我们也不能忽视地热对于海洋热能的贡献，尽管它的贡献只有海表热通量对内能贡献的百分之一二。

地热对于大洋环流特别是深海环流影响很大。

地热对大洋环流的贡献可以用地热所产生的等价的重力位能来估计，而给出这个表达式需要更深层次的物理知识。

海表大气压力的脉动作用与潮汐力。

事实上海平面的大气压力并非常数,而是随时间和地点而变,其变化的幅度大约是±(10～20)hPa。

潮汐力和海表大气压力脉动的主要区别是潮汐力是周期性的,但是海表大气压力脉动是随大气环流而变,是非周期性的。

但在其他方面,这两种驱动力的实质是非常相似的。

目前我们对全球海洋对海表大气压力脉动的响应还不甚了解，有关海表大气压力脉动对于大洋环流的重力位能的贡献有多少也还不清楚。

此外,海气界面的淡水交换能产生一定数量的化学势能,而这种化学势能的存在依赖于海水中溶解盐分的浓度差。

淡水与咸水之间化学势之差可以表征为二者电位差或渗透压差。

同时由于蒸发和降水也能产生一定的化学势能。

而海表风应力是动能的主要来源，它与海表流速的乘积可以表示它的贡献，这是海洋中最大的机械能来源，然而其中的大部分能量被海洋上层的表面波和湍流所消耗，仅仅海表风应力与次表层中地转流的速度的乘积对于大洋中大尺度地转流的研究有一定意义。

尽管上面所提到能量有很多种，然而四种能量能够相互转化。

例如,重力位能与动能同属于机械能,二者可以通过海水的垂直运动项ρGW发生相互转化。

动能与内能之间也可以通过海水的压缩和膨胀项P·V而互换。

但是能量转换必须遵守热力学第二定律。

从中我们不难知道动能可以全部转变为内能,但内能不可能全部转变为动能,而最大的转化效率是由所谓的卡诺效率决定的，即与两个温度差有关且永远小于一，尽管实际中转化无法做到等温膨胀和绝热膨胀，这对于研究转化效率还是很有意义。

四种能量能够相互转化，但作为能汇的只有一个,因为各种途径所输入的能量最终都变成热能而以冷却热的形式返回到的大气中。

2、海流的西向强化
海流的西向强化指的是大洋北（南）赤道流在自东向西抵大洋的西边界处，折向北（南），形成一支流幅变窄，流速加强的海流现象。

根本上说，西边界流强化现象是风应力强迫的结果，在大洋内区风应力旋度强迫的非频散罗斯贝波不断地将海表边界层抽吸引起的扰动能果，量从海洋内区带到西边界流区，造成大洋西部能量的积累，从而导致强的西边界流形成、维持和变动的一个重要因子，也是风应力的非局地强迫作用的重要表现。

罗斯贝波西传是β效应引起的，所以β效应是引起西边界流强化现象的另一个重要因子。

引进β效应之后,学者Munk突出侧向水平湍流粘滞性,以侧向水平揣流摩擦代替Stommel模式中的底摩擦,建侧摩擦涡度、行星涡度与风应力涡度三者平衡的方程,获得了对大洋风生环流的全面阐明,特别对海流在大洋西边界的西向强化,在大洋中部的纯漂流性质和从南到北呈现为热带、副热带与副带三个流旋的现象,解释得至为透晰。

同时Munk理论也给出了大洋西边界质量运输特点：以纬度向为主、有一个强烈的北向流动，近岸处质量运输很大随着离岸距离的增加而迅速衰减，而这是非线性惯性导致的结果。

可是Munk理论是在海水密度均匀、大洋深度一致等假设下提出的.为此,holiand考虑到海水密度的不均匀性和海洋深度的可变性,另引进由海底压强与海深构成的涡度建立四涡度平衡的理论，因此获得在副热带流旋中,由于在大陆架上南向流最增加、作为补偿流因而增加西边界海流西向弧化的流量,但仍不足以克服Munk理论中的一些主要缺陷,而之所以如此,是因为上述这类被称为大洋风生环流粘性理论的理论基础,都是在强调侧向水平湍流粘滞性而忽视大洋边界层中非线性的惯性效应的观念上建立的,事实证明,这在西边界层中是非常不恰当的。

因而近代研究海流的西向强化,都重视这个非线性的惯性效应,但也并不因此排除水平湍流粘滞性的作用。

开始重视惯性在西边界层流中的重要性时，例如Stommel、Charney等人的工作，又过分强调它而忽视水平湍流粘滞性作用的缺陷，由此建立的理论便被称之为大洋风生环流的惯性理论。

理论的核心是湍流摩擦不存在时的位涡度守恒，可是经过细致的分析研究。

Jhonson认为在大西洋边界层中，几种作用的地位同等重要，粘性和惯性的作用应该分别在西边界层的内、外粘性及惯性层中各起主宰作用的。

因此，后来的学者都是在同时注意到这两种作用后建立数值计算模式来进行全球性的环流计算。

后来的学者认为在西边界的上层存在着一个沿岸的压强梯度，而它因海水不能流出岸壁而在岸边不能产生地转平衡，也为此首先产生一个向外的流动伴随有岸壁附近的上升流作为补充，其次在近岸地区未被地转平衡的梯度用来加速向北流的边界流，同时克服侧向摩擦。

在此情况下，温暖的副热带水会上升，而未被完全消耗的摩擦会形成上层的反气旋涡旋。

而在1975年，另一位学者通过有关水团的分析和观测数据得出过去的结论不够完善，大洋反气旋式流旋以更复杂的形式在循环着，它的流动存在湍流，而它的统计结构可以用非线性的准地转动力学来确定。

而同样有学者认为大洋环流的主要驱动力式穿过海面的热通量，正值的热平衡在副热带还去引起反气旋流旋，而负值的热平衡引起副寒带的气旋流旋，而在海流西向强化中及离开海岸分散过程中海水密度的平流作用起主导作用。

然而，关于西向强化的海流，何以后来离开海岸向东流去的现象，Veronis 曾通过两层海模式阐述风生大洋环流和热生大洋环流的机制。

他认为，前者Ekman漂流在中纬度产生的向赤道质量输送不是地转平衡的，需要一个向北的西向强化流去平衡，西边界流吸收ekman漂流产生的额外压力头又会使温跃层在某个较北纬处向海面上升，导致西向强化流在那个纬度处与海岸分离向正东流去。

关于后者，他认为由于表层海水因铅直混和发生热通量的往下传递会使次表层海水增温,但增温不能超过一定限度,终因冷水向上升而使向下热通量趋于平衡,于是产生西边流以吸收来自上升区的海水以形成环流与此同时,只要温跃层向海面升起,西边界一流就会离开海岸向正东流去,因此较高纬度北方海盆有受限制的强冷却区域会使得较少量的海水下降,而在较低纬度处再使海水上升。

进之后走上了一条光辉大道。

而热盐环流的理论研究主要有两种类型。

一种是重视密度湍流扩散,像Stommel和Veronis那样的考虑一个水平层,顶部均匀受热而在其底部,外加一个余弦式的温度扰动，形成非均匀地冷却的模式。

出于数学处理的困难，在他们的非线性方程中并没有直接考虑到密度对流项，只是作为一个线性化的扰动加入的。

而另一种则是重视密度对流的研究，像Welander那样的他出于怀疑湍流扩散作用是否在大洋环流中起重要作用，索性忽视它而单纯重视密度对流的作用,注意到大洋东边界的存在，以束缚纬向的流动，并认为这样的流动，是由于在海面经常存在着一个子午向的温度梯度而生的。

然而由于他没有引进垂直子午向边界，因而结论中就不能预示出有个像湾流及其他类似的边界现象。

而近代对于热盐环流的研究则统筹考虑了这两种情况。

有两名学者曾考虑一个平面的大洋模式，由给定的风应力和海面的热通量来形成风生热盐环流。

假定水平的与铅直的热扩散达成平衡,即在大洋顶部有一净受热,而后由穿越极地边界的水平向热扩散与其平衡,这样的热扩散意味着形成深水时的热损失。

伴随这个基础温度场,在大洋上层产生一个东向斜压流动,而在其下则形成一个向西的返转流动,两者通过大洋两侧的薄升降流层构成一个封闭环流的。

加在这个热盐环流之上的,便是大洋风生环流。

三、研究展望
对于海洋的研究一直以来离不开物理学知识，而海洋科学家也大多拥有丰富的物理知识，然而从对于上面几点的研究中我们不难看出海洋还有很多未解之谜，等待着后来的海洋科学家去探索。

另外一点，在查阅相关资料论文的过程中我也注意到近现代的海洋学研究中贡献突出者大多是外国人，少有中国人，作为海洋大国，这不能不说是我们的一大痛处。

然而要谈到真正的海洋科技与海洋经济，今天世界各主要国家已经认识到两者的重要性,学术界对于海洋科技的研究也越来越完善。

国外对海洋科技的理论研究已有半个多世纪的历史,而国内的相关研究则是在改革开放以后才正式开始,但是在近年来取得越来越丰富的成果，所以我们有理由相信中国对于海洋的研究总有一天会领先于世界。

参考文献：
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