物理海洋学 风生流动

物理海洋学名词01．001 海洋科学（ocean science）研究发生在海洋中的各种自然现象和过程及其变化规律以及与海洋开发利用有关的知识体系。

它的研究对象是占地球表面积71%的海洋，包括海水，溶解和悬浮于海水中的物质，生活于海洋中的生物，海底沉积和海底岩石圈，以及河口海岸带和海-气界面及其上的大气边界层等。

01．002 海洋学（oceanology）海洋科学的简称。

01．003 物理海洋学（physical oceanography）狭义而言，物理海洋学是运用物理学的观点和方法研究海洋中的力场，热盐结构，以及因之而产生的各种机械运动的时空变化，海洋中的物质交换，能量交换和转换的科学；广义而言，物理海洋学是以物理学的理论、方法和技术，研究海洋中的物理现象及其变化规律，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。

01．013 区域海洋学（regional oceanography）综合地研究一个海区中各种海洋现象的科学，是海洋科学的一个分支科学，也是世界自然地理学的一个组成部分，与描述海洋学（descriptive oceanography）类似。

01．020 洋（ocean）海洋水圈中的中心主体部分。

01．026 海(sea)海洋水圈的边缘附属部分称为海。

01．032 上层（epipelagic zone）海洋层结（层状结构）中被太阳辐射加热的水层，温度较高，密度较小，混合较均匀，厚约100米。

01．033 中层（mesopelagic zone）海洋层结中的过渡层，在上层以下，厚度约为1 000~1 500米的水层。

温度、盐度、密度一般具有一个很大的跃层，有时具有多个跃层。

01．034 深层（bathypelagic zone）海洋层结中中层以下的温度、盐度、密度均匀的水层。

亦称下均匀层。

02．001 海洋水文学（marine hydrography, marine hydrology）是关于海水起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和运用这些规律为人类服务的知识体系，是水文科学的一个分支。

第十届全国大中学生海洋知识竞赛知识点（物理海洋）第十届全国大中学生海洋知识竞赛知识点知识点：潮汐现象是海洋中普遍存在的自然现象，是海水在天体引潮力作用下所产生的周期性运动，习惯上把海面的升降称为潮汐，而海水在水平方向的周期性流动称为潮流。

知识点：通常把由北赤道流和南赤道流跨过赤道的部分组成的、沿南美北岸的流动称为圭亚那流和小安的列斯流，经尤卡坦海峡进入墨西哥湾以后称为佛罗里达流，佛罗里达流经佛罗里达海峡进入大西洋后与安的列斯流汇合处视为湾流的起点。

此后它沿北美陆坡北上，到35°N附近，离岸向东，直到45°附近的格兰德滩以南，海流都保持在比较狭窄的水带内，此段称之为湾流。

湾流是世界海洋中流速最大、影响深度最深的最强大的暖流。

知识点：水色三要素为总悬浮物、叶绿素和黄色物质。

知识点：当月相为新月、满月时，月球、太阳和地球在一条直线上，两天体产生的天体引潮力方向相同，使潮汐增强，潮差出现极大值，称为天文大潮或朔望潮；当月相为上、下弦月时，月球和太阳引潮力方向接近正交，几乎没有叠加效应，故潮差达极小值，称为小潮或方照潮。

知识点：海水的比热容是1千克海水温度升高1℃所吸收的热量。

海水比热容较大，是空气的4倍。

由于海水密度远大于空气密度，1立方米海水温度变化1℃的热量，能使大约3100立方米大气产生1℃的变化，因此海洋水温较气温变化缓慢滞后，其日变化幅度远小于气温的日变化。

知识点：地球表面上平均温度最高的纬向带状称之为热赤道，平均在7°N左右。

知识点：同10题。

知识点：太平洋和大西洋上层南北副热带海区均存在一反气旋式水平环流，在亚北极海域存在一气旋式水平环流。

在副热带流环中，在大洋的西边界处出现海流流幅变窄，流层加厚和流速增大的现象，称之为西向强化。

该处的海流称之为西边界流，是海洋中的强流区。

北半球的西向强化现象比南半球更为显著，即北半球的西边界流强于南半球。

黑潮和湾流分别是北太平洋和北大西洋中的西边界流，也是两大洋中最强的洋流。

水的运动理论知识点总结水的运动是指水体在地球表面或地下流动的过程。

水的运动具有广泛的影响，包括地质、气候、环境和生态系统等方面。

在水的运动过程中，涉及到各种物理、化学和生物学的知识。

本文将从水的运动机制、类型、影响因素和应用等方面进行总结与展望。

一、水的运动机制1. 重力作用水的运动受到重力的作用。

重力是地球引力的体现，它使得水体沿着地表或地下向低处流动。

在地球上，重力引起的水的运动是普遍存在的。

重力还产生了地形的影响，包括河流、湖泊和海洋等地体地貌的形成和变化。

2. 水的密度和温度水的密度是水体运动的重要因素。

密度的不同会产生水流的运动。

冷水密度大，沉入水体底部；热水密度小，浮在水面上。

这种密度差异引起了水环流的产生。

此外，水的温度也会影响水流的速度和方向。

3. 蒸发和降水蒸发和降水是水的运动机制的重要组成部分。

地球上的水不断蒸发，成为水蒸气，随后降为降雨或降雪。

蒸发和降水的过程使得水循环不断进行，影响着地表水体和植被的生长发育。

4. 海洋和大气运动海洋和大气运动是地球上最大的水循环系统，包括洋流、风、雨等现象。

海洋运动是由于地球的旋转和太阳热量的不均匀分布所引起的。

大气运动则是由于地球自转和地转偏向所引起的。

这些海洋和大气运动对地球的气候和环境有着深远的影响。

二、水的运动类型1. 表面水流表面水流是指水在地表流动的过程。

这种水流包括河流、湖泊、洪水和冰川等。

表面水流对地表地貌和植被的生长产生了很大的影响。

2. 亚表面水流亚表面水流是指水在地下流动的过程。

这种水流主要包括地下水、泉水和热水等。

亚表面水流对地下水资源的开发和利用产生了重要的影响。

3. 海洋运动海洋运动是指海水在海洋中的运动过程。

这种水流包括洋流、海浪、潮汐和海水温度分布等。

海洋运动对全球气候和环境具有重要的影响。

4. 大气运动大气运动是指大气中水蒸气和气体的运动过程。

这种运动包括风、风暴、暴雨和降雪等。

大气运动对地球气候和环境有着重要的影响。

海洋环流是研究风引起的海流和密度分布不均匀所产生的密度流、大洋环流中流旋的生成和分布、大洋环流西向强化、海流的弯曲和变异、近赤道地区的流系结构、南极绕极流，大洋热盐环流，深海环流和与主跃层的关系，海水的辐散和辐合运动与升降流及朗缪尔环流等的关系，中尺度涡及其能量转换，冰漂流等特殊的流动现象，海洋对风应力等的反应，以及近岸海区的环流等等；海域间的海流活动受太阳辐射、海水热力学、大气环流、海冰动力、地球旋转以及海洋深度等因素影响。

海洋环流可分为相互影响和作用的水平流和垂直流。

海水有独特的物理特征，对海洋洋流产生重要影响，水是高热容量物质，因此海洋对温度的突然变化不敏感，海洋也由此能够吸纳、存储和传输大量的太阳热能。

从海洋表面到2米深的海水吸纳的热量几乎等于整个大气层吸纳的热能总量。

海流的定向流动使之有助于在大范围内控制气候模式和季节变化。

例如，从热带大西洋流向美国东部的墨西哥城流(Gulf Stream)，可将大约30～140斯维尔德鲁普(Sv=1×104m 3/s)的海水输送到较高纬度的北大西洋，其携带的热能(约等于1 000个发电站生产的能量)也随之输送到位于北大西洋的欧洲，墨西哥暖流和盛行的西风对创造欧洲大陆温暖的环境条件具有重要作用，墨西哥暖流还对幼体生物的分布、海洋生物洄游产生重要影响，也是百慕大群岛生息着珊瑚礁的主要原因。

在南半球，南极绕极流是能量最强的洋流，其平均流量达到1305v.海水富含数亿年来大陆径流携带人海的溶解矿物质，其含量可用千分之一(ppT)盐度定量。

海水的平均盐度为35ppt。

海水密度取决于海水盐度和温度，盐度越高或水温越低，海水密度越高。

海水密度指标是影响海水是否沉降的主要指标。

因此，海水温度和盐度是影响全球海流垂直流动的重要因素，由温度和盐度引起的海水垂直补偿流又称热盐流。

热盐流受控于海洋表面的温热高盐海水和底部冷流回流的控制。

通常，太阳的大部分辐射能只能照耀在赤道附近到中纬度的区域(20°S-20°N)，然后受海洋季风和地球转动的共同影响才能向极地方向输送表面温热的海水。

物理海洋学中的海洋流体力学与动力学研究物理海洋学是研究海洋物理现象的学科，其中海洋流体力学与动力学作为重要的研究内容之一，对于我们深入理解海洋的运动和变化具有重要的意义。

本文将介绍海洋流体力学与动力学的基本概念、研究方法以及相关应用。

一、海洋流体力学的基本概念海洋流体力学是研究海洋中流体运动规律的学科，通过研究海洋中的流体运动现象，揭示海洋运动的动力学原理。

在海洋流体力学中，流体可以被视为不可压缩、粘性流体，并且满足牛顿运动定律。

1. 海洋中的流体运动海洋中的流体运动包括水平运动（洋流）和垂直运动（上升、下沉）。

水平运动主要由流体的惯性和外力（如风力、地转效应等）共同驱动，而垂直运动则由海洋中的密度变化引起。

这些运动对于物质的输送、能量的转换和海洋生态环境的演化具有重要影响。

2. 海洋流体的基本特性海洋流体具有惯性、旋转、不可压缩以及表面张力等特性。

惯性使得海洋流体具有慢变性、惯性传输和维持运动状态的能力；旋转则使得海洋中出现各种尺度的涡旋结构；不可压缩性要求流体在水平方向上体积保持不变；表面张力则影响了海洋表面波浪的形成和传播。

二、海洋动力学的研究方法海洋动力学是研究海洋运动的力学过程和机制的学科，主要包括描述海洋流体运动的方程、建立数值模拟模型以及开展实验观测等方法。

1. 速度场和动量方程速度场描述了海洋中流体的速度分布，是研究海洋动力学的基础。

通过建立速度场的方程，可以推导出描述海洋流体运动的动量方程，揭示海洋流体受力和受压力梯度的关系。

2. 数值模拟模型数值模拟模型是开展海洋动力学研究不可或缺的工具，可以通过数值计算的方式模拟和预测海洋的运动和变化。

常用的数值模拟模型包括有限差分模型、有限元模型和谱方法等，它们可以对不同尺度、不同时间范围的海洋物理过程进行模拟和预测。

3. 实验观测方法实验观测是验证和改进海洋动力学理论的重要手段。

通过在海洋中布置观测装置进行水文、气象和流速等参数的实时观测，可以获取真实的海洋数据，为海洋动力学研究提供重要的实验基础。

物理海洋实验讲义海洋环境学院2008年3月目录物理海洋实验的概述物理海洋实验的基本设备实验1 风浪水槽平均风速测量实验2 水槽风浪波面位移的测量和分析实验3 海-气边界层的测量和分析实验4 水下压力波动的测量与分析实验5 科氏力实验实验6 泰勒柱实验实验7 Rossby波的实验模拟物理海洋实验的概述一．引言众所周知，物理海洋学是流体力学的一个重要分支，是研究海洋流体和地球流体动力过程的一门学科。

物理海洋学本身又是以应用和实践为主的学科，其研究方法可分为理论研究、数值模拟、实验研究和海洋调查。

各者互为补充，又不可代替。

其中实验研究是物理海洋学的不可忽略的重要组成部分。

它的研究范围遍及物理海洋学的各个领域，对物理海洋学地发展起着关键性的作用。

二．物理海洋实验和海洋调查从广义上讲，现场海洋调查也属于实验研究的范畴，所不同是，海洋调查直接探测的对象是真实的海洋，而实验研究大多在实验室模拟环境下进行。

海洋现场调查是研究海洋的重要方法，是直接获取海洋资料的主要途径。

但是海洋调查有局限性：1）属于被动观测，无法控制环境条件，无法重复现象和过程。

2）对于有些非静态的变化过程或者大尺度现象，仅靠有限的海上单点时间序列的现场观测是无法全面了解的。

3）近代海洋卫星遥感技术虽然可以大范围观测海洋，但是对于海洋内部的过程仍然无法直接观测到。

4）海上条件复杂和恶劣，且观测费用昂贵，不易采用系统的和精密的、重复的观测手段。

相比之下，实验室物理模拟研究的优点是：1）可以控制实验条件，如背景风和背景流。

2）可以重复再现海洋现象和过程；3）可以运用各种先进技术手段，精细的、全面的观测；4）可以观察到现象的内部规律，比如内波、毛细波、Rossby波、海洋湍流、贴水面边界层、水下水质点运动等等。

三．物理海洋实验研究的主要任务1．研究海洋运动中的新现象和相应的基本规律，探索相应的基本规律在物理海洋学研究的许多分支中心的发现和重大研究成果不断涌现。

物理海洋学中的海洋混合与边界层研究物理海洋学是研究海洋物理现象和过程的学科，其中包括海洋混合与边界层的研究。

海洋混合是指不同密度海水的混合过程，而边界层是指海洋与大气或海底之间的交界层。

本文将详细探讨物理海洋学中的海洋混合与边界层研究。

一、海洋混合的原因与机制1. 热量与盐度驱动的混合海洋混合通常由热量和盐度的差异驱动。

当两个不同温度或盐度的海水质量接触时，会形成密度梯度。

由于重力作用，海水会从密度小的区域流向密度大的区域，导致海洋混合。

2. 风驱动的混合风对海洋表面推动形成风生波浪，波浪在水体中传播时也会产生湍流，进而引起混合。

此外，风还会对水体施加压力，使得深层的海水被迫上升，与表层海水混合。

3. 水体间的摩擦混合当两个不同速度的水体相互接触时，会产生剪切力和湍流，使得两者混合。

例如，当洋流与深层水体相遇时，由于速度和方向的差异，会引起混合。

二、海洋边界层的特点与研究方法1. 大气-海洋边界层大气-海洋边界层是指海洋表面与大气之间的交界区域，受到风、温度、湿度等因素的影响。

研究大气-海洋边界层有助于深入了解海洋气候变化及其对气象和气候系统的影响。

2. 海底边界层海底边界层是指海底与海水之间的交界区域。

海底边界层的研究可以帮助我们了解海洋底部沉积物的运动、物质交换以及海底生态系统的形成与变化。

研究海洋混合与边界层的方法主要包括实地观测和数值模拟。

实地观测常用的方法包括使用浮标、固定测站、声学探测等来获取海洋混合和边界层的相关数据。

这些数据可以提供实时、具体的观测结果，对于深入研究海洋混合过程和边界层的变化具有重要意义。

数值模拟通过构建数学模型，模拟海洋混合过程和边界层的变化。

通过在计算机上运行这些模型，可以预测海洋混合和边界层的演变，并且可以模拟各种不同条件下的实验。

通过实地观测和数值模拟的综合研究，我们可以更全面地了解海洋混合与边界层的性质、机制和变化规律，为海洋环境、气候变化等问题提供重要参考。

风生环流：Stommel 环流和Sverdrup 平衡 我们开始回到旋转地球上一层均匀流体的流动方程。

x du h F fv g ru dt x ρ∂−=−−+∂ y dv h F fu g rv dt y ρ∂+=−−+∂ [()][()]0h u H h v H h t x y ∂∂∂++++∂∂∂=，其中 d u v dt t x y ∂∂∂≡++∂∂∂ 我们回想流体底部是，自由面是z=h 。

为了简化，我们定义D 是流体的总深度：D=H+h 。

因为流体底部不随时间变化，我们可以把第三个方程中h 随时间的变化变为D 随时间的变化。

接下来我们定义涡度。

z H =−一个与剪切和旋转有关的运动要素，重要的流体特性，涡度ζ。

定义如下： v ξ≡∇× 它是向量，但是我们这里考虑涡度的垂直分量，它是 (z v u x y ξ∂∂=−∂∂ 这个量取决于流体的剪切，而不是流体本身。

将看到它是重要的瞬时值。

首先从上述方程看出动量会随着流体质点变化，在外力，摩擦，压强梯度里作用下。

考虑到涡度是可以去掉非守恒性，因为当你将第二个方程对x 微分，第一个方程对y 微分，将两式相减，与压强梯度有关的相被去掉。

我们不推导下面的公式，你可以自己推[事实上这是个新的作业]，但是用上面的步骤和涡度的定义，和上面三个方程，我们可以得到下面不用任何关于科氏参数是常数的假设（除了对时间!）：11()(z y x x y h d f r r F F F dt D D D D D ξξξρρ⎡⎤+=−+−=−+∇×⎢⎥⎣⎦)G 在没有摩擦或外力时，量值[()/]f D ξ+守恒，现在我们去掉了已经假设的垂向角标“v ”。

这个量值被称作位势涡度，是物理海洋中的最基本的变量之一。

它会被摩擦和外力（如风应力）旋读改变，其他情况下守恒。

它很重要，以至于被叫做卡通人物“呆伯特”（参见课堂展示的图片）。

就是说，在没有外力（或摩擦）时，流体会沿海洋中的等深线运动。

第11章风生海洋环流是什么驱动洋流呢？起先，我们也许会回答是风驱动环流。

但是如果我们自习考虑这个问题，我们也许就不那么确定了。

举个例子，我们会注意到，像在大西洋和太平洋上很强的北赤道逆流是逆风流动地。

在16世纪西班牙航海家就注意到沿佛罗里达海岸的北向流动的强大洋流似乎与风没有关系。

这是怎么产生的？还有，为什么强大的洋流在东海岸海面上出现而不再西海岸海面上出现呢？问题的答案在1947－1950发表的三篇著名论文中能找到。

首先，Harald Sverdrup(1947)表明海洋表层大约1km的环流与风应力旋度有直接关系。

Henry Stommel(1948)表示：由于科氏力随纬度变化，在大洋涡旋的环流是不对称的。

最后，Walter Munk(1950)加入了涡旋粘滞性并计算了太平洋上层的环流。

这三位海洋学家一起奠定现代海洋环流理论的基石。

11.1Sverdrup海洋环流理论(Sverdrup’s Theory of the Oceanic Circulation)当Sverdrup在分析对赤道流的观测结果时，他突然想到把风应力旋度和海洋上层的质量传送联系起来。

为了找到这种关系，Sverdrup假定：流动是固定的，测向摩擦和分子粘滞性很小，并且靠近海面的湍流可以用涡旋粘滞性描述。

他进一步假设：流动是斜压的，风生环流在某一没有运动的深度消失。

由(8.9 and 8.12)动量方程的水平部分为：Sverdrup对这两个方程从海面到深度－D进行积分，－D等于或大于水平压强梯度力变为零的深度。

他定义：其中Mx和My是风驱动层的质量传输，风生层一直伸展到假定的无运动层。

在海面水平边界条件是风应力，在－D深度边界风应力为零,因此洋流变成零。

其中Tx和Ty是风应力的水平分量。

用这些定义和边界条件，(11.1)变为：用同样的方法，Sverdrup对连续方程(7.19)在同样的垂直深度上积分，假设在海面和深度－D处垂直方向上速度为零，得到：(11.4a)对y求微分，(11.4b)对x求微分，两式相减，再利用(11.5)可得：(T)是风应力旋度的垂直分量。