第七讲海洋环流
海流的定义
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•：对在广阔的空间、长期持续的海水运动取平均状态时，较大的流速就往往出现在细长延伸的海域中，海流即泛指该海域及其周围流速较快的那部分而言。
•习惯上将海流的水平运动分量称为海流，而其铅直分量称为上升流和下降流。
•大洋环流一般是指海域中的海流形成首尾相接相对独立的环流系统或体系
海水的运动
•基于其驱动机制，海流可分为两种基本流动：风生流和密度流
•风驱动的表层和近表层海流和密度驱动的次表层的海流
•风生海流涉及到10%的表层海洋
•对次表层海流我们知之甚少
海流的分类•
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道流、东西边界流等
海流的描述方法
•描述方法：
拉格朗日方法——
欧拉方法——
•目前的研究中多采用欧拉方法来测量和描述海流
•海流流速单位为m/s，流向以地理方位角表示，指海水流去的方向，北向定义为00
影响海流的因素
•海水的流动同海水密度的分布关系密切。
•由于海水密度的分布基本上取决于水温的分布，所以有时可以根据水温的分布情况来确定海水流径的大体位置。
•举例说明？
海流的成因
•海流形成取决于三个驱动力的相互作用的结果：风应力、压强梯度力和科氏力
•风应力：由风产生的海面水分子和运动空气之间的摩擦力
•风应力可以驱动海流和海浪，风应力的大小与风速的平方成正比•热量→温度→密度→压强梯度力
•水平压强梯度力=（Pa-Pb）/x
•太阳和月球的引潮力引起的潮流，与大洋环流没有直接关系
海流运动规律•运动遵循海水的下列基本规律：
牛顿运动定律—运动方程
质量守恒定律—连续方程
边界条件和初始条件
海水运动方程
•单位质量的海水遵循牛顿第二定律•作用于海水上的力
引起运动的力：重力、压强梯度力、风应力、引潮力等
运动后产生的力：科氏力、摩擦力等•方程闭合乎？，线性乎？
∑=i F dt
V d G G
海水运动的最基本形式--地转流•水平压强梯度力与科氏力取得平衡时的定常流
动，称为地转流
•地转流是海水运动的最基本形式
密度流和倾斜流C F 密度小密度大
海面海面F
C 形成一个由外向里的地转流
形成一个由里向外的
地转流
地转流近似
•作用于海水的力除压强梯度力和科氏力外，还有如摩擦力、惯性力等。
•除边界层的大部分海域中，水平压强梯度力与科氏力大致处于地转平衡状态
•就海水长期平均的定常运动而言，可认为地转流近似成立
卫星高度计应用—动力学高度
地转流的流向？
风生Ekman 表层漂流••••
风向
Ekman漂流•
•从理论上讲，表面流向右偏离风向450，但实际上要小于该角度。
•深度增大时，流速迅速减小，流向相对于风矢量逐渐右偏
•当流速与表面流速方向相反对应的深度称为摩擦深度。
•Ekman层深度典型值20-60m,低纬度海区较大
•漂流的整体输送方向在顺着风应力方向向右偏转90度
Ekman流与大洋环流
Ekman输送和Ekman泵•Ekman输送使得海水在某些海域辐聚，另外某些海域辐散，从而在Ekman层底部产生铅直方向的速度，使海水流入或流出Ekman层，这种现象称为Ekman泵。
Ekmam漂流与上升流和下降流
上升流与下降流
•由Ekman漂流理论，与岸平行的风能导致岸边海水最大的辐聚或辐散，从而引起表层海水的下沉或下层海水的涌升
•上升流提高生物生产力，有利于渔业生产
•冷水上升将改变局地天气，易于形成海雾、大气稳定、少雨
•美国加利福尼亚和秘鲁沿岸是著名的上升流区
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下图为海表温度图，可否看出上升
流？风向？
上升流与下降流•台风（热带气旋）经
过的海域表层观测到
“冷尾迹”（？）
•台风眼是一个低压中
心，风向如何？
低压
世界大洋环流
•什么驱动了世界大洋环流？
•风驱动？
•赤道逆流存在，西边界流强化？•太平洋的黑潮和大西洋的湾流
海面高度
世界大洋环流•Sverdrup（1947）说
明上层海洋环流与风应
力旋度有关
•Stommel（1948）说
明大洋环流的不对称性
与科氏力随纬度变化有
关
•Munk（1951）考虑大
洋边界的侧向摩擦力说
明了太平洋的西向强化
问题
•上述三人奠定了大洋环
流理论的基础
黑潮流系
•黑潮：从台湾南端到日本太平洋沿岸35ºN •黑潮续流：从35ºN到160ºE附近的海流
•北太平洋流：160ºE以东的海流
西向强化边界流—湾流（Gulf Stream）
西向强化—湾流（Gulf Stream）•
西向强化边界流—湾流（Gulf Stream）•
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速可达2.5m/s，最大流
速偏于流轴左方，影响
深度可达海底
西向强化边界流—湾流（Gulf Stream）•
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大洋中尺度涡
（mesoscale eddies）
•大洋中尺度涡
•世界大洋中尺度涡的动能分布极不均匀，例如在北大西洋和北太平洋西边界强流区，其动能约为东边界流区和弱流区的10倍
•中尺度涡的动能主要集中在表层，但它影响的深度极大，是一个深厚的系统
Ring formation (涡的形成)
暖涡和冷涡的形成
大洋中的中尺度涡
观测表明：湾流北部的暖涡一般呈顺时针旋转，而南部的冷涡逆时针旋转
世界大洋环流
赤道流系
•南北赤道流：与两半球信风带对应的分别为西向的南赤道流和北赤道流，亦称信风流
•赤道流是高温、高盐、高水色和透明度大为特征的流系。
赤道流系主要局限在表面以下到100~300m的上层，平均流速为0.25~0.75m/s
•印度洋的北赤道流主要受季风控制。
在赤道区域的风向以经向方向为主。
•赤道逆流：在南北信风流之间与赤道无风带（3º~10ºN）相对应的是一支向东运动的赤道逆流，流幅约300~500 km
•相对于赤道流而言，赤道逆流区具有高温低盐的特征
•赤道潜流：在太平洋南赤道流区赤道下方的温跃层内，有一支与赤道流方向相反由西向东的流动，宽约300km，最大流速达
1.5m/s，流轴心在海面下约100m
西边界流
•大洋西侧沿大陆坡从低纬到高纬的流，包括太平洋的黑潮与东澳流；大西洋的湾流与巴西流；印度洋的莫桑比克流
西风漂流
•与南北半球盛行西风带相对应的是自西向东的强盛的西风漂流•西风漂流包括：北太平洋流、北大西洋流和南半球的南极绕极流•在西风漂流区内存在着明显的温度经线方向梯度，这一梯度明显的区域称为大洋极锋
•在南北半球西风漂流区内，气旋活动频繁，海况恶劣，特别在南半球的冬季，有“咆哮45度”、“咆哮好望角”之称
东边界流
•太平洋的加利福尼亚流、秘鲁流
•大西洋的加纳利流、本格拉流
•印度洋的西澳流
上升流是东边界流海区的一个重要海洋水文特征，这是由于信风几乎常年沿岸吹。
•由于来自高纬海区的寒流，使上方的大气层结稳定，利于海雾形成，干旱少雨（为什么？）
极地环流•北冰洋中的环流
•南极海区环流
•东风环流与南极绕极流之间，由
于动力作用形成南极辐散带
（？），是广阔的上升流区
•东风环流与南极陆地间形成辐聚
下沉（？），是南极陆架表层水
下沉的动力学原因
副热带辐聚区
•在南北半球反气旋式大环流的中间海域，流速不定且流速很小，表层海水辐聚下沉，称为副热带辐聚区（？）•副热带辐聚区将大洋表层盐度最大、溶解氧含量较高的温暖表层水带到表层以下，称为次表层水
•该区具有世界大洋中最高的水色和最大的透明度，生产力最低，故有“海洋沙漠”之称
深海循环•
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深海环流•
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