第五章 海洋环流.

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1 第五章 海洋环流

2 一、定义及分类 1.海流：海水大规模相对稳定的流动。 2.分类 按成因分：密度流，风海流，补偿流 按受力分：地转流、惯性流；
按发生区域：赤道流，陆架流，东西边界流等； 按运动方向：上升流，下降流； 按海流温度与周围海水温度差异分：寒流，暖流等

3 二、影响和产生海流的力 引起海水运动的力：重力，压强梯度力，风应力，引潮力 海水运动后派生的力：科氏力，摩擦力
1 重力：地心引力与地球自转产生的惯性离心力的合力。习惯上将单位质量物体所受重力称为重力加速度，以g表示。与纬度和海水深度有关:海面上赤道到极地差为0.052m/平方米,在中纬度，海面与10km深处的差为0.031m/平方米。因此，在海洋研究中，一般视其为常数9.8m/平方米 重力势：从一水平面逆重力方向移动物体到另一高度所做功。 等势面：位势相等的面叫等势面。 水平面: 处处与重力垂直的面。 海平面：海洋表面的平均位置。

4 2、压强梯度力 等压面：压强相等的面。 压强梯度力：水体所受静压力的合力； 单位质量水体所受的静压力的合力：与等压面垂直，指向压力减小的方向。即与压强梯度方向相反。 正压场：等压面与等势面平行 斜压场：等压面相对等势面发生倾斜时。 海洋内压场：由海洋中密度差异形成的斜压状态。在海洋上部斜压性很强。 外压场：外部原因（风、降水、江河径流）引起海面倾斜产生的压力场。 3、风应力：切应力，将大气动量输送给海水，目前，只能以经验公式给出 4、科氏力：因为地球自转而产生的偏转力 5、摩擦力：分子粘性力和湍流粘性力

5 三、海水动力学方程 （一）地转流 均匀海洋中地转流 1、地转流定义：压强梯度力水平分力与科氏力达到平衡时的稳定流动。 2、特点：
１）地转流流速大小与等压面和等势面的夹角的正切成正比，与科氏参量成反比； ２）沿两面的交线流动,北半球流向偏在压强梯度力水平分力右方90度； ３）在北半球，面向流去的方向，右面等压面高，左面低。 ４）内压场引起的等压面倾斜主要体现在海洋的上层，随深度增加而减小。外压场引起的等压面倾斜则直达海底。 二层海洋中地转流 １）等压面倾斜与等势面倾斜方向相反，若上层流速小于下层流速，倾斜方向相同。 ２）流向沿三面交线流，且面向流去方向右面密度小，左边大。右边温度高，左边低。

6 （二） 风海流(Wind Driven Current)
无限深海风海流（亦称漂流）(Wind Driven Current of DeepSea/Drift) 艾克曼(Ekman)于1905年根据南森在北冰洋考察时发现冰的漂流方向与风向不一致。 1、定义：海水摩擦力(friction)和科氏力(Coriolis)平衡时的稳定流动。 假定：I.均匀；II.海区无限宽广，海面无起伏；III.风场均匀，只沿x方向吹；IV.只考虑垂直涡动粘滞系量引起的水平方向的摩擦力，且视为常数；V.科氏力不随纬度变化。 2、空间结构： １）表层流速最大，流向偏向风向的右方45度； ２）随深度增加，流速逐渐减小，流向逐渐右偏； ３）至摩擦深度，流速是表面流速的4.3%，流向与表面流向相反，可忽略； ４）连接各层流速的矢量端点，构成艾克曼螺旋线(Ekmanspiral)。

7 浅海风海流 水深越浅，从上层到下层的流速矢量越是趋近风矢量的方向。 风海流体积输运 无限深海风海流垂直风向输送，北半球在风向的右边，南半球相反。浅海风海流存在岸、底摩擦，在x,y方向都有输送。 风海流的附效应 升降流： 1)顺岸风 2)气旋与反气旋 3)辐散、辐聚带等引起

8 （三） 惯性流 科氏力和加速度达到平衡，流速、流向，水质点运动是等速圆周运动 对方程式积分： 1.轨迹是圆形 2.半径为：与纬度有关。 3.周期： 4.频率： 5.北半球为顺时针旋转，南半球相反。 6.中纬度惯性流：周期为17-18h，半径1-10km.

9 四 大洋环流及水团结构 （一）大洋环流的成因 风生大洋环流：风应力驱动，密度差异控制建立起的环流。 西向强化理论.科氏参量随纬度变化。
Stommel理论：1948,风应力、铅直湍切应力及科氏力等的平衡关系。将大洋视为等深矩形风应力随纬度变化。 Munk理论：1950,考虑均质大洋边界侧向摩擦力作用，将北太平洋为三角形，得到与实测海流相似的结果。

10 热盐环流：密度差驱动的环流（包括风、热通量、水通量及海洋内部混合等）
由温、盐变化引起的环流。相对而言，在大洋中下层占主导地位。 大洋主温跃层稳定性： 低纬海区有净的热输入，表明深层有冷水上升，有效阻止热量从表面向下扩散。使跃层深度保持稳定。

11 （二）海洋表层环流的地理分布 1、副热带海区反气旋式环流(Anticyclone circulation)： 太平洋(Pacific)、大西洋(Atlantic)：南半球和北半球都存在。 印度洋(Indianocean)南半球与大西洋(Atlantic)和太平洋(Pacific)相似，北半球冬夏环流形式受季风影响不同，冬半年是反气旋式环流，夏季则消失。 2、气旋式环流(cyclonalcirculation)： 太平洋和大西洋的亚北极海区受极地弱东风的影响。

12 （三）大洋表层环流各流系的特征 赤道流系(Equatorial current)：
1.南、北赤道流对应信风带，亦称信风流。南北不对称，夏季北赤道流在10°N到20°N—25°N之间，南3°N—10°S之间。冬季稍偏南。赤道流自东向西逐渐加强。 2.赤道流系特征 主要100—300m的上层，平均流速0.25—0.75m/s。下部有强大的跃层存在，跃层以上温暖高盐的表层水。溶解氧含量高，营养盐低。赤道流是高温、高盐、高水色及透明度大为特征的流系。

13 3.印度洋赤道流系特征 主要受季风控制。11月至翌年3月盛行东北季风，5—9月盛行西南季风。 4.赤道逆流 对应赤道无风带，平均位置在3°N—10°N之间。逆流区有充沛的降水，相对赤道流具有高温、低盐特征。它与北赤道流之间存在辐散上升运动，水色和透明度也相对降低。 5.赤道潜流南赤道流区下方温跃层内，与赤道流相反自 西向东的流，成带状分布，厚约200m，宽300km，最大流速达1.5m/s。流轴常与温跃层一致，向东变浅。

14 西边界流 1.大洋西侧沿大陆坡从低纬向高纬的强流。太平洋黑潮和东澳流，大西洋湾流和巴西流，印度洋莫桑比克流。是反气旋环流一部分，赤道流的延续。与近岸水相比，具有高温、高盐、高水色和透明度大等特征。北强南弱。 2.湾流(GulfStream)：佛罗里达流与安的列斯流汇合处视为起点。北上经1200km，到哈特拉斯角，又离岸向东，直到45°W附近的格陵兰滩以南，行程2500km。然后转向东北，横越大西洋——北大西洋流。湾流在海面宽度100—150km，表层最大流速2.5m/s，最大流速偏在流轴左方，沿途流量不断增大，影响深度可达海底。两侧有自北向南的逆流存在。湾流方向左侧为高密冷水，右侧低密暖水，水平温度梯度高达10°C/20km。等密线倾斜渗达2000m以下。绝大部分达海底。有弯曲现象，流轴弯曲足够大，与主流分离，在南侧形成气旋式冷涡，在北侧则形成反气旋式暖涡。空间特征尺度为数百千米，有时存在几年，沿湾流相反方向移动。

15 3.黑潮 菲律宾群岛东侧北上，主流从台湾东侧经台湾和与那国岛之间水道进入东海，沿陆坡向东北方向流动。到九州西南方一部分向北层对马暖流，经对马海峡进入日本海。在此之前也有一部分进入黄海称黄海暖流，具有风生补偿流特征。黑潮主干经吐噶喇海峡进入太平洋，沿日本列岛流向东北。在35°N附近分两支：主干转向东流直到160°E，称黑潮延续体，一支在40°N附近与亲潮汇合转向东流汇于黑潮延续体，横过太平洋。西边界流每年向高纬输送热量，约同暖气团输送热量相等。

16 西风漂流： 1.北太平洋漂流：是黑潮延续体的延续。在北美沿岸附近分为两支：向南一支称为加利福尼亚流，汇于赤道流；向北一支称为阿拉斯加流，它与阿流申流汇合，连同亚洲沿岸南下的亲潮共同构成北太平洋高纬海区气旋式小环流。 2.北大西洋漂流：在欧洲沿岸附近分为三支，中支进入挪威海，称挪威海流；南支沿欧洲海岸向南，称加那利流，在向南与北赤道流汇合，构成北大西洋反气旋式环流；北支流向冰岛南方海域，称伊尔明格流，与东、西格陵兰流及北美沿岸拉布拉多流构成。北大西洋高纬海区气旋式小环流。

17 3.南极绕极流：由于南极海域连成一片，南半球西风飘流环绕整个南极大陆，是一支自表至底、自西向东的强大流动，其上部是漂流，下部为地转流。南极锋位于其中,大西洋和印度洋平均位置为50°S，太平洋位于60°S。极锋两侧海水特性、气候特征有明显差异。极地海区干冷、亚南极海区为极地气团与温带海洋气团轮流控制，季节性明显。 4.南极辐聚带：风场分布不均，低温、低盐、高溶解氧的表层水在极锋向极一侧辐聚下沉。南极绕极流在太平洋东岸向北分支为秘鲁流，大西洋本格拉流，印度洋西澳流。分别在各大洋中向北汇入南赤道流。 5.“咆哮45°”或“咆哮好望角”:频繁的气旋活动，降水量较多，海况恶劣。特别南半球的冬季，风与浪更大。

18 东边界流： 太平洋的加利福尼亚流、秘鲁流，大西洋的加那利流、本格拉流，印度洋的西澳流，都是寒流。他们的流幅宽、流速小、影响深度浅，水色低、透明度小。上升流是东边界流海区的一个重要水温特征。 原因：信风常年沿岸吹，风速分布不均，近岸小，海面大，海水离岸运动。另外，来自高纬海区的寒流，形成大气冷下垫面，上层大气层结稳定，有利海雾形成，因此干旱少雨。与西边界流区具有气候温暖、雨量充沛的特点形成明显的差异。

19 亚北极海流：气旋式环流 大西洋：伊尔明格、东格陵兰、西格陵兰、拉布拉多、西风漂流。 太平洋：阿拉斯加、阿留申、亲潮、西风漂流。 极地环流 北冰洋中的环流：从大西洋进入的挪威流及一些沿岸流。加拿大海盆为一巨大反气旋式环流，从楚奇科海穿越北极到达格陵兰海，部分西折，部分汇入东格陵兰流，把大量的浮冰携带进入大西洋。 南极海区环流：南极大陆边缘一个很窄范围内，极地东风作用，形成一支自东向西绕南极大陆边缘的小环流，称为极地东风环流。与南极绕极流间，形成南极辐散带。与南极大陆间形成海水沿陆架的辐聚下沉，即南极大陆辐聚区，亦是南极陆架表层海水下沉的动力学原因。

20 副热带辐聚区： 反气旋大环流的中间海域，流向不定，流速甚小。表层海水辐聚下沉——副热带辐聚区，把大洋表层盐度最大、溶解氧含量高的温暖水带到表层以下，形成次表层水。 副热带逆流:天气干燥晴朗，风力微弱，海面较平静。海水辐聚下沉，悬浮物少，具有世界上最高的水色和最大透明度，“海洋沙漠”。 马尾藻海：北大西洋20—35°N，40—75°W，透明度最大。又称“马纬度”：南北纬30°，此处无风,运马的船在此处停留，船上的淡水不足，将马赶入海中，后称“马纬度”。 世界大洋上层铅直向环流赤道海区，海水输运有南北分量，导致海水的辐聚下沉与辐散上升运动，由于连续性，在一定深度上形成了经向的次级小环流。所处深度较浅，变动于50—100m之间。使赤道海区表面的热量和淡水盈余向高纬方输送，部分调节了热盐的分布况。

21 （四） 大洋水团及表层以下环流 I.次表层水的运动和分布 1）表层水以下与大洋主温跃层以上的海水。 2）副热带海域的表层水下沉形成的。
3）高盐高温，只能下沉到表层水以下的深度上。 4）大部分水体流向低纬一侧，沿主温跃层散布，少部分流向高纬一侧。 II.大洋冷水区环流 1.中层水的运动 1）南极辐聚区和西北辐聚区下沉的海水形成，带有源地低盐的特征。温度较低，故密度较大，分布在次表层水之下。 2）南极辐聚下沉的海水，温盐特征为2.2°C与33.8，下沉到800—1000m深度上，一边参加南极绕极流，一部分水体向北散布进入三大洋。大西洋可达25°N；太平洋可越过赤道，印度洋在南纬10度。 3）高盐中层水：北大西洋的高盐地中海水（温13°C，盐37）由直布罗陀海峡溢出，下沉到1000—1200m深度上，然后向西、西南和东北方向散布。印度洋中的红海高盐水（温15°C，盐36.5）通过曼德海峡流出，在600—1600m深度上沿非洲东岸向南散布，与南极中层水相遇发生混合。

22 2.大洋底层水的运动 1）源地是南极大陆边缘的威德尔海、罗斯海，其次次为北冰洋的格陵兰海与挪威海等。普遍认为南极威德尔海是南极底层水的主要来源在冬季冰盖下海水（盐34.6，温-1.9°C）密度迅速增大，沿陆坡下沉到海底，一方面加入南极绕极流向东流，一方面向北进入三大洋。主要沿洋盆西侧向北流动。在大西洋可达40°N，与北大西洋深层水相遇，由于南极底层水密度更大，继续潜入海底向北扩散。 2)北冰洋底层水因白令海峡很浅，不可能进入太平洋，只在偶然情况下，少量海水通过海槛溢出而进入大西洋。因此北冰洋底层水处于几乎是被隔绝状态。

23 3.大洋深层水的运动 1）深层水介于中层水和底层水之间，约在2000—4000m的深度上。主要由北大西洋格陵兰南部的上层海洋中形成。东格陵兰流与拉布拉多寒流向该区输送冷的极地水，与湾流混合后下沉（盐34.9，温近3°C）向整个洋底散布。在大洋西部接近40°N，与来自南极密度更大的底层水相遇，在其上向南流去，直到南大洋。 2）贫氧是深层水的主要特征。

24 水团的定义和分析方法 1、水团的定义 源地和形成机制相近，具有相对均匀的物理、化学和生物特征及大体一致的变化趋势，与周围海水存在明显差异的宏大水体。“内同性”“外异性”长期来把温盐特性作为分析水团的主要指标温盐图解判定水团的数目。 2、水团的分析方法 1）定性的综合分析方法（经验法）：定性描述 2）浓度混合分析方法：定量地确定水团边界和混合区 3）概率统计分析法：目前已被应用的主要有海水特征频率分析法，判别分析法、聚类分析法等 4）模糊数学分析方法：隶属函数描述一水体元对水团的隶属度 3、水型和水系 1）水型：性质完全相同的水体元的集合 2）水系：符合一个给定条件的水团的集合。即只考虑一种性质相近即可。“沿岸水系”，“外海水系”，“暖水系”，“冷水系”。

25 4、水团的核心、强度、边界与混合区 核心：有一部分水体是该水团典型特征的代表，即为核心。黄海冷水团“冷中心”特征水平的升降反映水团特征型水平升降。核心位置的变动反映水团位置变动的趋向。 强度：描述水团增强减弱的情况，2种强度指水团占据的空间范围特征水平，如高温水团，升温增强，低温水团，升温减弱。 边界与混合区：兼备内同性与外异性的这部分水体的外包络面。“域”“过渡区”“混合区” 混合带：大面图上，“海洋锋”；断面图上称“过渡层”“跃层” 5 大洋水团 1、表层水：富溶解氧。 2、次表层水：高盐 3、中层水：低盐；高盐中层水：地中海，红海 4、深层水：贫氧. 5、底层水：高密。 6、海洋锋和中尺度涡

26 观测、研究及应用 一、观测手段(Measuring method) 直读式海流计、打印海流计、安德拉海流计、ADCP 1、定点浮标(Anchoredbuoy) 2、漂流浮标(Driftbuoy)argo浮标 3、声学多普勒海流计（ADCP:AcousticsDopplerCurrentProfiler） 4、遥感(Remotesensing)：微波高度计(microwavealtimeter)测表面流。 二、研究(Research) 1、调查资料分析 2、理论研究 3、数值分析 三、应用(Application)：军事、航运、渔业和气候等