海洋科學(xué)導(dǎo)論 第五章

學(xué)習(xí)目的海洋環(huán)流的時(shí)空變化是連續(xù)的，它把世界大洋聯(lián)系在一起，使世界大洋的各種水文、化學(xué)要素及熱鹽狀況得以保持長期相對穩(wěn)定。

通過該章學(xué)習(xí)，掌握海流、環(huán)流的相關(guān)概念、形成原因及其特征，建立全球海洋及中國近海的環(huán)流結(jié)構(gòu)，并了解各流系的主要特征。

第五章、海流第五章、海流第五章、海流第一節(jié)、基本概念第二節(jié)、密度流與地轉(zhuǎn)流第三節(jié)、風(fēng)海流第四節(jié)、波浪流第五節(jié)、大洋環(huán)流第六節(jié)、中國近海的環(huán)流及上升流第一節(jié)、基本概念一、海流的定義與成因1、海流(oceancurrent)：較大尺度范圍內(nèi)的海水具有相對穩(wěn)定的速度，沿水平和垂直方向的流動(dòng)。2、海流的成因大氣海水風(fēng)密度不均勻形成風(fēng)海流直接形成海流太陽輻射能在地球上分布的不均勻性（高壓→低壓）天體引潮力二、海流的分類按成因分：1、風(fēng)海流（wind-drivencurrent）：由風(fēng)的拖曳效應(yīng),或由風(fēng)引起的海面傾斜和海水密度重新分布而形成的海流。2、密度流(densitycurrent)：因海水密度分布不均勻性形成的海水流動(dòng)。3、地轉(zhuǎn)流(geostrophiccurrent)：由于氣壓的分布，或因徑流和風(fēng)等引起的增減水，使海面發(fā)生傾斜產(chǎn)生的海水流動(dòng)，

——傾斜流4、補(bǔ)償流(compensationcurrent)：海流使海水流向它處，由于海水的連續(xù)性，將由另一海域的海水流來補(bǔ)充海水流失，這種補(bǔ)充的海流叫補(bǔ)償流(compensationcurrent)。

水平補(bǔ)償流鉛直補(bǔ)償流上升流：下降流：流場水平輻散導(dǎo)致的海水上升流動(dòng)。流場水平輻聚導(dǎo)致的海水下降流動(dòng)潮流：在天體引潮力作用下，海水呈現(xiàn)就有周期性的水平流動(dòng)。以溫度特性劃分：1、暖流：相對于周圍海水來說，具有較高的溫度，流向：低緯→高緯2、寒流：相對于周圍海水來說，具有較低的溫度，

流向：高緯→低緯近岸特有的海流：1、河川泄流：河川徑流入海，在河口附近的海區(qū)產(chǎn)生的流動(dòng)。2、波浪流：近海岸地區(qū)波浪破碎所形成的水流。

沿岸流離岸流三、海流的表示法：矢量表示法流速：海流的強(qiáng)度單位：節(jié)或cm/s表示流向：海水流去的方向，以度或方位表示箭矢方向——海流的方向，箭矢長度或粗細(xì)（或標(biāo)值）——流速。紅線——暖流，藍(lán)線——寒流第二節(jié)、密度流與地轉(zhuǎn)流一、等壓面和等勢面1、等壓面：海洋中壓力相等的點(diǎn)組成的假想的面。壓力場?等壓面傾斜內(nèi)壓場：海水質(zhì)量分布決定平均密度大，等壓面間距離小密度小——升高外壓場：風(fēng)、氣壓的變化及增水和減水等2、等勢面海洋中所有位勢相同的點(diǎn)組成的面海水沿等勢面運(yùn)動(dòng)，重力不作功。3、海水受力情況：壓強(qiáng)梯度力⊥等壓面↑重力⊥等勢面↓海水密度均勻——壓強(qiáng)梯度力=重力海水靜止密度不均勻

-----等壓面傾斜壓強(qiáng)梯度力（1）垂直分量，⊥等勢面↑；(Fz=g)，(Fx=gtgβ)βFzgβFx（2）水平分量，∥等勢面

←：指向壓力遞減方向，二、密度流密度大密度小北半球22℃23℃24℃25℃30.230.330.430.530.630.7流速的大小，與等值線傾斜的程度成正比22.5℃22.6℃22.7℃22.8℃22.9℃23.0℃T33.233.333.433.533.633.733.8S三、地轉(zhuǎn)流海水密度均勻，等壓面(海面)---等勢面傾斜β角βFzgFxfc

∵Fx=gtgβfc=2ωvsinф∴gtgβ=2ωvsinф地轉(zhuǎn)流的速率-zyx北半球順流而立，右方高南半球相反四、地形對海流的影響隆起地形：北半球上坡，向右偏轉(zhuǎn)（順時(shí)針）下坡，向左偏轉(zhuǎn)（逆時(shí)針）南半球方向相反第三節(jié)、風(fēng)海流一、風(fēng)海流的受力分析3、下層海水阻力1、風(fēng)的切應(yīng)力2、地轉(zhuǎn)偏向力艾克曼（Ekman）風(fēng)海流理論二、無限深海的風(fēng)海流——漂流假設(shè)：1、海水密度均勻分布；2、穩(wěn)定均勻的風(fēng)長時(shí)間吹刮于無限寬廣、無限深的海洋上，海面不發(fā)生升降；3、只考慮湍流粘滯系數(shù)引起的水平摩擦力；4、不考慮地轉(zhuǎn)偏向力隨緯度變化。結(jié)論：1.深海中，表層流的方向在北半球偏于風(fēng)向右邊45°，南半球偏左。偏向不隨風(fēng)速、流速和緯度變化。2.表層流流速與風(fēng)速和所在地理緯度有關(guān)：V：表層流的流速〈米/秒〉；U：風(fēng)速〈米/秒〉；Φ：緯度；0.0127：經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)----風(fēng)力系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速大于6m/s以上時(shí)，流速經(jīng)驗(yàn)公式：艾克曼螺線艾克曼螺旋3.風(fēng)海流的速度和方向隨水深變化：3.風(fēng)海流的速度和方向隨水深變化：流速隨深度增加按指數(shù)規(guī)律減??；流向隨深度增加逐漸向右(北半球)，到摩擦深度[D]

，流速為表層流速4.3%±。摩擦深度[D]：流向與表層流向相反的深度，

---------無限深海漂流所及深度。摩擦深度D與緯度、風(fēng)速的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：風(fēng)速愈大，表層流速度愈大，影響深度愈深。相同風(fēng)速，表面流速及風(fēng)海流影響深度，隨緯度增高減小。赤道底層無逆流。風(fēng)海流到達(dá)不同深度所需的時(shí)間不一致，幾小時(shí)-----幾個(gè)月三、淺海風(fēng)海流表面流方向與風(fēng)向交角比無限深海小，流向隨深度變化較緩。水深越淺，表面流與風(fēng)向右偏角越小，從上層到下層流速矢量越趨近風(fēng)矢量。理論計(jì)算：h/D≥2時(shí)，無限深海。四、海岸對風(fēng)海流的影響海流與海岸垂直相遇，分為兩支反方海流；海流與海角垂直相交，分為兩股流；兩股垂直向岸的海流，兩者間產(chǎn)生一反向逆流。1、風(fēng)海流的體積運(yùn)輸五、風(fēng)海流的體積運(yùn)輸及副效應(yīng)深海：海水的運(yùn)輸方向⊥風(fēng)向，北半球向右淺海：海水的運(yùn)輸方向與風(fēng)向偏角<90°，深度越小，偏角越小。五、風(fēng)海流的體積運(yùn)輸及副效應(yīng)1、風(fēng)海流的體積運(yùn)輸風(fēng)海流的水量運(yùn)輸，導(dǎo)致海岸附近增、減水產(chǎn)生與風(fēng)向一致的傾斜流和密度流。2、上升流與下降流：風(fēng)摩擦深度和底摩擦深度形成兩個(gè)相反方向的海水運(yùn)輸----垂直環(huán)流。一邊---下降流，另一邊---上升流環(huán)流水層：200-300m

風(fēng)向與岸成21.5°，產(chǎn)生的升降流最大。緯度愈低，升降流愈強(qiáng)升降流形成的其他因素：北半球強(qiáng)大氣旋反氣旋上升流下降流中心順時(shí)針環(huán)流反時(shí)針環(huán)流下降流上升流中央第四節(jié)、波浪流

1、沿岸流

波浪斜向海岸入射時(shí)，在破波帶形成的大致平行于海岸的水流K：海底摩擦系數(shù)i：海底的坡度α：波峰破碎時(shí)波峰線與岸線的交角hb：破碎水深H、T：波浪破碎前瞬間波高和周期2、離岸流

近岸破碎的波浪帶入破碎區(qū)的大量海水經(jīng)破碎帶重新返回海洋的流。平直且海底坡度大致相同的海岸

-----離岸流大致等距

彎曲海岸-----離岸流在灣中部形成流頭補(bǔ)給區(qū)流頸破波帶沿岸流海岸流第五節(jié)、大洋環(huán)流(oceancirculation)

在海面風(fēng)力和熱鹽效應(yīng)等作用下，海水從某海域向另一海域流動(dòng)形成的首尾相接的獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)或流渦。

海水及海水中的各種物理量和化學(xué)量循環(huán)于世界大洋的自然現(xiàn)象。(廣義)一、大洋環(huán)流研究的發(fā)展1、風(fēng)生大洋環(huán)流理論

西向強(qiáng)化：大洋西岸流線密集、流速大北太平洋黑潮北大西洋灣流印度洋莫桑比克流斯托梅爾(H.Stommel)：地轉(zhuǎn)偏向力隨緯度變化，大洋東西兩側(cè)海水的旋轉(zhuǎn)方向不同，所受力的旋度就不同。(a)

科氏力=0,n(b)

緯度↗科氏力↗蒙克(W.H.Munk)西向強(qiáng)化與側(cè)向摩擦力有關(guān)三角形大洋2、熱鹽環(huán)流熱量平衡和水量平衡產(chǎn)生溫度和鹽度分布不均勻?qū)е潞Ｋ芏确植疾痪鶆蚨a(chǎn)生海水運(yùn)動(dòng)。

大洋中下層占主導(dǎo)地位熱鹽環(huán)流模型

----------一套疊置在一起的“鍋”

熱鹽環(huán)流模型

----------一套疊置在一起的“鍋”

3、海-氣相互作用和ENSO厄爾尼諾(El~Nino)南方濤動(dòng)（SouthernOscillation）海洋對大氣作用----熱力大氣對海洋作用----動(dòng)力4、大洋中尺度渦

各大洋中存在的一種水平尺度100～500km，時(shí)間尺度20～200d的流渦，廣泛寄居于大洋環(huán)流之中，且以(1～5)×10-2m/s的速度移動(dòng)。

1958年，英國斯羅華二、大洋表面環(huán)流成因：風(fēng)、大洋的位置、海陸分布形態(tài)、地轉(zhuǎn)偏向力的綜合作用。一、氣壓風(fēng)的地理分布1、赤道無風(fēng)帶：空氣----上升運(yùn)動(dòng)

10°N附近

赤道無風(fēng)帶2、信風(fēng)帶：30-35°：副熱帶高壓信風(fēng)帶N信風(fēng)：東北向S信風(fēng)：東南向赤道低壓信風(fēng)帶赤道無風(fēng)帶信風(fēng)帶信風(fēng)帶3、盛行西風(fēng)帶：副熱帶高壓間中緯低壓N:西南風(fēng)S:西北風(fēng)盛行西風(fēng)帶盛行西風(fēng)帶赤道無風(fēng)帶信風(fēng)帶信風(fēng)帶盛行西風(fēng)帶盛行西風(fēng)帶4、極地東風(fēng)帶極地高壓中緯低壓N:東北風(fēng)S:東南風(fēng)極地東風(fēng)帶極地東風(fēng)帶二、大洋表面環(huán)流一般模式副熱帶高壓間副熱帶高壓間6、南極大陸附近東風(fēng)漂流。

1、南北半球主體存在與副熱帶高壓對應(yīng)的巨大反氣旋式環(huán)流；2、南北反氣旋環(huán)流之間為赤道逆流；4、主渦旋北部有小的氣旋式環(huán)流；5、西風(fēng)漂流繞南極大陸流動(dòng)；3、北半球強(qiáng)大的西邊界流；三、各大洋的表層環(huán)流(一)大西洋

巴西海流南赤道流本格拉海流西風(fēng)漂流暖流暖流寒流寒流東格陵蘭海流

拉布拉多海流灣流北大西洋流加那利海流北赤道流暖流暖流暖流寒流寒流寒流灣流系統(tǒng)：佛羅里達(dá)海流灣流北大西洋海流灣流西邊界流右側(cè)：溫暖低密左側(cè)：低溫高密年變化夏強(qiáng)冬弱

非周期性變化

——彎曲現(xiàn)象彎曲與主流斷離----獨(dú)立渦旋左側(cè)暖渦，右側(cè)冷渦

（二）、太平洋的表面環(huán)流南赤道流東澳海流西風(fēng)漂流秘魯海流合恩角海流阿拉斯加海流亞北極海流親潮黑潮北太平洋流加利福尼亞海流北赤道流暖流暖流暖流寒流寒流寒流暖流暖流暖流寒流寒流寒流.黑潮（暖流）西邊界流高溫，高鹽流速強(qiáng)，流量大，流幅窄黑潮流系黑潮本體：黑潮續(xù)流：北太平洋流：由35°N的附近離岸東流，142°-160°E之間：160°E以東散開臺(tái)灣南端開始至35°N日本太平洋沿岸之間黑潮分支：35°N附近沿日本東海岸北上，與北方南下的親潮匯合后折向東流匯于黑潮延續(xù)體。黑潮逆流：從黑潮和黑潮續(xù)流分離出來，從外海轉(zhuǎn)向西南至西方向流動(dòng)的海流。在日本東南側(cè)黑潮主體常發(fā)生逆時(shí)針方向的大彎曲，形成若干流環(huán)(三)印度洋

北部海流----季風(fēng)流南半球

北冰洋：超極海流、北大西洋海流分支、沿岸流系組成環(huán)流系統(tǒng)。

(四)北冰洋和南極海區(qū)南極海區(qū)：大陸周圍海水西流西風(fēng)漂流---東流南極輻散帶特征暖流寒流發(fā)源流向溫度變化鹽度厚度水色透明度含氧量上層營養(yǎng)物

低緯-熱帶、亞熱帶 高緯-寒帶、亞寒帶低緯→高緯 高緯→低緯高→低 低→高高 低小→大

大→小高 低大 小小（流動(dòng)中從大氣獲O2）大（流動(dòng)中向大氣釋O2）少 多（六）、暖流與寒流

四、海水垂直環(huán)流和深層環(huán)流.

（一）、大洋上層的垂直環(huán)流赤道：南赤道流在赤道兩側(cè)分別向南北輻散，導(dǎo)致赤道海水上升；赤道逆流與南赤道流間（3o一4oN）海水輻聚下沉；赤道逆流與北赤道流間（10oN）海水輻散上升。大洋西部暖流、寒流相遇，輻聚下沉

-----西北輻聚帶大洋東部寒流流向低緯區(qū)匯入信風(fēng)流

——上升流副熱帶高壓帶——海水輻聚下沉南極海區(qū)——輔散南極