第五章海洋環(huán)流概述（Summary）一、定義及分類（Definition&Type）1.海流(Oceancurrent)：海水大規(guī)模相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)。2.分類(Type)：按成因分：密度流(densitycurrent)，風(fēng)海流(windcurrent)，補(bǔ)償流(compensationcurrent)；按受力分：地轉(zhuǎn)流(geostrophicflow)、慣性流；按發(fā)生區(qū)域：赤道流(equatorialcurrent)，陸架流，東西邊界流(eastern/westernboundarycurrent)等；按運(yùn)動(dòng)方向：上升流(upwelling)，下降流(downwelling)；按海流溫度與周圍海水溫度差異分：寒流，暖流等二、研究意義（Significance）國(guó)防，航運(yùn)，漁業(yè)，氣候三、影響和產(chǎn)生海流的力（Causesofcurrent）引起海水運(yùn)動(dòng)的力：重力，壓強(qiáng)梯度力，風(fēng)應(yīng)力，引潮力海水運(yùn)動(dòng)后派生的力：科氏力(Coriolisforce)，摩擦力(frictionforce)1、重力：地心引力與地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力的合力。習(xí)慣上將單位質(zhì)量物體所受重力稱為重力加速度，以g表示。與緯度和海水深度有關(guān):海面上赤道到極地差為0.052m/平方米,在中緯度，海面與10km深處的差為0.031m/平方米。因此，在海洋研究中，一般視其為常數(shù)9.8m/平方米重力勢(shì)(potentialofgravity)：從一水平面逆重力方向移動(dòng)物體到另一高度所做功。等勢(shì)面：位勢(shì)相等的面叫等勢(shì)面。處處與重力垂直的面稱水平面。海平面(sealevel)：海洋表面的平均位置。2、壓強(qiáng)梯度力：等壓面：壓強(qiáng)相等的面。壓強(qiáng)梯度力：水體所受靜壓力的合力：f=f1-f2=P·A-(P+△P)·AP·A單位質(zhì)量水體所受的靜壓力的合力：與等壓面垂直，指向壓力減小的方向。即與壓強(qiáng)梯度方向相反。流體靜力學(xué)方程：正壓場(chǎng)：等壓面與等勢(shì)面平行斜壓場(chǎng)：等壓面相對(duì)等勢(shì)面發(fā)生傾斜時(shí)。海洋內(nèi)壓場(chǎng)：由海洋中密度差異形成的斜壓狀態(tài)。在海洋上部斜壓性很強(qiáng)。外壓場(chǎng)：外部原因（風(fēng)、降水、江河徑流）引起海面傾斜產(chǎn)生的壓力場(chǎng)。3、風(fēng)應(yīng)力：切應(yīng)力，將大氣動(dòng)量輸送給海水，目前，只能以經(jīng)驗(yàn)公式給出4、科氏力：5、摩擦力：體積力，分子粘性力(molecularviscosity)和湍流粘性力(turbulentviscosity)四、海水動(dòng)力學(xué)方程（Dynamicequationofseawater）運(yùn)動(dòng)方程：牛頓第二定律速度V是時(shí)空的函數(shù)，即V=V(x,y,z,t)實(shí)質(zhì)微商：連續(xù)方程:質(zhì)量守恒定律在流體中的應(yīng)用。海流成因(CauseofCurrent)一、風(fēng)生：風(fēng)生海流(WindDrivenCurrent)二、溫鹽變化引起：密度流(DensityCurrent)地轉(zhuǎn)流(GeostrophicFlow)一、均勻海洋中地轉(zhuǎn)流(Geostrophicflowofhomogenizedocean)1、地轉(zhuǎn)流(geostrophicflow)定義：壓強(qiáng)梯度力水平分力與科氏力達(dá)到平衡時(shí)的穩(wěn)定流動(dòng)。2、特點(diǎn)(characters)：１）地轉(zhuǎn)流流速大小與等壓面和等勢(shì)面的夾角的正切成正比，與科氏參量成反比；２）沿兩面的交線流動(dòng),北半球流向偏在壓強(qiáng)梯度力水平分力右方90度；３）在北半球，面向流去的方向，右面等壓面高，左面低。４）內(nèi)壓場(chǎng)引起的等壓面傾斜主要體現(xiàn)在海洋的上層，隨深度增加而減小。外壓場(chǎng)引起的等壓面傾斜則直達(dá)海底。二、二層海洋中地轉(zhuǎn)流(Geostrophicflowoftwo-layered-ocean)１）等壓面傾斜與等勢(shì)面傾斜方向相反，若上層流速小于下層流速，傾斜方向相同。２）流向沿三面交線流，且面向流去方向右面密度小，左邊大。右邊溫度高，左邊低。風(fēng)海流(WindDrivenCurrent)一、無限深海風(fēng)海流（亦稱漂流）(WindDrivenCurrentofDeepSea/Drift)艾克曼(Ekman)于1905年根據(jù)南森在北冰洋考察時(shí)發(fā)現(xiàn)冰的漂流方向與風(fēng)向不一致。1、定義：海水摩擦力(friction)和科氏力(Coriolis)平衡時(shí)的穩(wěn)定流動(dòng)。假定：I.均勻；II.海區(qū)無限寬廣，海面無起伏；III.風(fēng)場(chǎng)均勻，只沿x方向吹；IV.只考慮垂直渦動(dòng)粘滯系量引起的水平方向的摩擦力，且視為常數(shù)；V.科氏力不隨緯度變化。方程：邊界條件(boundarycondition)：海面(surface)z=0海底(bottom):u=v=0解：其中：2、空間結(jié)構(gòu)：１）表層流速最大，流向偏向風(fēng)向的右方45度；２）隨深度增加，流速逐漸減小，流向逐漸右偏；３）至摩擦深度，流速是表面流速的4.3%，流向與表面流向相反，可忽略；４）連接各層流速的矢量端點(diǎn)，構(gòu)成艾克曼螺旋線(Ekmanspiral)。二、淺海風(fēng)海流(Winddrivencurrentofshallowsea)水深越淺，從上層到下層的流速矢量越是趨近風(fēng)矢量的方向。三、風(fēng)海流體積輸運(yùn)(Bulktransmissionofwinddrivencurrent)無限深海風(fēng)海流垂直風(fēng)向輸送，北半球在風(fēng)向的右邊，南半球相反。淺海風(fēng)海流存在岸、底摩擦，在x,y方向都有輸送。四、風(fēng)海流的附效應(yīng)(Attachedeffectsofwinddrivencurrent)升降流(up&downwelling)：1)順岸風(fēng)(coastwisewind)2)氣旋(Cyclone)與反氣旋(Anticyclone)3)輻散(Divergence)、聚(Convergence)帶等引起慣性流（InertialCurrent）科氏力和加速度達(dá)平衡(1)u+(2)v:(1)v-(2)u:流速、流向，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是等速圓周運(yùn)動(dòng)。水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)方程式積分：1.軌跡是圓形2.半徑為(Radius)：與緯度有關(guān)。3.周期(Cycle)：4.頻率(Frequency)：5.北半球?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球相反。f=0.0001/s，T=17.4hV=0.1m/s，r=1kmV=1.0m/s，r=10km6.中緯度慣性流：周期為17-18h，半徑1-10km.大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)(Circulation&StructureofWaterMass)大洋環(huán)流的成因(CauseofCirculation)一、風(fēng)生大洋環(huán)流(WindDrivenCirculation)1.西向強(qiáng)化理論(WesternIntensificationTheory)：IntheNorthAtlanticandNorthPacificthecurrentsflowingonthewesternsideofeachoceantendtobemuchstrongerandnarrowerincrosssectionthanthecurrentsontheeasternside.科氏參量隨緯度變化。2.Stommel理論：1948,風(fēng)應(yīng)力、鉛直湍切應(yīng)力及科氏力等的平衡關(guān)系。將大洋視為等深矩形風(fēng)應(yīng)力隨緯度變化。三種科氏參量情況下的解結(jié)果：3.Munk理論：1950,考慮均質(zhì)大洋邊界側(cè)向摩擦力作用，將北太平洋為三角形，得到與實(shí)測(cè)海流相似的結(jié)果。二、熱鹽環(huán)流(ThermohalineCirculation)由溫、鹽變化引起的環(huán)流。相對(duì)而言，在大洋中下層占主導(dǎo)地位。大洋主溫躍層穩(wěn)定性：低緯海區(qū)有凈的熱輸入，表明深層有冷水上升，有效阻止熱量從表面向下擴(kuò)散。使躍層深度保持穩(wěn)定。黃觀點(diǎn)：風(fēng)生大洋環(huán)流(Winddrivencirculation)：風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)，密度差異控制建立起的環(huán)流。熱鹽環(huán)流(Thermohalinecirculation)：密度差驅(qū)動(dòng)的環(huán)流（包括風(fēng)、熱通量、水通量及海洋內(nèi)部混合等）海洋表層環(huán)流的地理分布(DistributionofSeaSurfaceCirculation)1、副熱帶海區(qū)反氣旋式環(huán)流(Anticyclonecirculation)：太平洋(Pacific)、大西洋(Atlantic)：南半球和北半球都存在。印度洋(Indianocean)南半球與大西洋(Atlantic)和太平洋(Pacific)相似，北半球冬夏環(huán)流形式受季風(fēng)影響不同，冬半年是反氣旋式環(huán)流，夏季則消失。2、氣旋式環(huán)流(cyclonalcirculation)：太平洋和大西洋的亞北極海區(qū)受極地弱東風(fēng)的影響。大洋表層環(huán)流各流系的特征(CharactersofSeriesofSurfaceCirculation)一、赤道流系(Equatorialcurrent)：1.南、北赤道流(South/Northequatorialcurrent)對(duì)應(yīng)信風(fēng)帶(tradewindband)，亦稱信風(fēng)流。南北不對(duì)稱，夏季北赤道流在10°N到20°N—25°N之間，南3°N—10°S之間。冬季稍偏南。赤道流自東向西逐漸加強(qiáng)。2.赤道流系特征(Charactersofequatorialcurrent)主要100—300m的上層，平均流速0.25—0.75m/s。下部有強(qiáng)大的躍層存在，躍層以上溫暖高鹽的表層水。溶解氧含量高，營(yíng)養(yǎng)鹽低。赤道流是高溫、高鹽、高水色及透明度大為特征的流系。3.印度洋赤道流系特征(CharactersofIndianequatorialcurrent)主要受季風(fēng)(monsoon)控制。11月至翌年3月盛行東北季風(fēng)，5—9月盛行西南季風(fēng)。4.赤道逆流(Equatorialcountercurrent)對(duì)應(yīng)赤道無風(fēng)帶，平均位置在3°N—10°N之間。逆流區(qū)有充沛的降水，相對(duì)赤道流具有高溫、低鹽特征。它與北赤道流之間存在輻散上升運(yùn)動(dòng)，水色和透明度也相對(duì)降低。5.赤道潛流(Equatoriallatentcurrent)南赤道流區(qū)下方溫躍層內(nèi)，與赤道流相反自西向東的流，成帶狀分布，厚約200m，寬300km，最大流速達(dá)1.5m/s。流軸常與溫躍層一致，向東變淺。二、西邊界流(Westboundarycurrent)：1.大洋西側(cè)沿大陸坡從低緯向高緯的強(qiáng)流。太平洋黑潮(KuroshioCurrent)和東澳流(EastAustraliaCurrent)，大西洋灣流(GulfStream)和巴西流(BrazilCurrent)，印度洋莫桑比克流。是反氣旋環(huán)流一部分，赤道流的延續(xù)。與近岸水相比，具有高溫、高鹽、高水色和透明度大等特征。北強(qiáng)南弱。2.灣流(GulfStream)：佛羅里達(dá)流與安的列斯流匯合處視為起點(diǎn)。北上經(jīng)1200km，到哈特拉斯角，又離岸向東，直到45°W附近的格陵蘭灘以南，行程2500km。然后轉(zhuǎn)向東北，橫越大西洋——北大西洋流。灣流在海面寬度100—150km，表層最大流速2.5m/s，最大流速偏在流軸左方，沿途流量不斷增大，影響深度可達(dá)海底。兩側(cè)有自北向南的逆流存在。灣流方向左側(cè)為高密冷水，右側(cè)低密暖水，水平溫度梯度高達(dá)10°C/20km。等密線傾斜滲達(dá)2000m以下。絕大部分達(dá)海底。有彎曲現(xiàn)象，流軸彎曲足夠大，與主流分離，在南側(cè)形成氣旋式冷渦，在北側(cè)則形成反氣旋式暖渦?？臻g特征尺度為數(shù)百千米，有時(shí)存在幾年，沿灣流相反方向移動(dòng)。3.黑潮(KuroshioCurrent)：菲律賓群島東側(cè)北上，主流從臺(tái)灣東側(cè)經(jīng)臺(tái)灣和與那國(guó)島之間水道進(jìn)入東海，沿陸坡向東北方向流動(dòng)。到九州西南方一部分向北層對(duì)馬暖流，經(jīng)對(duì)馬海峽進(jìn)入日本海。在此之前也有一部分進(jìn)入黃海稱黃海暖流，具有風(fēng)生補(bǔ)償流特征。黑潮主干經(jīng)吐噶喇海峽進(jìn)入太平洋，沿日本列島流向東北。在35°N附近分兩支：主干轉(zhuǎn)向東流直到160°E，稱黑潮延續(xù)體，一支在40°N附近與親潮(OyashioCurrent)匯合轉(zhuǎn)向東流匯于黑潮延續(xù)體，橫過太平洋。西邊界流每年向高緯輸送熱量，約同暖氣團(tuán)輸送熱量相等。三、西風(fēng)漂流(Westwinddrift)：1.北太平洋漂流(NorthPacificdrift)：是黑潮延續(xù)體的延續(xù)。在北美沿岸附近分為兩支：向南一支稱為加利福尼亞流(CaliforniaCurrent)，匯于赤道流(EquatorialCurrent)；向北一支稱為阿拉斯加流(AlaskaCurrent)，它與阿流申流匯合，連同亞洲沿岸南下的親潮(OyashioCurrent)共同構(gòu)成北太平洋高緯海區(qū)氣旋式小環(huán)流。2.北大西洋漂流(NorthAtlanticdift)：在歐洲沿岸附近分為三支，中支進(jìn)入挪威海，稱挪威海流(NorwegianCurrent)；南支沿歐洲海岸向南，稱加那利流(CanaryCurrent)，在向南與北赤道流匯合，構(gòu)成北大西洋反氣旋式環(huán)流；北支流向冰島南方海域，稱伊爾明格流，與東、西格陵蘭流及北美沿岸拉布拉多流(LabradorCurrent)構(gòu)成。北大西洋高緯海區(qū)氣旋式小環(huán)流。3.南極繞極流(AntarcticCircumpolarCurrent)：由于南極海域連成一片，南半球西風(fēng)飄流環(huán)繞整個(gè)南極大陸，是一支自表至底、自西向東的強(qiáng)大流動(dòng)，其上部是漂流，下部為地轉(zhuǎn)流。南極鋒位于其中,大西洋和印度洋平均位置為50°S，太平洋位于60°S。極鋒兩側(cè)海水特性、氣候特征有明顯差異。極地海區(qū)干冷、亞南極海區(qū)為極地氣團(tuán)與溫帶海洋氣團(tuán)輪流控制，季節(jié)性明顯。4.南極輻聚帶(AntarcticConvergentZone)：風(fēng)場(chǎng)分布不均，低溫、低鹽、高溶解氧的表層水在極鋒向極一側(cè)輻聚下沉。南極繞極流在太平洋東岸向北分支為秘魯流(PeruCurrent)，大西洋本格拉流(BenguelaCurrent)，印度洋西澳流(WestAustraliaCurrent)。分別在各大洋中向北匯入南赤道流(SouthEquatorialCurrent)。5.“咆哮45°”或“咆哮好望角”:頻繁的氣旋活動(dòng)，降水量較多，海況惡劣。特別南半球的冬季，風(fēng)與浪更大。四、東邊界流(Eastboundarycurrent)：太平洋的加利福尼亞流(CaliforniaCurrent)、秘魯流(PeruCurrent)，大西洋的加那利流(CanaryCurrent)、本格拉流，印度洋的西澳流(WestAustraliaCurrent)，都是寒流。他們的流幅寬、流速小、影響深度淺，水色低、透明度小。上升流是東邊界流海區(qū)的一個(gè)重要水溫特征。原因：信風(fēng)常年沿岸吹，風(fēng)速分布不均，近岸小，海面大，海水離岸運(yùn)動(dòng)。另外，來自高緯海區(qū)的寒流，形成大氣冷下墊面，上層大氣層結(jié)穩(wěn)定，有利海霧形成，因此干旱少雨。與西邊界流區(qū)具有氣候溫暖、雨量充沛的特點(diǎn)形成明顯的差異。五、亞北極海流：氣旋式環(huán)流(Cyclonalcirculation)大西洋(Atlantic)：伊爾明格、東格陵蘭(EastGreenland)、西格陵蘭(WestGreenland)、拉布拉多(Labrador)、西風(fēng)漂流(westwinddrift)。太平洋(Pacific)：阿拉斯加(Alaska)、阿留申、親潮(Oyashio)、西風(fēng)漂流(westwinddrift)。六、極地環(huán)流(Polarcirculation)北冰洋中的環(huán)流：從大西洋進(jìn)入的挪威流及一些沿岸流。加拿大海盆為一巨大反氣旋式環(huán)流，從楚奇科海穿越北極到達(dá)格陵蘭海，部分西折，部分匯入東格陵蘭流，把大量的浮冰攜帶進(jìn)入大西洋。南極海區(qū)環(huán)流：南極大陸邊緣一個(gè)很窄范圍內(nèi)，極地東風(fēng)作用，形成一支自東向西繞南極大陸邊緣的小環(huán)流，稱為極地東風(fēng)環(huán)流。與南極繞極流間，形成南極輻散帶(Antarcticdivergentzone)。與南極大陸間形成海水沿陸架的輻聚下沉，即南極大陸輻聚區(qū)(Antarcticconvergentzone)，亦是南極陸架表層海水下沉的動(dòng)力學(xué)原因。七、副熱帶輻聚區(qū)(Subtropicalconvergentzone)：反氣旋大環(huán)流的中間海域，流向不定，流速甚小。表層海水輻聚下沉——副熱帶輻聚區(qū)，把大洋表層鹽度最大、溶解氧含量高的溫暖水帶到表層以下，形成次表層水。副熱帶逆流(subtropicalcountercurrent):天氣干燥晴朗，風(fēng)力微弱，海面較平靜。海水輻聚下沉，懸浮物少，具有世界上最高的水色和最大透明度，“海洋沙漠”。馬尾藻海：北大西洋20—35°N，40—75°W，透明度最大。又稱“馬緯度”：南北緯30°，此處無風(fēng),運(yùn)馬的船在此處停留，船上的淡水不足，將馬趕入海中，后稱“馬緯度”。世界大洋上層鉛直向環(huán)流赤道海區(qū)，海水輸運(yùn)有南北分量，導(dǎo)致海水的輻聚下沉與輻散上升運(yùn)動(dòng)，由于連續(xù)性，在一定深度上形成了經(jīng)向的次級(jí)小環(huán)流。所處深度較淺，變動(dòng)于50—100m之間。使赤道海區(qū)表面的熱量和淡水盈余向高緯方輸送，部分調(diào)節(jié)了熱鹽的分布況。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(WaterMass&UndersufaceCirculation)一、大洋表層以下的環(huán)流(Undersurfacecirculation)I.次表層水的運(yùn)動(dòng)和分布(Movementanddistributionofsubsurfacewater)1）表層水(surfacewater)以下與大洋主溫躍層以上的海水。2）副熱帶海域的表層水下沉形成的。3）高鹽高溫，只能下沉到表層水以下的深度上。4）大部分水體流向低緯一側(cè)，沿主溫躍層散布，少部分流向高緯一側(cè)。II.大洋冷水區(qū)環(huán)流(Circulationofcoldwaterzone)1.中層水的運(yùn)動(dòng)(Movementofintermediatewater)1）南極輻聚區(qū)和西北輻聚區(qū)下沉的海水形成，帶有源地低鹽的特征。溫度較低，故密度較大，分布在次表層水之下。2）南極輻聚下沉的海水，溫鹽特征為2.2°C與33.8，下沉到800—1000m深度上，一邊參加南極繞極流，一部分水體向北散布進(jìn)入三大洋。大西洋可達(dá)25°N；太平洋可越過赤道，印度洋在南緯10度。3）高鹽中層水：北大西洋的高鹽地中海水（溫13°C，鹽37）由直布羅陀海峽溢出，下沉到1000—1200m深度上，然后向西、西南和東北方向散布。印度洋中的紅海高鹽水（溫15°C，鹽36.5）通過曼德海峽流出，在600—1600m深度上沿非洲東岸向南散布，與南極中層水相遇發(fā)生混合。2.大洋底層水的運(yùn)動(dòng)(Movementofbottomwater)1）源地是南極大陸邊緣的威德爾海、羅斯海，其次次為北冰洋的格陵蘭海與挪威海等。普遍認(rèn)為南極威德爾海是南極底層水的主要來源在冬季冰蓋下海水（鹽34.6，溫-1.9°C）密度迅速增大，沿陸坡下沉到海底，一方面加入南極繞極流向東流，一方面向北進(jìn)入三大洋。主要沿洋盆西側(cè)向北流動(dòng)。在大西洋可達(dá)40°N，與北大西洋深層水相遇，由于南極底層水密度更大，繼續(xù)潛入海底向北擴(kuò)散。2)北冰洋底層水因白令海峽很淺，不可能進(jìn)入太平洋，只在偶然情況下，少量海水通過海檻溢出而進(jìn)入大西洋。因此北冰洋底層水處于幾乎是被隔絕狀態(tài)。3.大洋深層水的運(yùn)動(dòng)(Movementofdeepwater)1）深層水介于中層水和底層水之間，約在2000—4000m的深度上。主要由北大西洋格陵蘭南部的上層海洋中形成。東格陵蘭流與拉布拉多寒流向該區(qū)輸送冷的極地水，與灣流混合后下沉（鹽34.9，溫近3°C）向整個(gè)洋底散布。在大洋西部接近40°N，與來自南極密度更大的底層水相遇，在其上向南流去，直到南大洋。2）貧氧是深層水的主要特征。二、水團(tuán)的定義和分析方法(Definitionofwatermass&analysis)1、水團(tuán)的定義：watermass源地和形成機(jī)制相近，具有相對(duì)均勻的物理、化學(xué)和生物特征及大體一致的變化趨勢(shì)，與周圍海水存在明顯差異的宏大水體?！皟?nèi)同性”“外異性”長(zhǎng)期來把溫鹽特性作為分析水團(tuán)的主要指標(biāo)溫鹽圖解判定水團(tuán)的數(shù)目。2、水團(tuán)的分析方法(analysisofwatermass)1）定性的綜合分析方法（經(jīng)驗(yàn)法）：定性描述2）濃度混合分析方法：定量地確定水團(tuán)邊界和混合區(qū)3）概率統(tǒng)計(jì)分析法：目前已被應(yīng)用的主要有海水特征頻率分析法，判別分析法、聚類分析法等4）模糊數(shù)學(xué)分析方法：隸屬函數(shù)描述一水體元對(duì)水團(tuán)的隸屬度3、水型和水系（watertype&waterseries）1）水型(watertype)：性質(zhì)完全相同的水體元的集合2）水系(waterseries)：符合一個(gè)給定條件的水團(tuán)的集合。即只考慮一種性質(zhì)相近即可?！把匕端怠?，“外海水系”，“暖水系”，“冷水系”。4、水團(tuán)的核心、強(qiáng)度、邊界與混合區(qū)(Core、intensity、boundaryofwatermass&mixingzone)核心：有一部分水體是該水團(tuán)典型特征的代表，即為核心。黃海冷水團(tuán)“冷中心”特征水平的升降反映水團(tuán)特征型水平升降。核心位置的變動(dòng)反映水團(tuán)位置變動(dòng)的趨向。強(qiáng)度：描述水團(tuán)增強(qiáng)減弱的情況，2種強(qiáng)度指水團(tuán)占據(jù)的空間范圍特征水平，如高溫水團(tuán)，升溫增強(qiáng)，低溫水團(tuán)，升溫減弱。邊界與混合區(qū)：兼?zhèn)鋬?nèi)同性與外異性的這部分水體的外包絡(luò)面?！?/p>