大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)

1、大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)徐雪松徐雪松上海交大船建學(xué)院上海交大船建學(xué)院大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)內(nèi)容提要概述（Summary）海流成因（Cause of Current）地轉(zhuǎn)流（Geostrophic Flow）風(fēng)海流（Wind Driven Current）慣性流（Inerial Current）大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu)（Circulation & Structure of Water Mass）中國海環(huán)流（Circulation of China Sea）觀測手段、研究方法和應(yīng)用（Measurement, Research and Application）概述（概述（

2、Summary）一、定義及分類（Definition & Type）海流(Ocean current)：海水大規(guī)模相對穩(wěn)定的流動。2. 分類(Type)：按成因分：密度流(density current)，風(fēng)海流(wind current)，補(bǔ)償流(compensation current)；按受力分：地轉(zhuǎn)流(geostrophic flow)、慣性流；按發(fā)生區(qū)域：赤道流(equatorial current)，陸架流，東西邊界流(eastern/ western boundary current)等；按運(yùn)動方向：上升流(upwelling)，下降流(downwelling)；按溫度分

3、：寒流，暖流等。概述（概述（Summary）二、研究意義（Significance）國防航運(yùn)漁業(yè)氣候 概述（概述（Summary）三、影響和產(chǎn)生海流的力（Causes of current） 重力，壓強(qiáng)梯度力，風(fēng)應(yīng)力，引潮力; 海水運(yùn)動后派生的力：科氏力(Coriolis force)，摩擦力(friction force) 1、重力：重力加速度 g g與緯度和海水深度有關(guān): 海面上赤道到極地差為0.052m/s2；在中緯度，海面與10km深處的差為0.031m/s2。 重力勢 (potential of gravity)； 等勢面，水平面； 海平面 (sea level) 。概述（概述（Su

4、mmary）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=PA - (P +P) 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：等壓面與等勢面平行 斜壓場：等壓面相對等勢面發(fā)生傾斜時(shí)。 海洋內(nèi)壓場：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：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。概述（概述（Summary）3、風(fēng)應(yīng)力：切應(yīng)力，將大氣動量輸送給海水，以經(jīng)驗(yàn)公式給出 4、科氏力： 5、摩擦力： 分子粘性力(molecular visc

5、osity )和湍流粘性力(turbulent viscosity) 概述（概述（Summary）四、海水動力學(xué)方程（Dynamic equation of sea water）運(yùn)動方程：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。 地轉(zhuǎn)流地轉(zhuǎn)流(Geostrophic Flow) 科氏力：水平壓強(qiáng)梯度力與科氏力平衡，海水流動才能穩(wěn)定地轉(zhuǎn)流地轉(zhuǎn)流(Geostrophic Flow)一、均勻海洋中地轉(zhuǎn)流(Geostrophic flow of homogenized ocean) 1、地轉(zhuǎn)流(geostrophic flow)定

6、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。地轉(zhuǎn)流地轉(zhuǎn)流(Geostrophic Flow)2、特點(diǎn) (characters)：）地轉(zhuǎn)流流速大小與等壓面和等勢面的夾角的正切成正比，與科氏參量成反比。）沿兩面的交線流動, 北半球流向偏在壓強(qiáng)梯度力水平分力右方90度。）在北半球，面向流去的方向，右面等壓面高，左面低。(內(nèi)壓場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。外壓場引起的等壓面傾斜則直達(dá)海底。)地轉(zhuǎn)流地轉(zhuǎn)流(Geostrophic Flow)二、二層海洋中地轉(zhuǎn)流 (Geostrophic flow of two-layered-ocean)）等壓面傾斜與等密面傾斜方向相

7、反，若上層流速小于下層流速，傾斜方向相同。）流向沿三面交線流，面向流去方向右面密度小，左邊大。右邊溫度高，左邊低。 風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)一、無限深海風(fēng)海流（亦稱漂流）(Wind Driven Current of Deep Sea /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。假定：I. 均勻； II. 海區(qū)無限寬廣，海面無起伏； III. 風(fēng)場均勻，只沿y方向吹； IV. 只考慮垂直渦動粘滯系量引起的水平方向的摩擦力，且

8、視為常數(shù)； V. 科氏力不隨緯度變化。 方程： 風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)邊界條件(boundary condition)：海面(surface) z=0海底(bottom): u=v=0解：其中：風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)2、空間結(jié)構(gòu)：）表層流速最大，流向偏向風(fēng)向的右方45度；）隨深度增加，流速逐漸減小，流向逐漸右偏；）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；）連接各層流速的矢量端點(diǎn)，構(gòu)成艾克曼螺旋線(Ekman spiral)。 風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)二、淺海風(fēng)海流(Wind

9、driven current of shallow sea)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。風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)三、風(fēng)海流體積輸運(yùn)(Bulk transmission of wind driven current)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。風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)四、風(fēng)海流的附效應(yīng)(Attached effects of wind driven current)升降流(up & down welling)：1) 順岸

10、風(fēng)(coastwise wind) 風(fēng)海流風(fēng)海流(Wind Driven Current)2) 氣旋(Cyclone)與反氣旋(Anticyclone) 輻散(Divergence)、輻聚 (Convergence) 慣性流（慣性流（Inertial Current）一、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)動是等速圓周運(yùn)動。慣性流（慣性流（Inertial Current）水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡 對方程式積分：1. 軌跡是圓形2. 半徑為(Radius)： 與緯度有關(guān)。慣性流（慣性流（Inertial Current）3. 周期(Cycle)：

11、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=17.4h V=0.1m/s ，r=1km V=1.0m/s ，r=10km 6. 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)大洋環(huán)流及水團(tuán)結(jié)構(gòu) (Circulation & Structure of Water Mass )（一）大洋環(huán)流的成因(Cause of Circulation) （二）海洋表層環(huán)流的地理分布(Distribution of Sea Surface Circulation) （三）大洋表層環(huán)流各流系的特征 (Characters o

12、f Series of Surface Circulation) （四）大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)大洋環(huán)流的成因大洋環(huán)流的成因(Cause of Circulation)一、風(fēng)生大洋環(huán)流(Wind Driven Circulation ) 西向強(qiáng)化理論(Western Intensification Theory)：科氏參量隨緯度變化。1. Stommel 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。2種科氏參量情況下的解結(jié)果：大洋環(huán)流的成因大洋環(huán)流的成因(Cause

13、 of Circulation)2. Munk：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)測海流相似的結(jié)果。大洋環(huán)流的成因大洋環(huán)流的成因(Cause of Circulation)二、熱鹽環(huán)流(Thermohaline Circulation 由溫、鹽變化引起的環(huán)流。在大洋中下層占主導(dǎo)地位。海洋表層環(huán)流的地理分布海洋表層環(huán)流的地理分布(Distribution of Sea Surface Circulation)1、副熱帶海區(qū)反氣旋式環(huán)流(Anticyclone circulation)：太平洋(Pacific)、大西洋(Atlantic)：南半球和北半球都存在。

14、印度洋(Indian ocean)： 南半球：與大西洋南半球：與大西洋(Atlantic)和太平洋和太平洋(Pacific)相似；相似；北半球：冬夏環(huán)流形式受季風(fēng)影響，冬半年是反氣旋北半球：冬夏環(huán)流形式受季風(fēng)影響，冬半年是反氣旋式環(huán)流，夏季則消失。式環(huán)流，夏季則消失。2、氣旋式環(huán)流(cyclonal circulation)：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)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Seri

15、es of Surface Circulation)一、赤道流系(Equatorial current)：1. 南、北赤道流(South/North equatorial current)對應(yīng)信風(fēng)帶(trade wind band)，亦稱信風(fēng)流。南北不對稱，夏季北赤道流在10N到20N25N之間，南3N 10S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(Characters of equatorial current) 主要100300m的上層，平均流速0.250.75m/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，營養(yǎng)鹽低。赤道流是高溫、高鹽、高水色及

16、透明度大為特征的流系。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)3. 印度洋赤道流系特征(Characters of Indian equatorial current) 主要受季風(fēng)(monsoon)控制。11月至翌年3月盛行東北季風(fēng)，59月盛行西南季風(fēng)。4. 赤道逆流 (Equatorial counter current) 對應(yīng)赤道無風(fēng)帶，平均位置在3N10N之間。逆流區(qū)有充沛的降水，相對赤道流具有高溫、低鹽特征。它與北赤道流之間存在輻散上升運(yùn)動，水色和透明度也相對降低。5. 赤道潛流(Equa

17、torial latent current) 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。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)二、西邊界流(West boundary current)： 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(Kuroshio Current)和東澳流(East Australia Current)，大西洋灣流(Gulf Stream)和巴西流(Brazil Cu

18、rrent)，印度洋莫桑比克流。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。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation) 2. 灣流(Gulf Stream)： 墨西哥灣流的演變圖 美國NASA所拍攝的衛(wèi)星影像 灣流彎曲現(xiàn)象灣流彎曲現(xiàn)象大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)3. 黑潮(Kuroshio Current)：大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表

19、層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)三、西風(fēng)漂流(West wind drift)： 北太平洋漂流(North Pacific drift)：黑潮延續(xù)體的延續(xù)。在北美沿岸附近分為兩支：（1）向南一支稱為加利福尼亞流(California Current)，匯于赤道流(Equatorial Current)；（2）向北一支稱為阿拉斯加流(Alaska Current)，它與阿流申流匯合，連同亞洲沿岸南下的親潮(Oyashio Current)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(North Atlanti

20、c drift)：在歐洲沿岸附近分為三支：（1）中支進(jìn)入挪威海，稱挪威海流(Norwegian Current)；（2）南支沿歐洲海岸向南，稱加那利流(Canary Current)，在向南與北赤道流匯合，構(gòu)成北大西洋反氣旋式環(huán)流；（3）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(Labrador Current)構(gòu)成。北大西洋高緯海區(qū)氣旋式小環(huán)流。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)3. 南極繞極流(Antarctic Circumpolar Current)：

21、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，其上部是漂流，下部為地轉(zhuǎn)流。南極繞極流在太平洋東岸向北分支為秘魯流(Peru Current)，大西洋本格拉流(Benguela Current)，印度洋西澳流(West Australia Current)。分別在各大洋中向北匯入南赤道流(South Equatorial Current)?！芭叵?5”或“咆哮好望角” ：頻繁的氣旋活動，降水量較多，海況惡劣。特別南半球的冬季，風(fēng)與浪更大。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface C

22、irculation)四、東邊界流(East boundary current)：太平洋的加利福尼亞流(California Current)、秘魯流(Peru Current)，大西洋的加那利流(Canary Current)、本格拉流，印度洋的西澳流(West Australia Current)，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。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)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)

23、動。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。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)五、亞北極海流：氣旋式環(huán)流(Cyclonal circulation) 大西洋(Atlantic)：伊爾明格、東格陵蘭(East Greenland)、西格陵蘭(West Greenland)、拉布拉多(Labrador)、西風(fēng)漂流(west wind drift)。太平洋(Pacific)：阿拉斯加(Alas

24、ka)、阿留申、親潮(Oyashio)、西風(fēng)漂流(west wind drift)。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)六、極地環(huán)流(Polar circulation) 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(Anta

25、rctic divergent zone)。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)(Antarctic convergent zone)，亦是南極陸架表層海水下沉的動力學(xué)原因。大洋表層環(huán)流各流系的特征大洋表層環(huán)流各流系的特征(Characters of Series of Surface Circulation)七、副熱帶輻聚區(qū)(Subtropical convergent zone)：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。 天氣干燥晴朗，風(fēng)力微弱，海面較平靜。海水輻聚下沉，

26、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2035N，4075W，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”。 大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)一、大洋表層以下的環(huán)流(Undersurface circulation) I. 次表層水的運(yùn)動和分布(Movement and distribution of subsurface water)1）表層水(surface water)以下與大洋主溫

27、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)。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)II. 大洋冷水區(qū)環(huán)流(Circulation of cold water zone)1. 中層水的運(yùn)動(Movement of intermediate water) ：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。南極輻聚下沉的海水，溫鹽特征為2.2C與

28、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)25N；太平洋可越過赤道，印度洋在南緯10度。高鹽中層水：北大西洋的高鹽地中海水（溫13C，鹽37）由直布羅陀海峽溢出，下沉到10001200m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15C，鹽36.5）通過曼德海峽流出，在6001600m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。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)2. 大洋底層水的運(yùn)動(Movement of bot

29、tom water)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-1.9C）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。在大西洋可達(dá)40N，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)。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass &

30、Undersurface Circulation)3. 大洋深層水的運(yùn)動1）深層水介于中層水和底層水之間，約在20004000m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3C）向整個(gè)洋底散布。在大洋西部接近40N，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。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)二、水團(tuán)的定義和分析方法(Definition of water mass

31、& analysis)1、水團(tuán)的定義：源地和形成機(jī)制相近，具有相對均勻的物理、化學(xué)和生物特征及大體一致的變化趨勢，與周圍海水存在明顯差異的宏大水體。大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)2、水團(tuán)的分析方法(analysis of water mass) 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)描述一水體元對水團(tuán)的隸屬度大洋水團(tuán)及表層以

32、下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)3、水型和水系（water type & water series）1）水型(water type)：性質(zhì)完全相同的水體元的集合2）水系(water series)：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。“沿岸水系”，“外海水系”，“暖水系”，“冷水系”。 大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流大洋水團(tuán)及表層以下環(huán)流(Water Mass & Undersurface Circulation)4、水團(tuán)的核心、強(qiáng)度、邊界與混合區(qū)(Core、intensity 、boundary & mixing zone) 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。核心位置的變動反映水團(tuán)位置變動的趨向。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