物理海洋学9章.pdf

Physical OceanographyPhysical OceanographyPhysical OceanographyPhysical Oceanography （（（（物理海洋学物理海洋学物理海洋学物理海洋学））））第九章第九章第九章第九章Instructed by LÜ Huaqing（吕华庆） Marine Science School of Zhejiang Ocean Uni. Feb.,2012第九章 深海环流1.风直接驱动的环流大多数情况下限于海洋上层1,000m内 （ Ekman , 45-300m ） 2.在这1000m 水层以下尚有大量的水体，由很多冷水团组成，深度 可达4,000-5,000m冷水团温度较低，位温低于4°C 3.这些冷水团是高纬度地区低温高密的海水从海表下沉至深海所形 成的(挪威与格陵兰之间的海域下沉至深海;南极深层海形成的海区 是威德尔海和罗斯海 4.下沉的水团便向全球所有海盆输运 5.在海洋的大多数地区，大洋深处混合过程最终把这些海水从深 处，再穿过永久性温跃层拉向上层 6.正是这样涌升过程驱动了深海环流 7.浩大的深层海洋常被称为“深海”，从而其中的环流就称为深海环流。

深海环流的定义深海环流的定义深海环流的定义深海环流的定义关于大洋较深处的环流曾出现过以下定义：1. 深海环流； 2. 热盐环流； 3. 子午向翻转式环流； 4. 全球输送带名词“热盐环流”曾广泛使用，但在海洋学参考文献中已 几乎完全消失(Toggweiler 和 Russell, 2008)现已停止使 用，因为我们清楚地认识到流动不是密度驱动的，同时也因为 “热盐环流”的概念从未定义过(Wunsch, 2002b)§§§§9. 1 深海环流的重要性深海环流的重要性深海环流的重要性深海环流的重要性它和大气中著名的哈德莱环流、费雷尔环流和极地 环流等一起，构成了对于维持全球气候系统的能量平 衡至关重要的经向环流体系北大西洋环流示意图（Huang， 2010）§§§§9. 2 深海环流理论深海环流理论深海环流理论深海环流理论施托梅尔、阿伦斯和法勒在1958至1960年的系列论文奠定了了解深海环流的 基础 (Stommel 1958; Stommel, Arons, Faller, 1958; Stommel,Arons, 1960) 这些论文报道了深海环流的简化理论后来，马罗茨克（Marotzke，2000)、蒙 克和旺许（Munk, Wunsch，1998)对深海环流的理论作了进一步讨论。

施托梅尔、阿伦斯和法勒的理论基于下述三个基本思想： 1．高纬地区的冷深层水通过深层对流提供在大西洋深层水形成的海区主 要是伊尔明戈（Irminger）海和格陵兰海，南极深层海形成的海区是威德尔海和 罗斯海2. 海洋中均匀的混合把冷的深层水带回到海表3. 在海洋内部，深层水的环流严格按地转流进行，因此位涡守恒深层环流是由海洋混合驱动的，而不是由高纬度海区冷水下沉所 致蒙克和旺许（Munk,Wunsch，1998）指出，深层对流本身导致 停滞的冷深水池在这种情况下，深层环流被上层水所限制，要把冷 水输运至温跃层以上并由此带动深层环流，海洋混合或涌升是必需 的，而风和潮汐是促使海洋混合的主要动力大西洋深层对流（黑圆点）引起的深层环流简图 （S1和S2均是下沉区摘自Stommel，1958）对深海环流理论的评论对深海环流理论的评论对深海环流理论的评论对深海环流理论的评论： 1．马罗茨克和斯科特（Marotzke, Scott，1999)指 出，深海对流和混合是非常不同的过程对流使水柱的位能下 降，因此它能自发进行层化流体中的混合增加位能，所以不 能自发进行，而必须由外部过程驱动 2．数值模型研究显示，深海环流对温跃层中的垂向涡 动扩散的假定值十分敏感( Gargett et al., 1992)。

3．马罗茨克和斯科特的数值计算表明（Marotzke, Scott，1999)，混合产生的质量输运不受深层对流速率的限 制，但对垂向涡动扩散率的假定值很敏感，尤其在侧边界处 4．在海洋边界之侧面，海山和洋中脊的上部、强流 （如湾流）附近、在南极绕极流中，冷水因混合而向上运动 (Toggweiler，et al.,, 2008;Garabato et al., 2004 和2007) 5. 众所周知，淡水可成为深海环流的“刹车”，风可成为 深海环流的“发动机”( Guang 等,2008)§§§§9.3 深海环流的观察和水团深海环流的观察和水团深海环流的观察和水团深海环流的观察和水团水团水团水团水团 汤姆扎克汤姆扎克汤姆扎克汤姆扎克（（（（Tomczak，，，，1999)定义水团如下定义水团如下定义水团如下定义水团如下：：：：水团是这水团是这水团是这水团是这 样的水体样的水体样的水体样的水体，，，，该水体具有相同的形成历史该水体具有相同的形成历史该水体具有相同的形成历史该水体具有相同的形成历史，，，，海洋的某一物理海洋的某一物理海洋的某一物理海洋的某一物理 区域是它的发源地区域是它的发源地区域是它的发源地区域是它的发源地。

正像空气中的空气团一样正像空气中的空气团一样正像空气中的空气团一样正像空气中的空气团一样，，，，水团是一水团是一水团是一水团是一 个具有可测量体积并因此在海洋中占据一定空间的物理实个具有可测量体积并因此在海洋中占据一定空间的物理实个具有可测量体积并因此在海洋中占据一定空间的物理实个具有可测量体积并因此在海洋中占据一定空间的物理实 体体体体在他们的形成区域在他们的形成区域在他们的形成区域在他们的形成区域，，，，他们唯一地占据了海洋的一个特他们唯一地占据了海洋的一个特他们唯一地占据了海洋的一个特他们唯一地占据了海洋的一个特 殊部分殊部分殊部分殊部分到了别处到了别处到了别处到了别处，，，，他们与其他水团共亨海洋并与他们发他们与其他水团共亨海洋并与他们发他们与其他水团共亨海洋并与他们发他们与其他水团共亨海洋并与他们发 生混合生混合生混合生混合一个水团的总体积由他的所有组成部分的总和决一个水团的总体积由他的所有组成部分的总和决一个水团的总体积由他的所有组成部分的总和决一个水团的总体积由他的所有组成部分的总和决 定定定定，，，，与所处位置无关与所处位置无关与所处位置无关与所处位置无关从北冰洋至南极的大西洋西侧海盆中等盐度线-深度剖面图。

图中可以 看到延展性的两个核心, 一个在深度1000m左右,从50◦S延展到20◦N,是南 极中层水； 另一个位于深度约2000m,从20◦N 至50◦S, 是北大西洋深层 水 箭头为核心流动的方向南极底层水充满50◦S至30◦N间的最深处 PF是极锋, SAF是亚南极锋根据林和里德（Lynn，Reid，1968)改变其他示踪物其他示踪物其他示踪物其他示踪物一种理想的示踪物必须满足下述要求：?1．易于测量，尽管浓度可能很小2．具有保守性，如果不与周围水团混合，不会改 变浓度3．不影响水体的密度4．存在于我们要追踪的水团中，而不存在于周围 的水团中5．不会影响海洋生物，因为我们不想释放有毒的 示踪物下而是一些广泛使用的示踪物：?1. 盐是保守的，它对密度的影响远小于温度2. 氧属于部分保守物，但动、植物呼吸和有机碳氧化会降低 其浓度3. 硅酸盐会被一些海洋生物利用，因此只有真光层以下是保 守的4. 磷被所有生物利用，但它能提供一些附加信息5. 3He是保守的, 但来源极少，大多数位于深海火山和热液 口海域6. 3H (氚)源于上世纪五十年代原子弹爆炸试验，它通过混合 层进入海洋，对追踪深层水的形成十分有用，半衰期为2.3 年，在海洋中消失十分缓慢。

7. 对氟里昂的测量精度可在达到很高，可以用追踪深海环流8. 六氟化硫SF6可注入水中，稳定性高，几个月后测量精度 仍然很高上图：1972年测量的北大西洋西部海盆断面上的氚分布；下图：1981 年的测量结果（单位：氚单位一个氚单位含有1018个氚原子（根据 Toggweiler (1994)改变）§§§§9.4 南极绕极流南极绕极流南极绕极流南极绕极流?南极绕极流是大洋深海环流的一个重要特征，因为它在大西洋、印度洋 和太平洋之间输运深、中层水 绕极流的速度约为10 cm/s，在一些锋区达到50cm/s虽然流速缓慢， 但他们的输运量比西边界流大得多通过德雷克通道的平均流量是125±11 Sv, 变动范围为95 Sv到158 Sv， 最大流量出现在晚冬早春绕极流的核心由绕极深层水组成, 这是来自各大洋的深层水的混合物绕 极流的上支含有来自各大洋的贫氧水，其下支为来自大西洋的高盐水核 当不同的水团环绕南极时，它们与相同密度的水团混合从这个意义上 说，绕极流是一个巨大的混合器，从各大洋中获取深层水，经混合再分 发给各大洋(Garabato et al, 2007)下图是澳大利亚南部海域沿140°E经向切开的剖面。

从等中性密度线看，从北 往南存在三个锋面，分别是亚南极锋SAF、极锋PF和南极绕极流锋ACC每 个锋面都是连续环绕南极的从图可见，等密线在所有深度都是倾斜的，表明 地转流也是由表及底的澳大利亚南部海域沿140°E经向中性密度等值（单位：kg/m3） (Orsi AH and Whitworth T, III, 2005; Rintoul S.R.,2009)澳大利亚南部海域沿 140°E经向中性密度等 值 （ 单 位 ： kg/m3） (Orsi AH and Whitworth T, III, 2005; Rintoul S.R.,2009)南极绕极流是由风驱动的1989年年平均风速 (m/s)、平均海表压力(hPa)(数据来自NCEP（美 国国家环境预报中心）)南极绕极流是由风驱动的位于约50◦S的最大速度的强西风驱动了该海流，南北 向的风速梯度产生了埃克曼输运的辐聚和辐散位于最大风速带50◦S以南的辐散导致绕极深层水的涌 升（南半球埃克曼输运在左侧）在南半球信风带的共同作用下，最大风速带以北的辐 聚导致南极中层水的下沉，该水团具有低盐低温的特性， 一旦下沉，便决定了南极差中层水的特性。