海洋科学导论.ppt

复复 习习n n海洋混合：分子混合；涡动混合；对流混合海洋混合：分子混合；涡动混合；对流混合n n混合效应：匀和层、跃层混合效应：匀和层、跃层 涡动混合　涡动混合　对流混合对流混合( (降温降温) ) 对流混合对流混合( (增盐增盐) )匀和层匀和层ρ ρ跃层跃层 可能存在可能存在 不存在不存在 不存在不存在n n 混合效应的特点混合效应的特点 冬季冬季 夏季夏季高纬高纬对流对流> >涡动（大）涡动（大）涡动（小）涡动（小）> >对对流流低纬低纬涡动（大）涡动（大）> >对流对流涡动涡动( (小）小）> >对流对流无论是涡动还是对流混合，浅海比大洋更为激烈无论是涡动还是对流混合，浅海比大洋更为激烈n n海流：较长时间内，一定的方向和速度海流：较长时间内，一定的方向和速度n n寒流（蓝色），暖流（红色）寒流（蓝色），暖流（红色）n n海流的表示：流速、流向海流的表示：流速、流向方向指海水流去的方向，向北为方向指海水流去的方向，向北为0 0   ，向东为，向东为9090 n n受力：风应力＼压强梯度力＼重力＼科氏力＼摩受力：风应力＼压强梯度力＼重力＼科氏力＼摩擦力等擦力等重力：单位质量海水所受重力在X、Y、Z方向上的量分别为0；0；-g压强梯度力：单位质量海水所受到海水静压力的合力。

方向：垂直于等压面，与压强梯度的方向相反，即指向压强减小的方向正压场正压场：等压面与 等势面平行的压力场，如图aa 等压面与等势面平行b 等压面与等势面相对倾斜海水只受G和g作用，两力平衡时：(2) 海洋压力场a) 正压场(Barotropic)与斜压场(Baroclinic )斜压场斜压场：等压面相对于等势面发生倾斜如图boxyzGg存在水平压强梯度力，是引起海水运动的重要作用力之一存在水平压强梯度力，是引起海水运动的重要作用力之一内压场：由海洋中密度差异所形成的斜压状态ρ大，|dz|小； ρ小，|dz|大斜压性随深度的增加逐渐减弱外压场：由于外部原因引起海面倾斜所产生的压力场总压场：外压场自海面到海底叠加在内压场上b)内压场与外压场(3) 压强单位C·G·S(厘米·克·秒) 压强单位为dyne/cm2，海洋上采用分巴(db) 1db=105dyne/cm2 设dz=1m=100cm，g=980cm/s2，海水3 dp=ρgdz=1.027×980×100 =1.006×105dyne/cm2=1db可见: 数值上1dz(米)=====1db(分巴）如dz=5米，则dp=5dbm·kg·S(米·千克·秒) 压强单位为帕斯卡(Pa) 。

动力学上用兆帕斯卡 (MPa) 设dz=1m，2，海水ρ=1.027×103kg/m3dp=ρgdz=1.006×104Pa=100.6hPa≈1.0×10-2MPa可见: 数值上 数值上1dz(米)=====100hPa=====10-2MPa(兆帕斯卡) 3 科氏力科氏力(Coriolis Force)从中心向唱针处划一刻痕在唱片中见到的痕迹图：科氏力的作用1)大小ω为地球自转角速度，取7.3×1010-5-5s s-1-1w很小，且fz (量级10-5) <

即或由ρ=ρ(x,y,z,t)得A式因此，A式变为质量连续方程质量连续方程假设海水为不可压缩流体，即d/dt=0，则－体积连续方程5.4 边界条件运动学边界：规定边界上海水运动速度所遵循的条件如海岸、海底的固体边界：动力学边界：规定边界上海水受力所遵循的条件如海-气界面上风应力：5.5 地转流（地转流（Geostrophic current)水平压强梯度力与地转偏向力取得平衡时的定常流动1. 定性解释海面A1A2GxuGxuu’Gu定常运动：在任何固定空间点，所有物理量均不随时间而变的流体运动xy-zv等压面βGGxGzfg等势面X方向：方向：Gx, fZ方向：方向：Gz, -gA. 假设①海水为理想流体，无粘性，Kx=Ky=Kz=0,即湍应力为0②密度均匀（ρ=const）③海水无限宽广 即④海水运动达到定常⑤ ≠0，而且的变化忽略不计（科氏力的纬度变化忽略不计）⑥水深很大⑦等压面只沿垂直坐标系的x轴方向倾斜，且与等势面的夹角为β2 2 地转方程及其解地转方程及其解 B. 方程？ 根据等压面方程dp=0，则设则其中β为海面倾斜的角度：地转流速公式a.v∝tgβ，β↑，v↑b.北半球，流向指向等压面下倾方向右方90°。

当顺流而立时，右侧等压面高，左侧低，即等压面自左下方向右上方倾斜南半球与之相反c.海面以下等压面倾角相等，自上而下流速一致d.该计算式不适用于=0或 →0的海区 说明说明例：某一海区有A、B两站如图所示，A站水位比 B站水位高米，AB之间的水平距离为360km求地转流流速并作图，以箭头表示流向 29°31°BAvG（1） ρ2>ρ1，海水静止时，其界面是水平的(图a).（2） 上、下层以v1 、v2流动时，界面发生倾斜，设界面对χ轴倾角为γ（3）等压面只在χ轴方向倾斜，上下层海水的倾角分别为β1、β2，海水只在y轴上流动通过两层海水界面时压力是连续的，界面上任意两点的压强差为dp3. 地转流与密度场、质量场的关系12图aγ由地转流简化方程：代入得：由地转流公式：因此写成微分形式或结论：1. 只有ρ2ν2=ρ1ν1，界面才是水平的；实际海洋一般难以满足，但赤道除外，因为f=0，tgγ=0 2. 等压面与等密度面相对χ轴的倾角方向相反实际海洋中v上层>v下层  4.可根据等温面(线)或等盐面(线）的倾斜方向定性地推知地转流的方向 3. 当V上层>V下层，顺流而立，在北半球ρ小的海水在右侧， ρ大的海水在左侧，等压面自左向右上倾斜。

南半球则相反⑴问题的提出β一般较小，难以测量例，20km水平距离的等压面有20cm的倾斜而4. 地转流的动力计算地转流公式可见，即使是很小的倾角也可产生较大的地转流⑵假设海区深层存在水平的等压面PN，该处流速为0 — 零面或流速参考零面又设零面以上任一水平面上站A、站B，且A> B,P为零面上方某一等压面，hA*、hB*分别表示A、B两站处等压面P与零面的垂直距离 PN海面x-zPABhA*hB*FEβP根据流体静压关系，零面处E、F两点间的压强为 当ρ水平分布不均匀，就会引起等压面的倾斜，等压面从密度较小的站点向密度较大的站下倾假设χ方向与等压面下倾的方向一致，则对于某一等压面P⑶计算公式海水的静压关系：沿垂向积分，可分别求出PN海面x-zPABhA*hB*FEβP海兰-汉森公式，L为A、B两站的水平距离，A为A站P等压面相对于零面的重力势差，单位m2·s-2即 ⑷动力计算例题① 特例，设A、B 不随深度变化②实际上A、B随深度而变化例：某海区(=24°)A、B两站相距20km，根据实测的温盐深可算得两站各深度海水的当场比容(s,t, p)，如下表所示。

设2000m深度处的等压面为零面，试求100m深度处的地转流速深度深度z(m)z(m)A A站站( ( ×10×103 3) )B B站站( ( ×10×103 3) )0 0505010010050050010001000200020000.973340.973340.973440.973440.973240.973240.973140.973140.973050.973050.973000.973000.973340.973340.973440.973440.973300.973300.973200.973200.973100.973100.973000.97300深度深度z(m)z(m)A A站站( ( ×10×103 3) )B B站站( ( ×10×103 3) )0—500—5050—10050—100100—500100—500500—1000500—10001000—1000—200020000.973390.973390.973340.973340.973190.973190.973100.973100.973030.973030.973390.973390.973370.973370.973250.973250.973150.973150.973050.97305求和代替求积解：(1) 根据实测海水的比容资料，划分计算的层次20MPa10MPa5MPa1MPa海面AB①②③④⑤(2) 假设一个适当的零面（题目通常给出假设），求出a) 第一近似：以求和代替求积→第i个水层的平均比体积→第i层上下两个等压面的压强差c) 第三近似：以各个深度的比体积值代替各个等压面的比体积，1m量值上相当于10-2MPab) 第二近似：由于观测数据是离散的，以两个等压面的比体积值的平均作为该水层的平均比体积值因此n为零面与等压面P间的水层数i为第i个水层的平均比体积B站和A站1MPa等压面相对于20MPa等压面的高度差为数值上：1m=10-2MPa=104Pa(3) 根据的符号判断BA两站P等压面的倾斜情况，在依据海区所在的半球判断该等压面上地转流的流向(4) 求vp流向向北(5) 根据流速流向作出矢量图BAfpvPa) a) 计算步骤计算步骤(1) (1) 划分计算的层次划分计算的层次(2) (2) 假设一个适当的零面，假设一个适当的零面， 求出求出ΔhΔhP-PNP-PN (3) (3) 根据根据ΔhΔhP-PNP-PN 符号判断等压面下倾方向，再据南北半球判断流向(4) (4) 求求VpVp(5) (5) 作图作图几点说明：c) 一般是在被计算海区选取三个站A、B、C，要求这三个站的连线构成一个直角三角形，如下图。

依直角边A、B两站的比体积计算流速在x方向的分量依直角边B、C两站的比体积计算流速在y方向的分量二者的合成代表整个被计算海区的地转流方向也是合成的方向ABCyxuABuBCU合d) 动力计算在不同的参考零面下所得结果是不同的，因此选取适当的零面是十分重要b) 不能只根据某深度处的比体积差来判断地转流的大小和方向，应根据 的正负和大小来判断课堂练习课堂练习n n练习练习1 1右图表示海区有倾斜流流速右图表示海区有倾斜流流速1m/s1m/s，，问问A A、、B B两站哪一站的海面较高？两站哪一站的海面较高？高多少？（注：高多少？（注：ABAB连线与流向垂连线与流向垂直，直，ABAB相距相距200km200km））n n练习练习2 2 假设假设30°N30°N某海面的倾斜是：沿某海面的倾斜是：沿X X方向方向每增加每增加1km1km，海面下降，海面下降1cm1cm；沿；沿Y Y方方向每增加向每增加1km1km，海面下降，海面下降2cm2cm求此海域倾斜流向及流速，并已箭号表海域倾斜流向及流速，并已箭号表示于下图示于下图. . BA22°20°oxyn n练习3如右图所示30°S附近海区有三个观测站A、B、C，AB相距20km，BC相距60km，ABBC，三站各深度的当场比体积(s,t,p)，如下表所示，20MPa等压面为一个零面，求海表面流速，并以箭号表示方向。

ABC练习3表 当场比体积(m3/kg)深度深度(m)(m) (s,t,p)×10(s,t,p)×108 8A A站站B B站站C C站站0 097336973369734897348与与A A站相站相同同1001009733697336973249732450050097318973189731497314100010009731297312973069730615001500973009730097300973002000200097300973009730097300。