(海洋科学概论课件)第九章-大洋环流及水团结构.ppt
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2023/10/17,1,第九章大洋环流及水团结构(OceanCirculation&StructureofWaterMass),第一节概述第二节海流成因第三节地转流第四节风海流第五节世界大洋环流第六节水团,2023/10/17,2,第一节概述(Summary),2023/10/17,3,一、定义及分类(Definition&Type),1.海流(Oceancurrent):
海水大规模相对稳定的流动。
2.分类(Type):
按成因分:
密度流(densitycurrent),风海流(windcurrent),补偿流(compensationcurrent);按受力分:
地转流(geostrophicflow)、惯性流;按发生区域:
赤道流(equatorialcurrent),陆架流,东西边界流(eastern/westernboundarycurrent)等;按运动方向:
上升流(upwelling),下降流(downwelling);按海流温度与周围海水温度差异分:
寒流,暖流等,2023/10/17,6,一、风生:
风生海流(WindDrivenCurrent),2023/10/17,7,二、温盐变化引起:
密度流(DensityCurrent),2023/10/17,8,第三节地转流,2023/10/17,9,地转流定义:
当不考虑海面风的作用时,远离海岸的大洋中部的大尺度海水流动,基本是接近水平的,并近似认为是定常的。
因此流动是压强梯度力与科氏力平衡时的产物,称为地转流,是海洋中的一种最基本的流动形式。
均匀密度场中的地转流称为倾斜流,而非均匀密度场中的地转流称为梯度流。
2023/10/17,10,一、均匀海洋中地转流倾斜流,1、方程,2023/10/17,11,一、均匀海洋中地转流倾斜流,上式的第一式和第二式分别乘以u和v,相加后得,倾斜流沿等水位线流动。
2023/10/17,12,一、均匀海洋中地转流倾斜流,倾斜流的方向选取倾斜流的方向为y轴方向,大小为v,由于v0,f0,表明流动方向的右边为?
水位;均匀海洋中的海面坡度可做为倾斜流大小的度量;水位仅为x和y的函数,故倾斜流从海面一直到海底的整个水柱具有相同的速度。
2023/10/17,13,一、均匀海洋中地转流倾斜流,在北半球,中间是高压时,由倾斜流形成的涡旋是顺时针。
2023/10/17,14,一、均匀海洋中地转流倾斜流,2023/10/17,15,二、地转流,对于f=0上式不成立。
导出上式时f不等于0。
在赤道上时,地转平衡就不存在了。
2023/10/17,16,GeostrophicFlow:
PGFbalancedbyCoriolisforce,2023/10/17,17,AnotherView,2023/10/17,18,NWSdailyweathermap,2023/10/17,19,Pacificstericheightatseasurface(Reid,1998),Unit:
Dynamicmeter,2023/10/17,20,第四节风海流(WindDrivenCurrent),2023/10/17,21,一、考虑摩擦的定常运动(亦称漂流),(WindDrivenCurrentofDeepSea/Drift)艾克曼(Ekman)于1905年根据南森在北冰洋考察时发现冰的漂流方向与风向不一致。
1、定义:
海水摩擦力和科氏力平衡时的稳定流动。
2023/10/17,22,一、无限深海的漂流(亦称漂流),(WindDrivenCurrentofDeepSea/Drift)艾克曼(Ekman)于1905年根据南森在北冰洋考察时发现冰的漂流方向与风向不一致。
1、定义:
海水摩擦力和科氏力平衡时的稳定流动。
假定:
I.均匀;II.海区无限宽广,海面无起伏;III.风场均匀,只沿一个固定方向吹;IV.只考虑垂直涡动粘滞系量引起的水平方向的摩擦力,且视为常数;V.科氏力不随纬度变化。
2023/10/17,23,一、无限深海的漂流(亦称漂流),2、方程3、边界条件:
设风只沿y方向吹,海面的边界条件,即风应力为:
无限深zu=v=0,2023/10/17,24,一、无限深海的漂流(亦称漂流),4、解,2023/10/17,25,一、无限深海的漂流(亦称漂流),海面z=0处的漂流大小,方向为与x轴45o;在任意深度z处,流量的值为,说明流速随着深度增加而呈指数减小;表明流向随着深度的增加而向右偏;在z=-Do深度处,流向为-135o,恰与表面流速相反。
流速可忽略不计。
2023/10/17,26,Ekman螺线,一、无限深海的漂流(亦称漂流),2023/10/17,27,在以风生海流为主的大洋和深海区域,实测流基本符合以上所讨论的流动规律,特别是流偏角(表面漂流方向偏离风向之角)的符合程度很好。
例我国南海,一、无限深海的漂流(亦称漂流),2023/10/17,28,二、有限深海漂流,需要引进一个深度有限的假定外,其余的与无限深同。
边界条件改为,Z=0,Z=hu=v=0,2023/10/17,29,二、有限深海漂流,做变量代换,运动方程和边界条件变为:
u=v=0,2023/10/17,30,二、有限深海漂流,海深越浅,流速随深度的增加而向右偏转的角度越小;在水深很浅的海洋里,漂流从表面到海底几乎都沿着风向流动;海深越深,漂流随深度的增加越发变得越接近无限深海漂流的情形。
2023/10/17,31,三、漂流质量输送,垂直风向输送,北半球在风向的右边,南半球相反。
浅海风海流存在岸、底摩擦,在x,y方向都有输送。
2023/10/17,32,四、风海流的附效应(Attachedeffectsofwinddrivencurrent),升降流(up&downwelling):
1)顺岸风(coastwisewind),2023/10/17,33,2)气旋(Cyclone)与反气旋(Anticyclone)3)辐散(Divergence)、聚(Convergence)带等引起,四、风海流的附效应(Attachedeffectsofwinddrivencurrent),2023/10/17,34,Ekmandivergenceatequatorandatlandboundaries,除赤道以外的其他区域存域,还存在其他辐聚辐散区?
2023/10/17,35,Ekmantransportconvergenceanddivergence,2023/10/17,36,TotalEkmantransports(observed)calculatedfromtheHellerman-Rosenstein(1983)windstressbyLevitus(1998),2023/10/17,37,GlobalmapofEkman-inducedupwelling(suction)anddownwelling(pumping),TomczakandGodfrey(2003),ch.4,2023/10/17,38,EvidenceofEkmanupwelling:
surfacenitrateconcentration,Datafromgriddedclimatology,NODC(LevitusandBoyer,1994),2023/10/17,39,形成上升流的几种形式,上升流形成机理,2023/10/17,40,世界上升流区的分布,2023/10/17,41,全球高生产力区,2023/10/17,42,北海道渔场,北海渔场,纽芬兰渔场,秘鲁渔场,上升流海域,世界著名渔场多位于,寒、暖流交汇处,2023/10/17,43,第四节大洋环流,2023/10/17,44,一、风生环流的研究过程,1)Ekman(1905)的漂流解给出了不同层流的大小和方向,但假定大洋在水平上是无限的;2)Sverdrup(1947)解不能给出不同深度层的流速,未考虑流的铅直结构;但考虑了大洋有一个东边界,未给出西部的边界条件,只能应用于邻近大洋东岸的中部海区;,2023/10/17,45,3)Stommel西向强化理论,1948,风应力、铅直湍切应力及科氏力等的平衡关系。
将大洋视等深矩形风应力随纬度变化。
考虑了海底摩擦效应,封闭大洋中的漂流模式。
指出了f随纬度变化,即效应是产生海流西向强化的基本原因。
模式中未考虑非线性平流项和水平摩擦项。
2023/10/17,46,4).Munk理论:
1950,考虑均质大洋边界侧向摩擦力作用,将北太平洋为三角形,得到与实测海流相似的结果。
2023/10/17,47,风海流,二、风生环流,2023/10/17,48,海洋表层环流的地理分布(DitributionofSeaSurfacecirculation)1、副热带海区反气旋式环流(Anticyclonecirculation):
太平洋(Pacific)、大西洋(Atlantic):
南半球和北半球都存在。
印度洋(Indianocean)南半球与大西洋(Atlantic)和太平洋(Pacific)相似,北半球冬夏环流形式受季风影响不同,冬半年是反气旋式环流,夏季则消失。
2、气旋式环流(cyclonalcirculation):
太平洋和大西洋的亚北极海区受极地弱东风的影响。
二、风生环流,2023/10/17,49,
(一)、赤道流系(Equatorialcurrent):
南、北赤道流(South/Northequatorialcurrent)对应信风带(tradewindband),亦称信风流。
南北不对称,夏季北赤道流在10N到20N25N之间,南3N10S之间。
冬季稍偏南。
赤道流自东向西逐渐加强。
2.赤道流系特征(Charactersofequatorialcurrent)主要100300m的上层,平均流速0.250.75m/s。
下部有强大的跃层存在,跃层以上温暖高盐的表层水。
溶解氧含量高,营养盐低。
赤道流是高温、高盐、高水色及透明度大为特征的流系。
3.印度洋赤道流系特征(CharactersofIndianequatorialcurrent)主要受季风(monsoon)控制。
11月至翌年3月盛行东北季风,59月盛行西南季风。
2023/10/17,50,
(一)、赤道流系(Equatorialcurrent):
4.赤道逆流(Equatorialcountercurrent)对应赤道无风带,平均位置在3N10N之间。
逆流区有充沛的降水,相对赤道流具有高温、低盐特征。
它与北赤道流之间存在辐散上升运动,水色和透明度也相对降低。
5.赤道潜流(Equatoriallatentcurrent)南赤道流区下方温跃层内,与赤道流相反自西向东的流,成带状分布,厚约200m,宽300km,最大流速达1.5m/s。
流轴常与温跃层一致,向东变浅,2023/10/17,51,2023/10/17,52,
(二)、西边界流(Westboundarycurrent):
1.大洋西侧沿大陆坡从低纬向高纬的强流。
太平洋黑潮(KuroshioCurrent)和东澳流(EastAustraliaCurrent),大西洋湾流(GulfStream)和巴西流(BrazilCurrent),印度洋莫桑比克流。
是反气旋环流一部分,赤道流的延续。
与近岸水相比,具有高温、高盐、高水色和透明度大等特征。
北强南弱。
2023/10/17,53,
(二)、西边界流(Westboundarycurrent):
2.湾流(GulfStream):
佛罗里达流与安的列斯流汇合处视为起点。
北上经1200km,到哈特拉斯角,又离岸向东,直到45W附近的格陵兰滩以南,行程2500km。
然后转向东北,横越大西洋北大西洋流。
湾流在海面宽度100150km,表层最大流速2.5m/s,最大流速偏在流轴左方,沿途流量不断增大,影响深v度可达海底。
两侧有自北向南的逆流存在。
湾流方向左侧为高密冷水,右侧低密暖水,水平温度梯度高达10C/20km。
等密线倾斜渗达2000m以下,绝大部分达海底。
有弯曲现象,流轴弯曲足够大,与主流分离,在南侧形成气旋式冷涡,在北侧则形成反气旋式暖涡。
空间特征尺度为数百千米,有时存在几年,沿湾流相反方向移动。
2023/10/17,54,
(二)、西边界流(Westboundarycurrent):
2023/10/17,55,
(二)、西边界流(Westboundarycurrent):
2023/10/17,56,
(二)、西边界流(Westboundarycurrent):
3.黑潮(KuroshioCurrent):
菲律宾群岛东侧北上,主流从台湾东侧经台湾和与那国岛之间水道进入东海,沿陆坡向东北方向流动。
到九州西南方一部分向北层对马暖流,经对马海峡进入日本海。
在此之前也有一部分进入黄海称黄海暖流,具有风生补偿流特征。
黑潮主干经吐噶喇海峡进入太平洋,沿日本列岛流向东北。
在35N附近分两支:
主干转向东流直到160E,称黑潮延续体,一支在40N附近与亲潮(OyashioCurrent)汇合转向东流汇于黑潮延续体,横过太平洋。
2023/10/17,57,(三)、西风漂流(Westwinddrift):
1.北太平洋漂流(NorthPacificdrift):
是黑潮延续体的延续。
在北美沿岸附近分为两支:
向南一支称为加利福尼亚流(CaliforniaCurrent),汇于赤道流(EquatorialCurrent);向北一支称为阿拉斯加流(AlaskaCurrent),它与阿流申流汇合,连同亚洲沿岸南下的亲潮(OyashioCurrent)共同构成北太平洋高纬海区气旋式小环流。
2.北大西洋漂流(NorthAtlanticdift):
在欧洲沿岸附近分为三支,中支进入挪威海,称挪威海流(NorwegianCurrent);南支沿欧洲海岸向南,称加那利流(CanaryCurrent),在向南与北赤道流汇合,构成北大西洋反气旋式环流;北支流向冰岛南方海域,称伊尔明格流,与东、西格陵兰流及北美沿岸拉布拉多流(LabradorCurrent)构成。
北大西洋高纬海区气旋式小环流。
2023/10/17,58,(三)、西风漂流(Westwinddrift):
3.南极绕极流(AntarcticCircumpolarCurrent):
由于南极海域连成一片,南半球西风飘流环绕整个南极大陆,是一支自表至底、自西向东的强大流动,其上部是漂流,下部为地转流。
南极锋位于其中,大西洋和印度洋平均位置为50S,太平洋位于60S。
极锋两侧海水特性、气候特征有明显差异。
极地海区干冷、亚南极海区为极地气团与温带海洋气团轮流控制,季节性明显。
4.南极辐聚带(AntarcticConvergentZone):
风场分布不均,低温、低盐、高溶解氧的表层水在极锋向极一侧辐聚下沉。
南极绕极流在太平洋东岸向北分支为秘鲁流(PeruCurrent),大西洋本格拉流(BenguelaCurrent),印度洋西澳流(WestAustraliaCurrent)。
分别在各大洋中向北汇入南赤道流(SouthEquatorialCurrent)。
5.“咆哮45”或“咆哮好望角”:
频繁的气旋活动,降水量较多,海况恶劣。
特别南半球的冬季,风与浪更大。
2023/10/17,59,(四)、东边界流(Eastboundarycurrent):
太平洋的加利福尼亚流(CaliforniaCurrent)、秘鲁流(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。
他们的流幅宽、流速小、影响深度浅,水色低、透明度小。
上升流是东边界流海区的一个重要水温特征。
原因:
信风常年沿岸吹,风速分布不均,近岸小,海面大,海水离岸运动。
另外,来自高纬海区的寒流,形成大气冷下垫面,上层大气层结稳定,有利海雾形成,因此干旱少雨。
与西边界流区具有气候温暖、雨量充沛的特点形成明显的差异。
2023/10/17,60,2023/10/17,61,(五)、亚北极海流:
气旋式环流(Cyclonalcirculation)大西洋(Atlantic):
伊尔明格、东格陵兰(EastGreenland)、西格陵兰(WestGreenland)、拉布拉多(Labrador)、西风漂流(westwinddrift)。
太平洋(Pacific):
阿拉斯加(Alaska)、阿留申、亲潮(Oyashio)、西风漂流(westwinddrift)。
2023/10/17,62,(六)、极地环流(Polarcirculation)北冰洋中的环流:
从大西洋进入的挪威流及一些沿岸流。
加拿大海盆为一巨大反气旋式环流,从楚奇科海穿越北极到达格陵兰海,部分西折,部分汇入东格陵兰流,把大量的浮冰携带进入大西洋。
南极海区环流:
南极大陆边缘一个很窄范围内,极地东风作用,形成一支自东向西绕南极大陆边缘的小环流,称为极地东风环流。
与南极绕极流间,形成南极辐散带(Antarcticdivergentzone)。
与南极大陆间形成海水沿陆架的辐聚下沉,即南极大陆辐聚区(Antarcticconvergentzone),亦是南极陆架表层海水下沉的动力学原因。
2023/10/17,63,2023/10/17,64,Schematicofsurfacecirculation(Schmitz,1995),2023/10/17,65,表层海流作用图解,2023/10/17,66,表层流作用的具体表现:
对热能进行纬向重新分配:
将暖水向极地方向输送,而将冷水向赤道方向输送。
暖洋流和冷洋流形成不同的气候:
西欧南部和加拿大东北部。
离岸洋流如加那利寒流(北非)、本格拉寒流(南非)、加利福尼亚寒流(北美)和秘鲁寒流(南美)等是大陆西岸沙漠气候的成因之一。
对海洋环境、海洋生物分布和航运产生影响。
2023/10/17,67,2023/10/17,68,BPoilspillinGulfStream,2023/10/17,69,问题:
1怎样解释逆风而动的北赤道逆流?
2风的强迫作用是如何传递到较深层海洋的?
3风能够在何种程度上决定海洋环流?
2023/10/17,70,电影后天剧照,2023/10/17,71,明天之后:
冰冷的世界,2023/10/17,72,政府间气候变化科学委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange,-IPCC)科学评估报告,2023/10/17,73,戈尔和IPCC共获2007年度诺贝尔和平奖,Pachauri,2023/10/17,74,2023/10/17,75,全球增暖:
难以忽视的真相,2023/10/17,76,BBC:
全球变暖大骗局?
2023/10/17,77,后天引发的科学疑问,什么是大洋热盐环流?
热盐环流在气候系统中的作用如何?
过去:
地球气候记录中的热盐环流档案后天中所描述的情景过去发生过吗?
现在:
今天的热盐环流监测将来:
全球变暖对热盐环流有何影响?
2023/10/17,78,热盐环流崩溃与新仙女木事件电影后天的科学背景:
全球增暖结果却令欧洲变冷,2023/10/17,79,二、热盐环流(ThermohalineCirculation),由温、盐变化引起的环流。
相对而言,在大洋中下层占主导地位;大洋主温跃层稳定性;低纬海区有净的热输入,表明深层有冷水上升,有效阻止热量从表面向下扩散,使跃层深度保持稳定。
2023/10/17,80,三、热盐环流(ThermohalineCirculation),黄观点:
风生大洋环流(Winddrivencirculation):
风应力驱动,密度差异控制建立起的环流。
热盐环流(Thermohalinecirculation):
密度差驱动的环流(包括风、热通量、水通量及海洋内部混合等,2023/10/17,81,三、热盐环流(ThermohalineCirculation),2023/10/17,82,Broecker,1991,?
2023/10/17,83,引子:
寻找深层海流的驱动力1、风海流和Ekman输送的存在表明表层流可以引起表层和深层海水的交流(上升流和下降流);风应力不是深层海水运动的驱动力(风速随深度迅速减少)。
三、深层环流(UndersurfaceCirculation),2023/10/17,84,2、地转流的存在表明:
海面坡度是表层流运动和上下层海水交流的直接原因;由于坡度很小,不会引起大规模的深层海流。
3、问题:
深层海流的驱动力是什么?
(1)海水密度分布的空间差异水平差异小,垂直差异大。
(2)海水温度和盐度分布的空间差异密度差异是由温度和盐度差异引起的。
三、深层环流(UndersurfaceCirculation),2023/10/17,85,3、问题:
深层海流的驱动力是什么?
(3)海水密度差异引起的流动,三、深层环流(UndersurfaceCirculation),2023/10/17,86,三、表层以下水团与环流(UndersurfaceWaterMass&Circulation),2023/10/17,87,I.次表层水,1)表层水以下与大洋主温跃层以上的海水。
2)副热带海域的表层水下沉形成的。
3)高盐高温,只能下沉到表层水以下的深度上。
4)大部分水体流向低纬一侧,沿主温跃层散布,少部分流向高纬一侧。
2023/10/17,88,II.中层水的运动(Movementofintermediatewater),1)南极辐聚区和西北辐聚区下沉的海水形成,带有源地低盐的特征。
温度较低,故密度较大,分布在次表层水之下。
2)南极辐聚下沉的海水,温盐特征为2.2C与33.8,下沉到8001000m深度上,一边参加南极绕极流,一部分水体向北散布进入三大洋。
大西洋可达25N;太平洋可越过赤道,印度洋在南纬10度。
2023/10/17,89,.大洋深层水的运动(Movementofdeepwater),1)深层水介于中层水和底层水之间,约在20004000m的深度上。
主要由北大西洋格陵兰南部的上层海洋中形成。
东格陵兰流与拉布拉多寒流向该区输送冷的极地水,与湾流混合后下沉(盐度34.9,温近3C)向整个洋底散布。
在大洋西部接近40N,与来自南极密度更大的底层水相遇,在其上向南流去,直到南大洋。
2)贫氧是深层水的主要特征。
2023/10/17,90,2023/10/17,91,热盐环流的定义,来自海表的风应力、热通量和淡水通量强迫是大洋环流形成的根本原因。
受海面风的应力作用产生的海流,称作风生流;由于海面受热冷却不均、蒸发降水不匀所产生的温度和盐度变化,导致密度分布不均匀形成的热力学海流,因为海水的密度主要由温度和盐度决定,所以这种由密度梯度驱动的深层洋流,被称为“温盐流”(或热盐流)。
风生流和温盐流的作用区域有所区别,前者限于大洋的上层和中层,即在密度跃层以上,后者则主要集中在大洋深层。
全球大洋10%的水体受风生流影响,90%的水体受热盐流影响。
T.GarrisonOceanography,2023/10/17,92,(Schmitz,1995),两层热盐环流输送带示意图,站在南极大陆鸟瞰大洋环流,2023/10/17,93,热盐环流是大洋环流输送带的重要组成部分实际大洋中风生流和热盐流没有严格界限(thedensitygradientaresetupprimarilybythewind).关于热盐环流的研究,重点是大西洋热盐环流,又称“大西洋经向翻转环流
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- 海洋 科学 概论 课件 第九 大洋 环流 水团 结构
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