第三章 大气环流与大洋环流(二).pdf

引言：大洋环流与全球能量传输 思考过程： 1.净辐射的纬向差异的存在——热量从低 纬向高纬输送 2.气候模型模拟的结果 只考虑大气环流的经向输送，高纬度气 温比实测偏低20℃，中纬度海温偏低10℃。 3.结论：应有附加的经向热量输送。 北半球热量的经向输送 4. 缺失项的估算 在加入洋流热量输送的气候模拟中，低 纬温度下降，高纬温度上升，温度接近 实测结果。 5. 大洋环流的定义：海洋中具有相对稳定 流速和流向的大规模海水运动现象。 第3节 表层大洋环流 (surface-ocean current) 一、表层洋流的运动 1.表层洋流运动与大气运动成因的差异 太阳辐射对大气和海洋加热部位的不同； 大气和海洋垂向运动趋势的不同； 大气和海洋比热的不同，由于海洋温度的变化 缓慢，而使得广大海域内的海水温度和密度的 差异很小。 结论：大气和海水运动驱动力的不同，全球风场 是产生表层大洋环流的主要驱动力。 2.风海流和简化表层洋流模式 （1）风海流的定义(wind-drift currents) 风应力作用下形成的海水流动，厚度较薄。 （2）观测事实 北半球的海水运动向风应力的右方偏离，南半 球则向风应力的左方偏离； 大洋涡旋(Ocean gyres)的存在：在北半球呈顺 时针方向旋转，在南半球呈逆时针方向旋转。 根据1978年9月14日卫星雷达散射仪测量的太 平洋表面风海流运动推测的风的分布。 全球冬季表层大洋环流的分布 简化的表层洋流模式 3.实际表层洋流与简化模式的异同 相似之处 北半球副热带地区有一个顺时针方向的涡旋， 南半球副热带地区有一个逆时针方向的涡旋。 不同之处 赤道逆流（补偿流）； 环绕南极大陆的西风漂流（地形作用）； 高纬气旋型涡旋在北大西洋更为明显； 海水向涡旋的中部辐合，没有发生堆积。 可见，在风应力之外，还有其他的力作用于海 水，形成表层洋流的运动特征。 二、洋流运动的机理 （一）埃克曼输送 1.实地观测：南森的北冰洋漂流 2.理论推导：埃克曼的数学解释 边界条件：持续强风，无限和均匀的海洋，无 其他作用力。 假设：水的运动表现为许多相互独立的薄水层 的运动。 三种作用力：上覆水的应力（在水面是风应 力）、下伏水的应力和地转偏向力。 埃克曼螺线的结构 3.结论 表层洋流将沿风向的20 ～45°角方向流动； 流向将在表层以下100 ～200m之间处倒转； 100 ～200m处的流速只有表层流速的约4%。 4.推论 当螺线中所有单个水层的运动叠加后，水的净 输送方向与风向呈直角，这种水的净位移称为埃 克曼输送(Ekman transport)。 在南、北半球副热带的涡旋中，埃克曼输送的 结果是将水推向涡旋的中心。 （二）地转流的产生 1.辐合和辐散 （1）主要辐合区：涡旋的中心。 （2）主要辐散区：赤道附近的海域，北美的西 南海岸和北非的西海岸，南美和南非的西海岸。 2.垂直运动 （1）辐合区域——下沉流； （2）辐散区域——上升流。 3.地转流(Geostrophic currents) （1 ）地转流的形成过程 （1 ）地转流的形成过程 海平面坡度的形成 海平面坡度的形成 海水沿压力梯度力方向流动 海水沿压力梯度力方向流动 地转偏向力与压力梯度力平衡 地转偏向力与压力梯度力平衡 地转流的产生 地转流的产生 （2 ）定义：大致垂直于洋面坡度绕涡旋的海流。 （2 ）定义：大致垂直于洋面坡度绕涡旋的海流。 （3）方向：与风海流基本一致 （3）方向：与风海流基本一致 北半球绕涡旋呈顺时针流动； 北半球绕涡旋呈顺时针流动； 南半球绕涡旋呈逆时针流动。 南半球绕涡旋呈逆时针流动。 （4 ）结果：涡旋中水流的辐合与下沉。 （4 ）结果：涡旋中水流的辐合与下沉。 （三）边界海流 1.表现：涡旋西部的海流狭窄并且流速快；东部 的海流宽阔并且流速慢。如北大西洋湾流和加 那利海流。 2.原理：绝对涡度的守恒 涡度：描述流体绕轴旋转趋势的物理量。反时 针方向旋转的趋势为正涡度，而顺时针方向旋 转的趋势为负涡度。 行星涡度f ：由于地球的自转，地面上的流体 （除赤道外）具有绕着垂直轴的涡度