大洋环流重点

大洋环流

1、描述世界海洋大致的风场和环流场特征。

（1）风场：赤道为赤道无风带，从低纬向高纬北半球依次为东北信风带、副热带无风带、

中纬盛行西风带、副极地风暴带、极地东风带，南半球依次为东南信风带、副热带

无风带、中纬盛行西风带、副极地风暴带、极地东风带。从南北半球来看，以赤道为中心的风场北半球形成顺时针结构，南半球形成逆时针结构；以副极地为中心的风场北半球形成逆时针结构，南半球形成顺时针结构。这决定了上层海洋的环流分布。

（2）环流场：上层海洋的环流分布受风场驱动，也受陆地边界等其他因素的影响。分布

规律为：

中低纬海区：以副热带为中心的大洋环流，北顺南逆。 北半球中高纬度海区：逆时针环流。 南极大陆外围：西风漂流（陆地影响）。

北印度洋海区：季风洋流，夏顺冬逆。 太平洋的地形：宽广的海盆，众多海脊岛屿

赤道流系：北赤道流、北赤道逆流、南赤道流、南赤道逆流、赤道潜流 赤道潜流：主要与南太平洋的水有关

? 西太平洋：核心在200米左右 ? 东太平洋：核心在50米左右

北赤道流和南赤道流

? 都是典型的风生环流，都在风最强的季节里最强，北赤道流量大于南赤道流，北赤

道逆流是南北赤道流的分界线，太平洋流南北不对称，南赤道流越过赤道。 北太平洋环流系统：副热带逆流、黑潮、黑潮延续体、北太平洋流、加利福尼亚流、亲潮 黑潮及延伸体

? 世界上最强的西边界流之一

? 流速可以达到2m/s，流量大约100SV ? 高温高盐 北太平洋海流 ? 流速慢，流幅宽 ? 受风场影响较大 ? 流动变化较小 加利福尼亚寒流 ? 流速慢，流幅宽

? 变化大，瞬时观测中较难发现 ? 形成低温低盐舌

? 加利福尼亚寒流对应的上升流，一般东边界的寒流附近都存在显著的上升流 南太平洋环流系统：南赤道流、东澳大利亚海流、西风漂流、秘魯海流 东澳大利亚海流

? 相对黑潮和湾流弱 ? 流量大约15SV

? 在南纬34度左右离开澳大利亚 西风漂流（南极绕极流） ? 流速快，流幅宽 ? 环绕整个南大洋

? 整个全球海洋环流的能量主要集中于此

秘鲁海流

? 世界著名的上升流区，生产力最强的海区 ? ENSO现象最显著的区域

大西洋的地形：大洋中脊的存在 狭长的形状

大西洋平均的风场

? 风场的辐合带同样在北半球，低纬和极地附近大致是东风带，而在中纬是西风带 ? 大西洋南半球风场南北分量较强，原因是大西洋东西较窄 大西洋的基本环流：赤道流系和南北海盆的副热带环流与太平洋类似 北大西洋流系：北赤道流、湾流、亚述尔海流、加纳利海流

湾流：世界上流量最大的西边界流，流速超过2m/s，高温高盐水，对美洲和欧洲的气候意义重大

南大西洋流系：南赤道流、巴西海流、南大西洋流、本格拉海流

巴西海流：西边界流，流速较强，流量小于黑潮和湾流

印度洋

风场：冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风在冬、夏季风作用下形成季风环流。 环流：

a、 冬季北印度洋的逆时针环流。

b、 夏季存在西边界流——索马里寒流，带来冷的海水，北印度洋地区环流是顺时针。 c、 南部洋流基本稳定，形成印度洋南部的逆时针环流。

d、 南印度洋的东边界流是暖流，与风向相反

马达加斯加海流：西边界流之一，流速较强，流轴变化较大

2、基础概念

（1） 科氏力和科氏参数

? 在地球这个非惯性坐标系中，由于地球的自传引入了惯性力——科氏力：

??2??u??fvi?fuj

科氏力的方向总是和运动的方向垂直，因而不做功，不会为运动提供额外的能

量，但是会影响运动的轨迹。 ? 科氏参数：2倍的局地旋转角速度 f?2??sin?

Rossby数：判断运动尺度大小的参数，R0? 物理意义：

? 惯性项/科氏力：R0=

UL2UfL，R0<<1是大尺度运动。

/fU

1fLU? 旋转时间尺度/平流时间尺度 R0=? 相对速度/牵连速度 R0=U/fL ? 相对涡度/牵连涡度 R0=

（2） 正压、斜压及正压

UL/

/f

正压海洋：严格意义下，等密度面和等压力面平行，即 ????p?0；

一般情况下，海水的密度（温度）看成是常数

斜压海洋：严格意义下，等密度面和等压力面不平行，即 ????p?0 一般情况下，海水的密度（温度）不是常数

3、涡度，涡度方程=>热成风关系，泰勒-普劳德曼定理

? （1）涡度： ????V，速度场的旋度定义为涡度，海洋运动中势函数运动没有涡度，

流函数运动才有涡度。逆时针运动的涡度为正值，顺时针运动的涡度为负值。海洋中最重要的涡度分量是Z方向的涡度。

（2）涡度方程：对运动方程求旋度，得到涡度方程

涡度方程

d?adt?d?dt??a??u??a??u?????p2????F?

涡度的变化 内部作用 斜压作用 外力作用 涡度的变化由内因、斜压作用和外因共同决定，绝对涡度的变化和相对涡度的变化一样。内部作用又包括流体柱的垂直流速剪切和流体柱的辐合辐散。

A．假设流体柱背景涡度向上，垂直速度剪切导致流体柱倾斜，背景涡度通量减少，诱生逆时针的环流，产生向上相对涡度弥补背景涡度变化。

B．假设背景涡度向外，辐合导致流体柱面积缩小，诱生逆时针的环流，产生向外相对涡度弥补背景涡度变化。 斜压作用：

（3）热成风关系（斜压流体） <= 涡度方程 ???y?0，

?p?0，f?u??1?p???0，假设海底流速为0，U为正值，流动向东，

2?z?z??z?y反之，U为负值，流动向西，即东西方向的流速是由南北方向的密度梯度决定，而南北方向的流速是由东西方向密度的梯度决定。在赤道即使

?u?z1?p?????y较小，由于f很小，根据

f???2?z?y，流速也较大。

涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外力作用可

以忽略（大尺度运动）：

?a??u??a??u??????p?2

大尺度运动相对涡度远小于牵连涡度, f??u?f??u??????p?2

?v1?p???u1?p?? 简化形式： f ? ? 2 ， f ? 2

?z??z?x?z??z?y

热成风关系构建了垂直流速的变化和水平密度（温度）变化之间的关系，是大洋中非

常重要的流速和密度（温度）的关系式

（4）泰勒-普劳德曼定理（正压流体）

? 涡度方程中如果运动达到定常状态，同时外力作用可以忽略（大尺度运动），斜压项

为0（正压流体）

? ?

?

?

涡度方程变为： ?u?z??v?z??u?x??a??u??a??u?0f??u?f??u?0?u?x??v?y??w?z忽略相对涡度：

连续方程： ??u??0f??u?0?v?y?0?w?z?0（流体的流动垂向无剪切，与热成风关系对应）

泰勒柱：流体如果在某一高度垂直速度为0，在所有高度上垂直速度都为0，运动是

二维的，可看做是柱状运动。

4、位涡守恒及位涡方程

d??f()?0dtH （1）位涡守恒，即位涡守恒。这是地球物理流体动力学的重要定理，其本

?质就是角动量守恒，即H?const，通过研究流体的旋转特性来认识流体的运动。

应用1：当涡度变化不大时，特别是行星涡度f变化不大时，流体的运动基本沿着等深线。 应用2：当在大洋内深度变化不大时，流体基本沿着纬线流动。

应用3：当流体遇到地形变化时，相对涡度也发生相应的变化来平衡地形变化导致

的位涡改变。

应用4：赤道潜流的形成。

f??ff?????赤道外，位涡为： ；赤道上，位涡为： 。所以

HHHH赤道上的相对涡度很大：??道潜流。

（2）位涡方程

?v?x??u?y???u?y?赤道上东西方向流动的赤

f0????g??2?????????u?v???x?t?H?y?f0????u?v??f0????y??x??f0g2??hB???f??y???????0fH??0?????????w??curlF?f?curlF0??z?以上方程是在准地转近似下得出。

定义 q ? f ? ? y ? ? ? 2 ? ? 0 ? ? ? 为准地转位涡 ?h0Bf0H

?dq?w准地转位涡方程可以写为 ： ?f0?curlFdt?z

g???????v?引入流函数 u??f0?x?y 22???????f0f0f0???????22 ?????f0??y???????????h???curlFB??????x?y??tHg?y?xHHg????? ?? ? q ?t

外力忽略，位涡守恒：

gf?J??,q??curlFdqdt?05、Rossby波

（1）频散关系：??Uk?? ? ?

k?K?LD2?2

Rossby波的频率及相速度都依赖于波数，因此是频散波。 Rossby波是低频波 。

Rossby 波仅当有位涡梯度存在时才能发生，即位涡梯度是产生Rossby波的必要条件。

（2） Rossby波的形成机制

y westward f ?, so ? ? x

位涡守恒和位涡梯度的存在是Rossby波形成的机制。当产生一个北向的扰动时，f增大，

f???const知?减小，产生顺时针涡旋，带动西边水团向北运动，产生向西的波动。由

H（3）速度

相速度：c??k??K2?L?2D； 群速度：cgx??(k?l?LD)(K?L)2?2D222?2????k

假定U=0，不存在基本流的作用，Rossby波的相速度都是向西的，反映了旋转的存

在导致的东西不对称；Rossby波的群速度长波也都是向西的，短波可以向东。

6、Sverdrup理论（会用来解释现象，用到深层热盐环流）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aso.html