物理海洋学--overview5-8章.ppt

OverviewonPhysicalOceanographyInstructedbyLHuaqing（吕华庆）MarineScienceSchoolofZhejiangOceanUni.July.,2009,Chapter5TheOceanicHeatBudget,6.1DefinitionofSalinityAtthesimplestlevel,salinityisthetotalamountofdissolvedmaterialingramsinonekilogramofseawater.Thussalinityisadimensionlessquantity.,(1)Warmestwaterisneartheequator,coldestwaterisnearthepoles.(2)Thedeviationsfromzonalaresmall.Equatorwardof40,coolerwaterstendtobeontheeasternsideofthebasin.Northofthislatitude,coolerwaterstendtobeonthewesternside.（3）Theanomaliesofsea-surfacetemperature,thedeviationfromalongtermaverage,aresmall,lessthan1.5CexceptintheequatorialPacificwherethedeviationscanbe3C(figure6.4).,(6)AtlanticissaltierthanthePacificBroecker(1997)showedthat0.32SvofthewaterevaporatedfromtheAtlanticdoesnotfallasrainonland.Instead,itiscarriedbywindsintothePacific(figure6.8).,(7),Wewillseelaterthatmeanvelocityisnotconstant.Themixedlayerisroughly10200mthickovermostofthetropicalandmid-latitudebelts.Thedepthandtemperatureofthemixedlayervariesfromdaytodayandfromseasontoseasoninresponsetotwoprocesses:1.Heatfluxesthroughthesurface.2.Turbulenceinthemixedlayerprovidesthemechanicalworknecessarytomixheatdownward.Theturbulencedependsonthewindspeedandontheintensityofbreakingwaves.,Potentialtemperatureisdefinedasthetemperatureofaparcelofwaterattheseasurfaceafterithasbeenraisedadiabaticallyfromsomedepthintheocean.Raisingtheparceladiabaticallymeansthatitisraisedinaninsulatedcontainersoitdoesnotexchangeheatwithitssurroundings.,PhysicalOceanography（物理海洋学）InstructedbyLHuaqing（吕华庆）MarineScienceSchoolofZhejiangOceanUni.Feb.,2009,静止坐标系,地转参考系,x,y,局地参考系,z,思考：从日心看地球上的质点的加速度地球上的质点的加速度=牵连加速度+相对加速度+科氏加速度,影响海水运动的因素影响海水运动重要因素有两种：1、动力学因素（各种力的作用）；2、热力学（温度、盐度等）因素。一般说，可用五个场来描写运动和变化的海洋，这五个场通常是时间和空间的函数，他们分别是：速度场、压力场、密度场、温度场、盐度场。,上式为层流海水运动一般方程。,4.1.3盐量扩散方程(盐量的质量守恒方程)设单位质量海水所含的盐量为S，则单位体积海水所含的盐量为,1、由于流动产生的盐增量在X方向流入的盐量：,同理在Y、Z方向流入的盐量分别为：在三各方向流入的盐量：,2、由于扩散产生的盐增量在X方向由于扩散进入的盐量：,同理在Y、Z方向由于扩散进入的盐量分别为：,在三方向由于扩散进入的盐量：3、控制体内盐量的变化为根据盐量守恒，有：,利用连续方程,4.1.4热传导方程1、控制体内热量的增加为,2、通过表面进入控制体的热量为在X方向：同理在Y、Z方向分别为：在三个方向之和为,3、由于分子运动（扩散）通过表面进入控制体的热量为在X方向：在Y、Z方向分别为：三个方向之和为：,4、当系统的热量守恒时，则有,4.1.5热膨胀方程海水状态方程,(4.1-40)为热膨胀方程,其中：为零度时的密度，为海水的膨胀系量。,4.1.6海水层流运动基本方程组应用物理定律已建立了：1、运动方程3个；2、连续方程1个；3、盐量扩散方程1个；4、热传导方程1个；5、状态方程一个。这七个方程包含七个未知量：是封闭方程组，加上定解条件可以求出各自的时空分布。,第四节铅直向平均基本方程（沿水深平均的二维动力学方程组）,一、沿垂向平均的基本方程的意义1.三维时均基本方程，求解困难；2.有些问题中物理量沿垂线变化不大，可作为二维问题处理。二.应用时的假定假定海水是匀质的，即均为常量，海底没有变化。三.最早提出铅直向平均的人士1935年，挪威人Sverdrup和苏联人WTOKMAH提出全流理论。,四.全流理论的应用1.围垦;2.港口建设;3.泥沙运动;4.环境评估.,五、运算法则设任一物理量，则1、铅直向的平均值计为：2、两个物理量的乘积的垂向平均,3、含参变数积分的导数用在动力学方程组,六、原始方程（1）时均后的运动方程和连续方程,忽略引潮力和分子粘性力、湍流应力只取一项,垂向取静力方程,得,七、推导过程由第三方向的运动方程积分得，压强分布：设密度为常数，则,因此原始方程变为1、先积分连续方程（4）利用含参变量积分的微分公式，有：,（7）+（8）+（9）-（10），并利用海底的边界条件，得：,消去同类项，得：如引入垂向平均流速分别U、V，且：则连续方程变为：,2、运动方程的垂向积分X方向上方程的垂向积分原方程为：,将（13）-（16）式代入（12）式，经简化后，得：,展开上（20）式，得：,最后得三个方程为：,八、总结,3、无因次数的意义（1）数：是平流项的尺度和科氏力之比值.当时，即,说明科氏力重要；当时，说明平流项（非线性项）同等重要；当时，即，说明平流项（非线性项）重要。可不考虑地转的影响。在实际的海洋中一般取：即,由此可见：当时，相应的运动可称为大尺度运动，必须考虑科氏力；而当时，相应的运动可称为小尺度的运动，可不考虑科氏力.,4.5.2几种常用的近似。1、准静压近似。将（4.5-16）还原为有因次的形式海水中任意一点的压强等于海面大气压强加该点以上水柱的重量，这就是静压假定或准静压近似。当认为海水密度近似为常数时