考虑摩擦的定常流动.ppt

,物理海洋学PhysicalOceanography,2海流Chapter2Current,第一节地转流（不考虑摩擦的定常流动）第二节考虑摩擦的定常流动第三节非定常流动,2海流,2.2考虑摩擦的定常运动,一无限深海漂流二有限深海漂流三底流四非均匀风场的风生流五升降流,Ekman漂流,Ekman漂流：,由恒速定常的风长时间驱动大尺度、均匀密度的海洋，所产生的处于稳定状态的海流。,在远离大洋的深海中，海底对运动没有影响（无底摩擦效应），称为无限深海的漂流。,在近岸水域中，海底将产生一定影响（考虑底摩擦效应），称有限深海的漂流。,一、无限深海Ekman漂流,1、假定,1）密度分布均匀，为常数。2）定常均匀风场长时间吹3）海区无限广阔无限深，远离海岸4）f-平面近似5）海面无起伏,2、方程简化,不考虑热盐性质；水平压强梯度项为0；局地项为0；,一、无限深海Ekman漂流,3、求解,取左手坐标系，即z轴向下为正；设风仅沿y轴方向作用，且为恒速无限深海,一、无限深海Ekman漂流,引入复速度和复风应力,一、无限深海Ekman漂流,一、无限深海Ekman漂流,4、解的讨论,1）海水运动速度,任意深度,海面,摩擦深度处,大小：,方向：（风去向右偏）,大小：,方向：,随深度增加，流速逐渐减小，方向逐渐右偏,大小：,方向：（与海面流向相反）,一、无限深海Ekman漂流,空间结构,表层流速最大，流向为风去向右偏45；随着深度的增加，流速逐渐减小，流向逐渐右偏；至摩擦深度，流速大小是表层的4.3%，流向与表层流向相反，运动可以忽略；连接各层流失量端点，构成Ekman螺旋；Ekman螺旋在水平面上的投影，称为Ekman螺线。,一、无限深海Ekman漂流,2）水平体积输运,体积输运方向垂直于风向，在北半球向风去向右偏90输运。,一、无限深海Ekman漂流,2）垂直湍流产生的水平切应力,水平切应力与流速的方向相差45,一、无限深海Ekman漂流,水平切应力的空间结构,任意深度,海面,摩擦深度处,方向：（风去向）,方向：,随深度增加，切应力逐渐减小，方向逐渐右偏,大小：,大小：,方向：（与海面切应力方向相反）,大小：,二、有限深海Ekman漂流,1、假定,1）水深有限深2）其他与无限深海Ekman漂流相同,2、方程简化,二、有限深海Ekman漂流,3、解的讨论,无限深海：,大小表征表层有限深海漂流河无限深海漂流的差别,1）表层流,大小：,水深越浅（h越小），漂流随水深度的增加，右偏的角度越小；水深很浅的海洋里，漂流从表层到底层几乎都沿着风矢量方向流动；水深越深，漂流随深度的变化就越接近与无限深海的情形。,二、有限深海Ekman漂流,2）垂直结构,二、有限深海Ekman漂流,3）体积输运,与无限深海漂流的体积输运不同：除了有x方向输运，还有y方向，即沿着风应力方向的输运方向为风去向右偏90之间恒为正值；时，则；时，则；时，则。,二、有限深海Ekman漂流,三、底流,1、产生背景,有限深海漂流,远离海底的倾斜流：,设海面仅沿y方向倾斜（倾角为）,从海面直至海底为常数,三、底流,2、假定和方程简化,1）大尺度2）密度为常数3）有限水深4）不考虑风的作用5）不考虑侧向摩擦,三、底流,3、解的讨论,三、底流,1）流速,形成一个由底向上发展的Ekman螺旋；从上往下看，为左旋。,z=0和zh处，只存在倾斜流；z=h-D0处，也只有Us存在；z=h处，（u，v）趋向于0z在h-D0和h之间，UF,VF随z增加而变化,三、底流,(UF,VF),四、非均匀风场的风生流,1、产生背景,非均匀风场,体积输运不均匀,漂流,海面倾斜,倾斜流,密度均匀,2、假定和方程简化,1）大尺度2）密度为常数3）有限水深4）海面非均匀定常风场5）远离海岸不考虑侧摩擦,四、非均匀风场的风生流,密度为常数,3、求解与分析,二阶常系数非齐次微分方程,边界条件,四、非均匀风场的风生流,漂流部分,受摩擦影响的倾斜流,五、升降流,1、产生背景,升降流：是由不均匀风场或风场和地形配合产生的“较强烈”的铅直向流动。,非均匀风场,风场+近岸,漂流,海面倾斜,体积输运,向岸堆积增水,离岸减水,海水辐聚辐散,升降流,海水连续,五、升降流,沿岸风产生的升降流,五、升降流,非均匀风场引起的辐聚和辐散,五、升降流,气旋和反气旋产生的海洋中的升降流,五、升降流,五、升降流,2、由平行于海岸的直线风系生成的升降流,2.1假定,1）大尺度2）密度为常数3）定常风场4）直线风系，风