厦门大学海洋科学导论课件水文部分lect7-1022

1、复 习,海洋混合：分子混合；涡动混合；对流混合 混合效应：匀和层、跃层 涡动混合对流混合(降温) 对流混合(增盐) 匀和层 跃层 可能存在 不存在 不存在,混合效应的特点,冬季 夏季 高纬对流涡动（大）涡动（小）对流 低纬涡动（大）对流涡动(小）对流,无论是涡动还是对流混合，浅海比大洋更为激烈,海流：较长时间内，一定的方向和速度 寒流（蓝色），暖流（红色） 海流的表示：流速、流向 方向指海水流去的方向，向北为0 ，向东为90 受力：风应力压强梯度力重力科氏力摩擦力等,重力：单位质量海水所受重力在X、Y、Z方向上的量分别为0；0；-g,压强梯度力：单位质量海水所受到海水静压力的合力。,方向：垂直

2、于等压面，与压强梯度的方向相反，即指向压强减小的方向,正压场：等压面与 等势面平行的压力场，如图a,a 等压面与等势面平行 b 等压面与等势面相对倾斜,海水只受G和g作用，两力平衡时：,(2) 海洋压力场,a) 正压场(Barotropic)与斜压场(Baroclinic ),斜压场：等压面相对于等势面发生倾斜。如图b,o,x,y,z,G,g,存在水平压强梯度力，是引起海水运动的重要作用力之一,内压场：由海洋中密度差异所形成的斜压状态,大，|dz|小； 小，|dz|大,斜压性随深度的增加逐渐减弱,外压场：由于外部原因引起海面倾斜所产生的压力场,总压场：外压场自海面到海底叠加在内压场上,b)内压

3、场与外压场,(3) 压强单位,CGS(厘米克秒) 压强单位为dyne/cm2，海洋上采用分巴(db) 1db=105dyne/cm2 设dz=1m=100cm，g=980cm/s2，海水=1.027g/cm3 dp=gdz=1.027980100 =1.006105dyne/cm2=1db 可见: 数值上 1dz(米)=1db(分巴） 如dz=5米，则dp=5db,mkgS(米千克秒) 压强单位为帕斯卡(Pa) 。动力学上用兆帕斯卡 (MPa) 设dz=1m，g=9.8m/s2，海水=1.027103kg/m3 dp=gdz=1.006104Pa=100.6hPa1.010-2MPa 可见:

4、数值上 数值上 1dz(米)=100hPa=10-2MPa(兆帕斯卡),3 科氏力(Coriolis Force),从中心向唱针处划一刻痕,在唱片中见到的痕迹,图：科氏力的作用。,1)大小,为地球自转角速度，取7.310-5s-1,w很小，且fz (量级10-5) g ，上式简化为：,科氏参量：,科氏力的量级很小，若=45，u=50cm/s，则,2) 方向 北半球：位于物体运动方向的右方90 南半球：位于物体运动方向的左方90,3) 特点 a 只有运动的物体受力 b 只改变运动的方向，不改变大小 c 赤道为0，极区最大,4 切应力,单位面积上的分子切应力：,n为界面法线方向 为分子粘滞系数,任

5、取边长x yx立方体海水，设只沿x方向运动，只存在z方向上的速度梯度 总切应力大小为,单位体积海水所受切应力大小为,设为常量，单位质量海水所受切应力大小为,湍流切应力：,K为湍流粘滞系数,同理，由x方向的流速垂直梯度产生的湍流应力大小为,考虑海水在各个方向的速度梯度，则单位质量海水所受应力合力的三个分量表达式：,(四)海水的运动方程,单位质量海水相对于地球的加速度与受力关系：,加速度=重力+压强梯度力+科氏力+切应力,在直角坐标系的数学表达为,说明： 1) 方程中略去了含垂直流速w项及其它小量项 2) 方程右边各项表示作用在单位质量海水质点上的力，,单位质量海水质点所受到的压强梯度力 单位质量

6、海水质点所受到的科氏力 单位质量海水质点所受到的切应力,海水流动的湍流平均运动方程组在海洋条件下的形式为：,4) 在南半球，取负值，方程形式不变,5) 在讨论海水的不同运动形式时，经常从实际情况出发对方程加以简化，以便求解,3) 方程左边为海水质点的加速度分量,5.3 连续方程,任取一x,y,z的小立方体,t内流入量：,当x0，在x方向上流出与流入的差为,t内流出量：,由小立方体内质量的总净变化为,小立方体内质量随时间的变化为,若质量守恒，则总效应必为0。即,或,由=(x,y,z,t)得,A式,因此，A式变为,质量连续方程,质量连续方程,假设海水为不可压缩流体，即d/dt=0，则,体积连续方程

7、,5.4 边界条件,运动学边界：规定边界上海水运动速度所遵循的条件 如海岸、海底的固体边界： 动力学边界：规定边界上海水受力所遵循的条件 如海-气界面上风应力：,5.5 地转流（Geostrophic current),水平压强梯度力与地转偏向力取得平衡时的定常流动,1. 定性解释,A1,u,定常运动：在任何固定空间点，所有物理量均不随时间而变的流体运动,x,y,-z,v,等压面,G,Gx,Gz,f,g,等势面,X方向：Gx, f Z方向：Gz, -g,A. 假设 海水为理想流体，无粘性，Kx=Ky=Kz=0,即湍应力为0 密度均匀（=const） 海水无限宽广 即 海水运动达到定常 0，而且

8、的变化忽略不计（科氏力的纬度变化忽略不计） 水深很大 等压面只沿垂直坐标系的x轴方向倾斜，且与等势面的夹角为,2 地转方程及其解,B. 方程,？,根据等压面方程dp=0，则,设,则,其中为海面倾斜的角度：,地转流速公式,vtg，v 北半球，流向指向等压面下倾方向右方90。当顺流而立时，右侧等压面高，左侧低，即等压面自左下方向右上方倾斜。南半球与之相反。 海面以下等压面倾角相等，自上而下流速一致。 该计算式不适用于=0或 0的海区,说明,例：某一海区有A、B两站如图所示，A站水位比 B站水位高0.2米，AB之间的水平距离为360km。求地转流流速并作图，以箭头表示流向。,29,31,B,A,v,

9、（1） 21，海水静止时，其界面是水平的(图a). （2） 上、下层以v1 、v2流动时，界面发生倾斜，设界面对轴倾角为 （3）等压面只在轴方向倾斜，上下层海水的倾角分别为1、2，海水只在y轴上流动 通过两层海水界面时压力是连续的，界面上任意两点的压强差为dp,3. 地转流与密度场、质量场的关系,1,2,图a,由地转流简化方程：,代入,得：,由地转流公式：,因此,写成微分形式,或,结论：1. 只有22=11，界面才是水平的；实际海洋一般难以满足，但赤道除外，因为f=0，tg=0 2. 等压面与等密度面相对轴的倾角方向相反,实际海洋中v上层v下层,4.可根据等温面(线)或等盐面(线）的倾斜方向定性地推知地