第六讲大洋环流理论

存在的问题1东西不对称强的西边界流弱的东边界流存在的问题2内区的海水都向南流动，温跃层西深东浅第四章大洋环流理论第一节Ekman层本节的目的是回答这样一个问题，在风的直接作用下，海洋表层的海水如何流动惯性运动Ekman层运动Ekman输运和Ekman抽吸(pumping)1.惯性运动考虑一种简单的情况：在海面吹过一阵强风后，海水仅仅在惯性下运动，同时假定压强梯度力可以忽略。求解方程直径：Di=2V/f周期：Ti=(2π)/f惯性震荡的圆周运动2.Ekman层运动Nansen(1898)的发现海表面的风吹动冰块沿着风的方向向右偏转20-40度在运动。Ekman层运动方程达到定常状态，只有科氏力和垂直湍摩擦力平衡风应力垂直湍粘性系数Ekman流的垂直结构特征Ekman螺旋海洋表层的流动都基本符合Ekman流特点，在北半球，流动偏向风的右方，在南半球，流动偏向风的左方。Ekman层和Ekman层深度风对海洋的直接作用只在Ekman层，Ekman层的深度表示如下（此时流动和海表流速方向相反）：3.Ekman输运和Ekman抽吸(pumping)Ekman输运：东西方向海表风应力南北方向海表风应力副热带逆流成因之一东风西风高温低温高温低温Ekman抽吸：Ekman层底的垂直速度Ekman流不是地转流，存在辐合辐散，导致垂直运动Ekman运动导致的上升流秘鲁寒流上升流加利福尼亚寒流上升流赤道区的上升流——赤道东风区的Ekman抽吸Ekman层运动总结风的瞬时吹动造成惯性运动稳定的风的吹动形成Ekman层运动海面Ekman流在风方向偏右45度（北半球）Ekman输运在风方向偏右90度（北半球）Ekman流的辐合辐散造成Ekman抽吸第二节Sverdrup理论大洋环流理论的基石Sverdrup关系Sverdrup平衡Sverdrup理论的适用范围1.Sverdrup关系准地转位涡方程：假定运动定常，忽略相对涡度和海面海底变化，忽略风应力作用（Ekman层以下）：Sverdrup关系的物理意义水柱压缩位涡守恒向南运动（行星位涡减小）位涡守恒是海洋环流的重要定理，也是Sverdrup关系的基础2.Sverdrup平衡考虑上下面摩擦作用，积分Sverdrup关系假定垂直流速为0，忽略底摩擦的作用Sverdrup平衡给出了经向流速和风应力的关系，是大洋环流中非常重要的理论副热带海区内部流动向南——负的风应力旋度Sverdrup输运、地转输运、Ekman输运Ekman层地转层海表的w=0Ekman抽吸速度wSverdrup输运Ekman输运地转输运海底的w=0Sverdrup输运是由Ekman输运和地转输运共同组成在地转层内垂直积分Sverdrup关系：Ekman抽吸速度地转输运Ekman输运Sverdrup输运海洋内部流场的确定根据Sverdrup平衡自东边界开始积分风应力由此可以得到大洋内部流函数场风应力计算的流函数和观测到的流函数之间的比较北赤道逆流的成因解释风应力的分布导致北赤道逆流的产生3.Sverdrup理论的适用范围Sverdrup关系的成立要求对准地转位涡方程近似过程中的那些项可以忽略Sverdrup平衡更加脆弱，已知有两个因素可以对洋底的相互作用做出重要贡献，它们可以打破整个Sverdrup平衡。第一个是非零的底应力，第二个是洋底倾斜所导致非零的垂直速度。Sverdrup理论只能回答大洋内区的流场分布，无法解决西边界流问题，因此需要西边界流理论Sverdrup解——共振Rossby波Sverdrup解Rossby波方程XSverdrup解可以看成是Rossby波方程的定常解，同时其解的结构由风场决定，相当于共振Rossby波第三节Stommal西向强化理论无量纲方程的建立Stommal西向强化理论1.无量纲方程的建立底摩擦和侧摩擦的引入在动量方程中考虑如下形势的底摩擦和侧摩擦力：原来的准地转位涡方程：忽略海底地形、海面起伏和海底的垂直速度，在Ekman层以下的地转层内方程变为：D为水层的厚度，We是Ekman抽吸速度无量纲化的方程将准地转位涡方程用特征流速U，特征尺度L等量进行无量纲化，得到如下方程：其中：惯性边界层厚度Stommal边界层厚度Munk边界层厚度边界条件无穿透边界条件：无滑动边界条件：滑动边界条件：超滑动边界条件：v=02.Stommal西向强化理论模型的建立准地转位涡方程中假定底摩擦最重要，忽略其他项，只保留Beta项：根据Sverdrup关系求得的内区流函数选择无法向流动和解在内区趋近Sverdrup流函数两边界条件Stommal边界层求解的流函数场Stommal能够解释出现西边界流的原因，并能给出相对合理的西边界流场第四节Munk西向强化理论模型的建立准地转位涡方程中假定侧摩擦最重要，忽略其他项，只保留Beta项：C(y)需要其他的边界条件确定无滑动条件，则x=0处v=0使用滑动条件Munk解和观测的对比Munk解不仅可以得到西边界流，还可以解出回流区西边界流的回流区第五节惯性西边界层理论问题的提出：三个边界层尺度差不多Stommal和Munk边界层宽度大约200公里，计算流速大约1m/s；实际观测发现边界层宽度大约100公里，流速可以达到2m/s。上述问题说明忽略惯性项，也就是非线性项可能是错误的。模型的建立假定惯性项也就是非线性项重要：首次积分为：求解方程假定：x=0处满足无法向流动条件，解在内区趋向Sverdrup流函数惯性边界层厚度惯性边界层的优势和不足优势：考虑了惯性项和非线性项，物理上更切合实际。计算得到的西边界层厚度大概100公里，流速可以达到2m/s，与实际吻合。不足：只是一个部分的不完全解，只在内区流动向西的区域中存在。不能满足在x=0处的第二个边界条件。西边界理论的总结Sverdrup理论惯性西边界层理论Stommal西边界层理论Munk西边界层理论为什么出现西向强化Rossby波在西边界的反射（能量来源）Beta的存在陆地边界存在（摩擦的作用）质量守恒（平衡Sverdrup内区解）Beta效应的存在是东西不对称的主要原因第六节斜压大洋环流理论初步引言一层半海洋两层半海洋多层到连续层化海洋1.引言海洋存在典型的温跃层，厚度大约在1km海洋的环流基本集中在温跃层之上温跃层以下海水比较均匀，环流很弱斜压风生环流理论的研究目的斜压风生环流理论（温跃层环流理论）是为了解决大洋上层温跃层的结构及流动问题，正压理论并没有告诉我们任何关于大洋环流垂直结构的信息，因而需要更复杂的斜压理论，几乎所有的斜压理论都将Sverdrup理论作为研究的起点位涡均一化和通风温跃层是其中最重要的斜压风生环流理论斜压理论的引出——温跃层如何形成？分子热扩散能够带来大约1米量级的温跃层深度湍扩散能够带来大约100米的温跃层深度实际海洋中温跃层深度大约为500米，因而上述两种机制都无法实现实际海洋的温跃层，说明非线性平流作用的重要的，理论突破应该从这里入手温跃层环流理论发展Iselin,1939;Montgomery,1938Veronis,1969Welander,1959,1971RhinesandYoung,1982，位涡均一化;Luyten,Pedlosky,Stommel,1983，通风温跃层2.一层半海洋海洋可以近似看成由上混合层、温跃层和深层大洋构成一层半模式一层半模式又称为约化重力模式，假定海洋被温跃层分为两层，流动只发生在上层，下层流体静止且无限深。一层半模式的一个重要结论：海面起伏和次表层温跃层起伏方向相反，量级相差3个左右Argo浮标观测到的温跃层起伏和卫星高度计观测到的海面高度起伏对比一层半模式求解大洋环流结构过程确定东边界第一层深度。根据Sverdrup理论，从东边界开始积分风应力旋度，计算自东向西的每一点流函数，得到海面起伏的分布。根距海面起伏和温跃层深度之间的关系，计算各点的温跃层深度。靠近西边界的地方内区的Sverdrup流函数和西边界流函数的解要一致。西东海洋海面高度的分布是由Sverdrup理论决定的，在副热带海区的西面海面最高海洋温跃层的分布可以用一层半理论解释，温跃层最深的地方就是海面高度最高的地方3.两层半海洋两层半海洋模式存在问题摩擦力很小，如何使温跃层内的流体流动？位涡均一化理论风的强迫扭曲了等位涡线，使其不与东边界相交，这样第二层内就可以产生运动海洋中的位涡池区通风温跃层理论温跃层的露头现象使得第二层的海水可以受到位涡的输入产生运动。北南海洋中的通风现象4.多层到连续层化海洋位涡均一化（不露头的等温面）和通风温跃层（露头的等温面）共同作用，驱动整个温跃层内的流动。海洋当中的温跃层环流第七节热盐环流理论初步什么是热盐环流？真实大洋的驱动力是风应力，热通量和淡水通量。由于海面受热不均、蒸发降水不均匀所产生温度和盐度变化所致密度分布不均匀形成的热力学海流，这种由于密度梯度驱动的洋流，称之为热盐环流风生环流和热盐环流的关系驱动力不同作用区域有所区别。风生环流限于大洋的上层和中层，即在温跃层以上，热盐环流主要集中在大洋的深层。全球大洋10%的水体受风生流的影响，90%的水体受温盐流的影响。温度<5度，流动相当缓慢（<1cm/s）热盐环流的时间尺度大约是1000年。现代深海热盐环流理论是由Stommel(1958)和StommelandAron(1960s)发展起来的，他们将Sverdrup平衡（类似于风生理论）应用于深层环流，此理论和他们的直觉想象相差太大，进行了有趣的实验，就是著名的Stommel,Aron,Faller实验Stommel,Aron,Faller实验当没有水源头，整个系统与水箱一起旋转的稳定状态下，且没有相对运动时，水深度满足：当源头S将流体输入扇形，扇形中流体产生相对运动，如果源头的力量足够弱，也就是说如果：每转一圈水箱内水的体积变化很小，由源头所激发的环流就是准定常的。试验发现，内区速度的产生是对水箱中整个水面的上升而不是对水源位置的反应。它向顶角流去，类似于海洋内区的风生Sverdrup流（当然它只对内区Ekman抽吸作出响应）。另外，很明显地，水必须在某个地方离开顶点，作者预计这发生在西边界层，有输送。Stommel–Arons（1960）理论将实验的动力学观点延伸，来描述一个球体上底层运动的理论。把整个海洋想象为一个两层模型，在两极从上层到下层有局地沉降，同时，从下层到上层（代表风驱动的温跃层）有分布广阔的返回流。返回流在两层的交界面上有垂直速度。作用于底层的沉降提供了内区流的驱动机制。正如在Stommel，Arons与Faller实验中所分析的，加入西边界流用以满足质量守恒。使用Sverdrup涡度平衡：因为层内的密度是常数，且水平速度不随深度变化，所以上式垂直积分得：即ifwo>0v>0ifwo>0v<0v=0即，只要wo>0，内区的径向流动就是向极地的。Forwo=constant：由连续方程不难得到而质量守恒要求存在一个深层西边界流。Stommel–Arons（1960）理论实际上是将Sverdrup平衡直接应用到了深层海洋，当然这里的驱动不是风生环流的Ekman抽吸，而是上下层间的沉降驱动。而质量守恒要求有西边界流来完成热盐环流。缺陷是忽略了对热盐环流影响很大的地形作用。近几十年的技术发展，使得人们能够对深层进行直接的测量，发现真实的深层环流与Stommel–Arons（1960）理论还是有很大差异的。例如Hogg(1999)的WOCE深海实验结果发现，虽然西边界流在NADW深度处很明显，但在AABW深度处并不明显，而且内区流并不是径向流占优，相反是纬向流很大。Stommel（1961）2盒模式大洋的热盐环流是由通过海-气界面的热强迫力和淡水通量控制的，这两种强迫力所涉及的物理过程是相当不同的，但长期以来，对这种差异并没有得到完全的认识。传统上，在大洋环流模式中对温度和盐度的处理是类似的。例如，对两者采用相同的扩散系数。Stommel认为盐度松弛时间应该比温度的松弛时间长。Stommel（1961）设计了一个由两条管子连接的由两个盒子组成的简单模式。温度和盐度是由松弛条件驱动的（即温度和盐度以简单的线性关系传输温度和盐度）。流率q由两容器间的密度差决定，上面的溢流是为了保持两容器里的水面保持一致。（实验模拟当温度和盐度松弛系数不同时，系统呈现什么状态）由于关心的是对称形式的解，所以可以定义一个单一温度和单一盐度由温盐守恒定律可得：在他著名的盒子模式里，Stommel定义了三个无量纲参数：三个方程无量纲化后，得到了非线性方程，Stommel用了直观的数学方法得到方程在参数值下的三个平衡点a,b.c。对应着三种可能的热盐模态。1）温度控制的稳定状态，有着相对快的环流2）盐度控制的稳定状态，相对慢的环流3）不稳定状态，任何的小扰动都会是系统偏离此状态他指出松弛常数差异的结果使得调整的第一阶段（短时间尺度）是由温度控制的（盐度并没有变化多少），调整的第二阶段（长时间尺度）是盐度控制的，在此长时间尺度上，系统的盐度平衡缓慢地建立起来。当三个参数取值为时，系统只有一个平衡点，即只有一个模态Stommel简单的模型里，解释了热盐环流多重解的问题。他强调是盐度和温度的松弛时间差异很大使得系统呈现多重解现象，当R接近1时（即温度和盐度的松弛时间相当），这种多重解就不再存在了。许多其他复杂模型里发现的热盐环流的多重解和灾难变化等可以很好地得到解释。Stommel的理想2盒模式提出后，在20年的时间内没有引起人们的注意，到了1982年，Rooth提出了三盒模式，将热盐环流迈出了第2步。Booth的3盒模式是由赤道盒和两个半球盒子组成的，他提出了四种可能的模式。大洋环流模式中的多重解问题很长时间，温度盐度用相同的松弛系数，不同的模式都得到相同的热盐环流状态。1980年，Rooth(1982)重新提出了多重解的问题，但在GFDL数值实验热盐环流的多重解失败了。Bryan设计了一套 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 使得热盐环流多重解在大洋环流模式中得以实现。现在热盐环流的突变可以在很多数值模式中得到。近年对热盐环流的重新关注是因之与大气的密切联系。根据观测，海洋负责了50%的向极地的热通量输送，而这些热通量在维持大气的热平衡是相当重要的。Bryan的模式结果发现当热盐环流发生突变，海洋的向极地热通量也发生了重大变化，进而影响整个大气。第八节海洋环流新理论旧理论的问题Stommal双盒理论虽然比较成功，但是他定义了一个人为的混合系数，同时假定环流强度由南北海水密度差决定，是纯热力学。Stommal和Aron理论假定深层海洋的上升流通过Sverdrup关系驱动深层环流，是纯动力学。上述两个理论都需要很多假定，而且二者并不互相包容，甚至相反。1.Stommal双盒理论的进步——能量对热盐环流的控制作用热盐环流的驱动力？Stommal双盒理论能量控制环流理论海洋不是热机——Sandstrom理论a)热源高于冷源:nocirculationb)热源低于冷源:strongcirculation实验证明Sandstrom理论不是完全正确，但是热源高于冷源产生的环流很弱海洋环流的实际情况加热和冷却基本在同一个高度上，加热冷却对于热盐环流基本没有贡献。由于加热冷却对热盐环流没有贡献，海洋不是热机，只是对热量起传输作用。海洋中混合的存在对维持热盐环流非常重要，混合率在海洋中不是一个常数，外界输入的机械能决定了混合率的大小。观测到的巴西海盆混合率海洋的能量收支潮汐能量是维持海洋混合的重要能量来源风的能量输入是最重要的外界机械能风对地转流能量的输入风对Ekman层的能量输入风通过波浪对海洋的能量输入2.StommalAron理论的进步——PV驱动环流理论StommalAron理论深层环流是由海洋内区广泛的上升流驱动的深层环流需要西边界流来平衡深层环流主要是南北方向的流动实际海洋未必存在广泛的上升流，同时垂直的流动真的能驱动水平环流吗？（Sverdrup关系真的对吗？）PV约束海盆积分结果：水平的PV收支决定环流一个重要推论：垂直的运动不会带来PV的源汇，也就不会驱动海盆的环流垂直源汇对环流的影响水平PV输入对环流的影响:Among11modelouputspostedinAOMIPwebsite(www.planetwater.ca\research\AOMIP),6arecyclonicand5areanti-cyclonic.PV理论在极地的应用0.8Sv2Sv1.2Sv4Sv0.8Sv2Sv1.2Sv4SvPV输入的不同，导致环流直接反向