第三章 大气环流与大洋环流(二)

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1、引言：大洋环流与全球能量传输思考过程：1.净辐射的纬向差异的存在——热量从低纬向高纬输送2.气候模型模拟的结果只考虑大气环流的经向输送，高纬度气温比实测偏低20℃，中纬度海温偏低10℃。3.结论：应有附加的经向热量输送。北半球热量的经向输送4.缺失项的估算在加入洋流热量输送的气候模拟中，低纬温度下降，高纬温度上升，温度接近实测结果。5.大洋环流的定义：海洋中具有相对稳定流速和流向的大规模海水运动现象。第3节表层大洋环流(surface-oceancurrent)一、表层洋流的运动1.表层洋流运动与大气运动成因的差异¢太

2、阳辐射对大气和海洋加热部位的不同；¢大气和海洋垂向运动趋势的不同；¢大气和海洋比热的不同，由于海洋温度的变化缓慢，而使得广大海域内的海水温度和密度的差异很小。结论：大气和海水运动驱动力的不同，全球风场是产生表层大洋环流的主要驱动力。2.风海流和简化表层洋流模式（1）风海流的定义(wind-driftcurrents)风应力作用下形成的海水流动，厚度较薄。（2）观测事实¢北半球的海水运动向风应力的右方偏离，南半球则向风应力的左方偏离；¢大洋涡旋(Oceangyres)的存在：在北半球呈顺时针方向旋转，在南半球呈逆时针方向

3、旋转。根据1978年9月14日卫星雷达散射仪测量的太平洋表面风海流运动推测的风的分布。全球冬季表层大洋环流的分布简化的表层洋流模式3.实际表层洋流与简化模式的异同相似之处¢北半球副热带地区有一个顺时针方向的涡旋，¢南半球副热带地区有一个逆时针方向的涡旋。不同之处¢赤道逆流（补偿流）；¢环绕南极大陆的西风漂流（地形作用）；¢高纬气旋型涡旋在北大西洋更为明显；¢海水向涡旋的中部辐合，没有发生堆积。可见，在风应力之外，还有其他的力作用于海水，形成表层洋流的运动特征。二、洋流运动的机理（一）埃克曼输送1.实地观测：南森的北冰洋

4、漂流2.理论推导：埃克曼的数学解释¢边界条件：持续强风，无限和均匀的海洋，无其他作用力。¢假设：水的运动表现为许多相互独立的薄水层的运动。¢三种作用力：上覆水的应力（在水面是风应力）、下伏水的应力和地转偏向力。埃克曼螺线的结构3.结论¢表层洋流将沿风向的20～45°角方向流动；¢流向将在表层以下100～200m之间处倒转；¢100～200m处的流速只有表层流速的约4%。4.推论当螺线中所有单个水层的运动叠加后，水的净输送方向与风向呈直角，这种水的净位移称为埃克曼输送(Ekmantransport)。在南、北半球副热带的

5、涡旋中，埃克曼输送的结果是将水推向涡旋的中心。（二）地转流的产生1.辐合和辐散（1）主要辐合区：涡旋的中心。（2）主要辐散区：赤道附近的海域，北美的西南海岸和北非的西海岸，南美和南非的西海岸。2.垂直运动（1）辐合区域——下沉流；（2）辐散区域——上升流。3.地转流(Geostrophiccurrents)（（11）地转流的形成过程）地转流的形成过程¢海平面坡度的形成海平面坡度的形成¢海水沿压力梯度力方向流动海水沿压力梯度力方向流动¢地转偏向力与压力梯度力平衡地转偏向力与压力梯度力平衡¢地转流的产生地转流的产生（（22

6、）定义：大致垂直于洋面坡度绕涡旋的海流。）定义：大致垂直于洋面坡度绕涡旋的海流。（（33）方向：与风海流基本一致）方向：与风海流基本一致¢北半球绕涡旋呈顺时针流动；北半球绕涡旋呈顺时针流动；¢南半球绕涡旋呈逆时针流动。南半球绕涡旋呈逆时针流动。（（44）结果：涡旋中水流的辐合与下沉。）结果：涡旋中水流的辐合与下沉。（三）边界海流1.表现：涡旋西部的海流狭窄并且流速快；东部的海流宽阔并且流速慢。如北大西洋湾流和加那利海流。2.原理：绝对涡度的守恒¢涡度：描述流体绕轴旋转趋势的物理量。反时针方向旋转的趋势为正涡度，而顺时针

7、方向旋转的趋势为负涡度。¢行星涡度f：由于地球的自转，地面上的流体（除赤道外）具有绕着垂直轴的涡度。在北半球为正，在南半球为负，纬度越高，涡度越大。f=2ωsinϕ¢相对涡度ξ：流体相对于地球运动具有的涡度，北半球反时针旋转的海流具有正涡度，顺时针旋转的海流具有负涡度（箭头的长度代表相对流速）。¢绝对涡度：行星涡度(f)与相对涡度(ξ)之和，对于大尺度水平运动而言，绝对涡度保持恒定。d(f+ξ)=0dt如果海流向极地移动，f增大，ξ就倾向于减小，因而海流将得到反气旋式（顺时针）涡度，使之转向赤道方向移动；如果海流向赤道

8、移动，f减小，ξ就倾向于增大，因而海流将得到气旋式（反时针）涡度，使之向极地方向返回。3.大洋涡旋不对称性机理（北半球）¢涡旋周围产生负的相对涡度（顺时针）。¢东部边界海流从北向南运动，行星涡度减小，相对涡度增大（反时针倾向），岸线摩擦获得正相对涡度，使涡旋减弱。¢西部边界海流从南向北运动，行星涡度增大，相对涡度减小（顺时针倾向）