4-1-3海流解析优秀PPT.ppt

《4-1-3海流解析优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《4-1-3海流解析优秀PPT.ppt（41页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、海洋学海洋学第四章第四章 海流海流海 流l 4-1 海流的成因及表示方法l 4-2 海水受力分析l 4-3 海水运动基本方程l 4-4 地转流l 4-5 风海流l 4-6 大洋环流 纽芬兰海疆大大 西西 洋洋印度洋印度洋太平洋太平洋“泰坦尼克号泰坦尼克号”首航没有进入北极海区，那么，使首航没有进入北极海区，那么，使船沉没的冰山是怎样进入纽芬兰海疆的呢？船沉没的冰山是怎样进入纽芬兰海疆的呢？海流定义广义地讲海流是指海洋中较大规模的相对稳定的海水运动。狭义地讲是指海流在水平方向上的运动重量，而海流垂直方向上的运动重量单独称为上升流或下降流。4-1 海流的成因与表示方法海流的成因与表示方法全球性范围

2、，与大气环流相对应全球性范围，与大气环流相对应 随深度而减弱随深度而减弱(所涉及的深度通常只有几百米所涉及的深度通常只有几百米)仅是一薄层仅是一薄层1.由风引起由风引起2.由温、盐由温、盐变更引起变更引起一一.海流的成因海流的成因 斜压场引起，范围不定斜压场引起，范围不定 与深度无关与深度无关 风海流风海流风海流风海流热盐环流热盐环流热盐环流热盐环流梯度流梯度流梯度流梯度流潮流潮流潮流潮流波浪流波浪流波浪流波浪流按成因按成因按成因按成因地转流地转流地转流地转流惯性流惯性流惯性流惯性流按受力按受力按受力按受力表层流表层流表层流表层流深层流深层流深层流深层流底层流底层流底层流底层流沿岸流沿岸流沿岸

3、流沿岸流赤道流赤道流赤道流赤道流东西边界流东西边界流东西边界流东西边界流按区域按区域按区域按区域寒流寒流寒流寒流暖流暖流暖流暖流按温度按温度按温度按温度特性特性特性特性定常流定常流定常流定常流周期流周期流周期流周期流短期流短期流短期流短期流按随时间按随时间按随时间按随时间变更关系变更关系变更关系变更关系二二.海流的分类海流的分类暖暖流流暖暖流流寒寒流流寒寒流流纬度高纬度高水温低水温低纬度高纬度高水温低水温低0暖流暖流寒流寒流水温高 水温低水温低 水温高（从低纬流向高纬）（从高纬流向低纬）当地法当地法描述描述方法方法随体法随体法拉格朗日法拉格朗日法 欧拉法欧拉法质点轨迹：质点轨迹：参数分布：参数

4、分布：B=B（x,y,z,t）用漂流瓶或中性浮子追踪流迹用漂流瓶或中性浮子追踪流迹 在几个固定点同时对海流进行观在几个固定点同时对海流进行观测，确定其速率和方向测，确定其速率和方向三三.海流的表示方法海流的表示方法比较比较海流是矢量。海洋学中常用右手坐标系：海流是矢量。海洋学中常用右手坐标系：海流是矢量。海洋学中常用右手坐标系：海流是矢量。海洋学中常用右手坐标系：x x轴正方向轴正方向轴正方向轴正方向向东、向东、向东、向东、y y轴正方向向北、轴正方向向北、轴正方向向北、轴正方向向北、z z轴正方向向上。轴正方向向上。轴正方向向上。轴正方向向上。海流流速矢量海流流速矢量海流流速矢量海流流速矢量

5、V V在直角坐标系中表示为：在直角坐标系中表示为：在直角坐标系中表示为：在直角坐标系中表示为：V=ui+vj+wkV=ui+vj+wk 其中其中其中其中u u、v v和和和和ww依次为依次为依次为依次为 x x、y y及及及及z z轴上的重量。轴上的重量。轴上的重量。轴上的重量。海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去向，线段长短表示海流的大小，单位向，线段长短表示海流的大小，单位向，线段长短表示海流的大小，单位向，线段长短表示海流的大小，单位cm/s

6、cm/s。三三.海流的表示方法海流的表示方法4-2 海水受力分析海水受力分析作用在海水微团上的力可归结为两类p主动力：引起海水运动的力 如重力、压强梯度力、风应力和引潮力等p被动力：海水运动派生出的力 如科氏力、摩擦力等一、一、重力重力(地势梯度力地势梯度力)p地心引力和地球自转所产生的惯性离心力的合力。地心引力和地球自转所产生的惯性离心力的合力。pp地势地势地势地势 逆重力方向移动单位质量物体到某一高度所做的功逆重力方向移动单位质量物体到某一高度所做的功 p地势梯度力地势梯度力 方向：垂直向下方向：垂直向下或或p单位质量海水所受的重力即为重力加速度单位质量海水所受的重力即为重力加速度g g，

7、理论，理论上它是地理纬度和海洋深度的函数，但在海洋学中上它是地理纬度和海洋深度的函数，但在海洋学中一般将其视为常量。一般将其视为常量。p等等(位位)势面：重力势相等的点组成的面，与重力到势面：重力势相等的点组成的面，与重力到处垂直。静止状态下的海平面就是一个等势面。处垂直。静止状态下的海平面就是一个等势面。p位势深度：从上往下计算的位势差位势深度：从上往下计算的位势差p位势高度：从下往上计算的位势差位势高度：从下往上计算的位势差其在直角坐标系中的三个重量为：其在直角坐标系中的三个重量为：p垂直垂直压压强强梯度力必定与重力平衡梯度力必定与重力平衡p水平水平压压强强梯度力梯度力则则使海水沿其方向使

8、海水沿其方向产产生水平运生水平运动动，除非有其它除非有其它变变更海水运更海水运动动方向的力。方向的力。二、二、压力压力(压强梯度力压强梯度力G)G)p压强梯度力是单位质量海水所受压力的合力压强梯度力是单位质量海水所受压力的合力pG G的大小：等于压强梯度值除以海水密度，单位的大小：等于压强梯度值除以海水密度，单位（N/kgN/kg3 3），即），即 p等压面：等压面：海洋中压力到处相等的面，海洋学中将海洋中压力到处相等的面，海洋学中将海面视为海压为海面视为海压为0 0的等压面（即一个大气压的等压面（即一个大气压1013.25hPa1013.25hPa）pG G的方向：与等压面垂直，恒久指向压力

9、减小的方的方向：与等压面垂直，恒久指向压力减小的方向，即与压强梯度方向相反向，即与压强梯度方向相反p静止海洋中，海水密度为常数或只是深度的函数时，静止海洋中，海水密度为常数或只是深度的函数时，等压面必定是水平的，即等势面平行，此时的压力场等压面必定是水平的，即等势面平行，此时的压力场称为正压场。称为正压场。p当海水密度不是常数，尤其是水平方向上有着明显当海水密度不是常数，尤其是水平方向上有着明显差异时，等压面相对于等势面将会倾斜，此时的压力差异时，等压面相对于等势面将会倾斜，此时的压力场称为斜压场。场称为斜压场。斜压场（斜压场（海洋上部）海洋上部）正压场（正压场（某深度以下）某深度以下）等势面

10、等势面等压面等压面g gg gG GG GF Fz z5 5z z1 1z z2 2z z3 3z z4 4p p0 0p p1 1p p2 2p p3 3p p4 4p对于静止的海水微团，它受到压强梯度力，但必对于静止的海水微团，它受到压强梯度力，但必需和重力势梯度相平衡需和重力势梯度相平衡两等压面之间的距离：两等压面之间的距离：两等压面间的密度越大，则其距离越小两等压面间的密度越大，则其距离越小pG值的量级相当于无摩擦时，物体在值的量级相当于无摩擦时，物体在lcm:1km斜斜面上所受的力面上所受的力.p内压场内压场:仅由仅由分布确定的压力场分布确定的压力场.p外压场外压场:由海面上的风、降

11、水、江河径流等缘由所由海面上的风、降水、江河径流等缘由所产生的压力场产生的压力场p总压场总压场:外压场迭加在内压场之上外压场迭加在内压场之上三、科氏力（地转偏向力）三、科氏力（地转偏向力）由地球自转而对运动物体产生的作用力由地球自转而对运动物体产生的作用力地球表面的线速度差地球表面的线速度差平均角速率平均角速率7.29210rad/s7.29210rad/s；曾母暗沙曾母暗沙(4N)(4N)：462m/s 462m/s；漠河漠河(5325)(5325)：276m/s 276m/s；北极：北极：0 m/s 0 m/s探讨地球上的海水或大气的大规模运动时，探讨地球上的海水或大气的大规模运动时，必需

12、考虑地球自转效应，或称为科氏效应。必需考虑地球自转效应，或称为科氏效应。p傅科摆傅科摆 p 1851 1851年傅科在年傅科在67m67m长的钢丝下挂一个长的钢丝下挂一个28kg28kg的铁球的铁球组成一个单摆，他利用摆平面的转动成功地证明地球组成一个单摆，他利用摆平面的转动成功地证明地球在自转。在自转。傅科摆摇摆周期为：傅科摆摇摆周期为：北京天文馆：北京天文馆：9.6/h，约，约230/d南北两极南北两极:360/d p方向：在北半球垂直于物体运动方向且指向其右方向：在北半球垂直于物体运动方向且指向其右方，南半球正相反；方，南半球正相反；p大小：大小：科氏力的解析表达式科氏力的解析表达式科氏

13、力的各重量为：科氏力的各重量为：由于w很小，忽视与w有关项，简化为：科氏参量：科氏参量：pp科氏力的作用科氏力的作用科氏力的作用科氏力的作用:pp（1 1）作用于运动物体前进方向的右方相垂直的）作用于运动物体前进方向的右方相垂直的）作用于运动物体前进方向的右方相垂直的）作用于运动物体前进方向的右方相垂直的方向上，只变更其方向，不变更速度；方向上，只变更其方向，不变更速度；方向上，只变更其方向，不变更速度；方向上，只变更其方向，不变更速度；pp（2 2）在河流流淌方向的右岸施加附加压力，使）在河流流淌方向的右岸施加附加压力，使）在河流流淌方向的右岸施加附加压力，使）在河流流淌方向的右岸施加附加压

14、力，使得右岸易受冲刷；得右岸易受冲刷；得右岸易受冲刷；得右岸易受冲刷；pp（3 3）在北半球使大气低压系统形成逆时针方向）在北半球使大气低压系统形成逆时针方向）在北半球使大气低压系统形成逆时针方向）在北半球使大气低压系统形成逆时针方向的环流。的环流。的环流。的环流。四、摩擦力相邻两层海水之间或海水与其边界之间，因海水相对运动而产生的切向作用力，称为摩擦力。摩擦力分为分子摩擦力和涡动(湍流)摩擦力，相应的粘滞系数分别称为分子粘滞系数和涡动粘滞系数，通常后者比前者大数个量级，故在海洋学中通常忽视分子摩擦力。单位面积上的切应力：单位面积上的切应力：为分子粘滞系数为分子粘滞系数单位质量海水的分子切应力

15、：单位质量海水的分子切应力：实际海水总是处于涡动状态，即小水团可以自由地实际海水总是处于涡动状态，即小水团可以自由地从一水层进入另一水层从一水层进入另一水层.当小水团由速度大的水层进入速度小的水层时，它当小水团由速度大的水层进入速度小的水层时，它同时将自己的动量带进这一水层，从而使这一水层同时将自己的动量带进这一水层，从而使这一水层的平均动量增加；的平均动量增加；当水团从速度小的水层进入速度大的水层时，将产当水团从速度小的水层进入速度大的水层时，将产生相反的作用。生相反的作用。这与海水的粘滞性而形成的摩擦切应力相像。在实这与海水的粘滞性而形成的摩擦切应力相像。在实际海水中，由涡动导致的涡动摩擦

16、应力比分子粘性际海水中，由涡动导致的涡动摩擦应力比分子粘性引起的分子粘性应力大很多量级。所以，我们在探引起的分子粘性应力大很多量级。所以，我们在探讨海水运动时，将分子粘滞系数以湍流粘滞系数代讨海水运动时，将分子粘滞系数以湍流粘滞系数代替，分子粘性可以忽视。替，分子粘性可以忽视。由涡动产生的切应力和涡动摩擦力：由涡动产生的切应力和涡动摩擦力：只取决于海水的性质，与其运动状态无关。只取决于海水的性质，与其运动状态无关。与海水的运动状态及水层的稳定性有关。与海水的运动状态及水层的稳定性有关。其中其中KxKx、KyKy和和KzKz分别为分别为x x、y y及及z z方向上的湍流粘滞系数。方向上的湍流粘

17、滞系数。通常通常KxKx、KyKy远大于远大于KzKz，但由于流速重量的垂直梯度远大，但由于流速重量的垂直梯度远大于水平梯度，因此，上式中只有垂直湍流引起的水平湍于水平梯度，因此，上式中只有垂直湍流引起的水平湍流摩擦力才是重要的。流摩擦力才是重要的。p单位质量海水所受湍流摩擦力的合力，其在单位质量海水所受湍流摩擦力的合力，其在x x、y y及及z z轴上的重量依次为：轴上的重量依次为：4-3 海水运动方程海水运动方程一、流体静力学方程一、流体静力学方程(能量方程能量方程)静止的海水微团受到的压强梯度力和地势梯度力相平衡。即静止的海水微团受到的压强梯度力和地势梯度力相平衡。即不行压缩流体不行压缩

18、流体二、连续方程（质量守恒方程）二、连续方程（质量守恒方程）进出流体微元的质量差等于微元内部流体质量的增减进出流体微元的质量差等于微元内部流体质量的增减不行压缩流体的连续方程不行压缩流体的连续方程应用微元分析法进行公式的推导：应用微元分析法进行公式的推导：应用微元分析法进行公式的推导：应用微元分析法进行公式的推导：取微元体：取空间六面体对探讨对象，取微元体：取空间六面体对探讨对象，取微元体：取空间六面体对探讨对象，取微元体：取空间六面体对探讨对象，边长边长边长边长dxdx、dydy、dzdz受力分析：受力分析：受力分析：受力分析：质量力质量力质量力质量力XX、Y Y、Z Z表面力表面力表面力表

19、面力法向应力（法向应力（法向应力（法向应力（6 6个）个）个）个）切向应力（切向应力（切向应力（切向应力（1212个）个）个）个）注：应力符号中，第一脚标表示作用面法线方向；其次脚标表示应力方向。注：应力符号中，第一脚标表示作用面法线方向；其次脚标表示应力方向。导出实际流体运动微分方程，导出实际流体运动微分方程，即即Navior-Stokes方程（简称方程（简称N-S方程）：方程）：N-S方程的物理意义：单位质量流体所受质量力、方程的物理意义：单位质量流体所受质量力、表面力和粘性切应力在三个坐标轴的投影和等于表面力和粘性切应力在三个坐标轴的投影和等于加速度。加速度。质量力质量力 法向表面力法向表面力全加速度全加速度切向表面力切向表面力粘性力粘性力三、动量方程三、动量方程物理意义：总惯性力与总外力相平衡。物理意义：总惯性力与总外力相平衡。压强梯度力压强梯度力柯氏力柯氏力重力重力其他外力其他外力p 能量方程海流运动基本规律描述p 运动方程p 连续方程