物理海洋學復習提綱

1、物理海洋學復習提綱海洋學的學科體系是怎樣的？什么是物理海洋學，它的研究對象與方法是什么？海洋學：是研究海洋的自然現(xiàn)象、性質及其變化規(guī)律，以及開發(fā)利用海洋的知識體系。是地球科學和地理學中的自然地理學的組成部分。【基礎學科】物理海洋學、海洋化學、海洋地質學、海洋生物學【邊緣學科】 海洋環(huán)境學、 海洋氣象學、航海海洋學、漁場海洋學、軍事海洋學、區(qū)域海洋學、 海洋工程、海岸工程、海港工程、圍海工程、深海采礦工程、海水養(yǎng)殖、海水淡化工程、海水 綜合利用工程、海洋能開發(fā)工程、海洋水下工程、海洋空間開發(fā)工程、海洋石油和天然氣開采工程 物理海洋學：運用物理學的觀點和方法，研究海洋中的力場、熱鹽結構、以及相關的

2、各種機械運動的時空變化，并研究海洋中的物質、動量和能量的交換和轉換的學科。物理海洋學所研究的對象，是人類和其他生物賴以生存和生活的海洋中的物理環(huán)境。這種環(huán)境中的物理過程，與地球上的氣候和天氣的形成和變化、海洋生物的生存和生活、海洋中物質和熱量的輸送、海岸和海底的侵蝕和變化，以及海洋的交通運輸和軍事活動等，都有密切的關系。研究方法： ? 觀測與調查(現(xiàn)場和室內試驗)：衛(wèi)星遙感、航拍，海洋調查船，錨系、浮標，采樣，樣品分析，水槽試驗，數(shù)值實驗? 理論化知識體系的建立：從鉛筆/紙張到超級計算機；從數(shù)據(jù)分析到理論；從理論到模型海里相當于多少公里？緯度中 1分相當于多少海里？表示航行速度經(jīng)常有單位“節(jié)”

3、，一節(jié)相當于多少m/s?地球的自轉角速度是多少？1海里=;緯度中1分相當于1海里、緯度中1度相當于60海里，約111km；1節(jié)(kt ) =1海里/小時=h (約等于s)；地球自轉的角速度 3=2 Tt /(24x3600s)=A-5 rad/s世界海洋中根據(jù)其空間尺寸如何分類？什么是邊緣海？什么是陸架淺海？洋(Ocean)、海(Sea):邊緣海，陸架淺海、海灣(Bay , Gulf , Embayment)、海峽(Strait, Gullet)、 峽灣(Fjord)、潮汐漢道(Tidal inlet)、河口(Estury)、潮灘(Tidal flat)、沙灘(Sand beach) 位于大陸

4、邊緣，以島嶼、群島或半島與大洋分隔，僅以海峽或水道與大洋相連的海域。大陸架：它的范圍自海岸線(一般取低潮線)起，向海洋方面延伸，直到海底坡度顯著增加的大陸坡折處為止。大陸架是大陸的自然延伸，原為海岸平原，后因海面上升之后， 才沉溺于水下，成為淺海。海洋中聲音傳播的速度與什么因素有關？何為海洋聲道，其成因與特征分別是什么？海水的鹽度、水深(壓強)、海面和海底狀況、海水的運動、海洋中包含的各種不均勻體如氣 泡和生物等從聲速最低的地方發(fā)射的聲波，由于上下層的聲速不同而發(fā)生折射，造成聲波傳播途徑總是彎向聲速最低的地方。大部分聲波在海水中經(jīng)過這樣的往復彎曲折射，而不與海面和海底接觸， 故能量損失很小，這

5、種現(xiàn)象稱為聲道現(xiàn)象。聲速最低的地方稱為聲道軸。海洋中光的傳播與什么因素有關？光在水層中的衰減滿足什么定律？光的傳播對海洋生態(tài)系統(tǒng)有何影響？什么是真光層？(1)海水中光的吸收：光能量在水中損失的過程就是吸收。吸收也存在不同的物理過程：有 些光子是在它的能量變?yōu)闊崮軙r損失了，有些光子被吸收后由一種波長變?yōu)榱肆硪环N波長的 光。(2)海水中光的散射：散射時，光子沒有消失，只是光子的前進方向發(fā)生了變化。也導致水中準直光束能量的衰減。海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質粒子、浮游植物及可溶有機物粒子等。植物是海洋中生命的關鍵一環(huán)。植物需要光，光能夠到達的海洋深度在一定程度了決定了

6、大多數(shù)海洋生物的生存深度。真光層，又名透光帶，英文 photic zone,指水層中有光線透過的部分。為海洋生物生態(tài)作用 最活躍的水層。風速的垂向分布如何？風應力如何計算？風的大小是如何分級的?In垂向風速剖面：In風應力計算：的？什么是位溫？世海洋的熱平衡是怎樣的？什么是位溫？世界大洋的水溫分布如何？受什么因素控制？熱平衡：太陽短波輻射、海面有效回輻射、潛熱（蒸發(fā)和凝結）、顯熱（對流）位溫：某一深度海水絕熱上升到海面時溫度，比現(xiàn)場溫度低空間：垂向（混合層、溫躍層、深層海洋）；表面（緯向帶狀分布，北半球大洋西部溫度大于東部、南半球相反）時間：日變化（變化小，正弦曲線）；年變化（熱帶變化小周期半

7、年、溫帶變化大周期一年， 近岸海域溫差大，）因素：太陽輻射、大洋流動、風什么是上混合層？其季節(jié)性變化特征是什么，由何種因素控制？上混合層：海洋要素（特別是位溫）隨深度分布趨于均勻的海洋邊界層。夏季：太陽輻射強、表面風弱，所以混合層最淺；冬季：海洋失去熱量、表面風強，所以混合 層最深。世界大洋的鹽度分布規(guī)律如何？為什么會形成這樣的分布？空間：就大洋表層鹽度的多年平均而言，其經(jīng)線方向分布與蒸發(fā)、降水之差（EP）有極為相似的變化規(guī)律基本上也具有緯線方向的帶狀分布特征，但從赤道向兩極卻呈馬鞍形的雙峰分布。即赤道海域，鹽度較低；至副熱帶海域，鹽度達最高值；從副熱帶向兩極，鹽度逐漸降低，這 與極地海區(qū)結冰

8、、融冰的影響有密切關系。時間：由于蒸發(fā)、降水、結冰和融冰都有年周期變化，所以海洋表層鹽度的年變化也有周期 性。極地海域：春季（大約 4月）融冰，表層鹽度最低，冬季季風強烈并且結冰排出鹽分，近表層 鹽度最高。中緯度海域：夏季（79月）降水和徑流最大，鹽度值最低，冬季蒸發(fā)強降水少，鹽度值最O熱帶海域：季節(jié)變化不明顯。什么是海水的狀態(tài)方程？為什么在河口地區(qū)海水的密度主要由鹽度變化決定？海水狀態(tài)方程是描述海水狀態(tài)參數(shù)（溫鹽密）之間關系的方程式，也稱為P-V-T性質。河口區(qū)域海水鹽度變化大，相比較于溫度而言對密度的影響更大。什么是連續(xù)方程？ Boussinesq假定是什么？要什么條件才能滿足？什么是靜壓

9、假定，需要什么條件才能滿足？連續(xù)方程：Boussinesq假定：流體的密度跟壓強和溫度有關，在低速流動中，流體壓強變化不大，主要是由于溫度的變化引起密度變化，因此忽略壓強變化引起的密度變化，只考慮溫度變化引起的密度變化叫做 Boussinesq假設。 ?海洋中的速度要小于聲速；?波浪或者擾動的相速度必須小于聲速；?運動的垂直尺度必須小于C*2/g （g是常量）靜壓假定：靜壓近似是指對水平尺度遠大于鉛直尺度的大尺度運動，垂向動量守恒方程可以簡化為靜壓關系。（看書！）海洋中的力有哪些？動量平衡方程（歐拉方程， Navier-Stokes ）是怎樣的?重力：引潮力、浮力、水平壓強梯度力摩擦力：風應力

10、、底部切應力慣性力（表觀力、偽力） 歐拉方程：什么是雷諾數(shù)？它表示怎樣的物理意義？雷諾應力與湍流摩擦是什么關系?水體紊動是由于流體運動的非線性作用產(chǎn)生的。這種非線性作用可以用動量方程中的非線性項來表達，組合成一個無量綱數(shù)Re=P vL/心，p、心為流體密度和運動粘性系數(shù)，v、L為流場的特征速度和特征長度湍流摩擦與雷諾應力的關系：在混和中，靜力穩(wěn)定與動力穩(wěn)定是如何定義的？什么是雙擴散，“鹽指”是怎樣形成的？?靜力穩(wěn)定度：如果密度較大的水體浮于較小水體的上面，上層水體就會下沉，反之則不會下沉。動力穩(wěn)定度：本來處于靜態(tài)穩(wěn)定的海表，在風應力等動力作用下發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象叫做動力不穩(wěn) 定，其量度叫動力穩(wěn)定度

11、。?在海洋中的某些區(qū)域，較輕的水位于較重的水之上，但是即使在沒有洋流的情況下，水體仍然會發(fā)生不穩(wěn)定。其中存在四種情況：熱高在上、熱低在上、冷高在上、冷低在上。暖的高鹽水位于冷的低鹽水之上：變化過程稱為鹽指（ salt fingering ）,最終使得密度隨深 度的增加呈階梯狀分布。Ekman的基本假設是什么，其解析解如何？具有哪些特征？Ekman輸運如何確定？底 Ekman層的特征又是怎樣的？基本假設：1基本假設：1、沒有邊界2、無限深海3、f平面近似4、定常態(tài)遠離海岸成立d200m 成立成立如果風的作用1天時成立5、Az只是 U （10） *2的函數(shù)。這個假設認為 Az與深度無關。實際上在混

12、合層底，Az會有很大的變化，所以更準確的做法是將湍流粘度系數(shù)看成是z的函數(shù)。6、密度分布均勻基本滿足，除了考慮穩(wěn)定度的影響。? 解析解：?特征：背風而立，表層流的流動方向總是在風向右側45度角處。（埃克曼螺旋結構）? Ekman運輸：Ekman流的質量輸送方向與風向垂直，在北半球指向風的右方。何為Ekman抽吸？其對上升流與下降流的形成起著怎樣的作用？?海洋表面風場是不均勻的，從而導致的Ekman質量輸送也是空間分布不均勻的，會引起表層海水的輻合輻散，根據(jù)質量守恒定律，Ekman層中就出現(xiàn)了海水的上升和下降運動，這個過程稱為Ekman抽吸。什么是地轉流？什么是 Margule方程？密度流中如何

13、根據(jù)溫鹽分布計算地轉流的流速？?地轉流：水平尺度超過幾十公里，時間尺度超過幾天的海流運動，海面風應力和其他摩擦力很小，可以忽略不計，這時海水受到的壓力梯度力與柯氏力平衡，形成的海流就是地轉流inMargule 方程：finMargule 方程：f nvn n 1vn 1(vn %i)n n 1已知兩層流體的密度、上層流體的速度和交接面的傾角（i）,就可以計算下層流體的速度。相對速度一一絕對速度?計算：溫鹽分布一一密度一一相對速度一一絕對速度18、簡述Sverdrup, Stommel 和Munk18、? Sverdrup :設海面有定常的風應力作用，產(chǎn)生定常的恒速運動。通常情況下，風應力分布不

14、均勻，存在壓力梯度力。于是，大洋中的流動是壓力梯度力、柯氏力和垂直湍流摩擦力三力平衡 的產(chǎn)物。水平邊界條件：在海表面，摩擦力等于風應力；在 -D深處，摩擦力為 0。1、Sverdrup假設：1）海洋內部流為地轉流；2）海洋內部的靜止層具有統(tǒng)一深度；3） Ekman輸送是正確的。第一和第三個假設我們前面證明過，但是對于熱帶海洋的靜止層深度，我們還知之甚少。2、Sverdrup解滿足東邊界的邊界條件，但是流線在西邊界不封閉。與Ekman漂流理論的解比較，Sverdrup解不能給出不同深度層的流速，但考慮了大洋東邊界。3、Sverdrup解只能應用于鄰近大洋東岸的中部海區(qū)。? Stommel:為了考

15、慮西邊界區(qū)域，需要提出比較復雜的模式。Stommel考慮海底摩擦效應，建立了封閉大洋中的漂流模式。（忽略非線性平流項和水平摩擦項）邊界條件：假設風應力是緯向的，具有余弦函數(shù)形式；底摩擦與速度成比例。?Munk:考慮了水平湍流摩擦和垂直湍流摩擦，仍忽略非線性慣性項，提出了所謂粘性理論。邊界條件：邊界上流體速度與邊界平行，且滿足無滑脫邊界條件1、Munk大洋風生環(huán)流理論考慮了水平湍流摩擦項，引進湍流粘性邊界區(qū)域，成功地獲得了大 洋環(huán)流模式，闡明了西邊界流動的強化現(xiàn)象。2、計算得到的西部流動寬度過大，流量過小。Stommal和Munk邊界層寬度大約 200公里，計算流速大約1m/s；實際觀測發(fā)現(xiàn)邊界

16、層寬度大約100公里，流速可以達到 2m/s?！究偨Y】Sverdrup理論表明，風應力旋度驅動了向北的質量數(shù)送，適用于西邊界以外的大洋區(qū)域。Stommel發(fā)現(xiàn)，只有考慮柯里奧里參數(shù)隨緯度的變化時，才可以得到大洋西邊界強化流。Munk結合前兩種解計算了海盆尺度內的風生地轉流結構。在以上幾種理論中，洋流都是由風應力旋 度驅動的。什么是位渦守恒？是如何推導的？如何用位渦守恒原理解釋西邊界流的強化現(xiàn)象？海流在向東傳播過程中遇到海底山脈會產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象？1? 位渦守恒：如果流場是正壓的，流體是理想的，則流體沿跡線運動時保持蔣（哈?推導過程略.?如何解釋西邊界強化（如下圖）：? 遇到山脈：根據(jù)下圖描述深層

17、大洋環(huán)流的特征。23、詳述赤道流體系，并分析 El Nino與La Nina的成因及對中國氣候的影響。赤道開爾文波與羅斯貝波 分別指什么？?赤道表層流包括：1、3N到10N之間的北赤道逆流流向自西向東，典型速度為50cm/s。位于赤道無風帶中心，赤道輻合帶附近。2、南、北支赤道流：流向自東向西，位于赤道逆流兩側。這兩支流比較淺，深度不到200m,北支赤道流較弱，流速不到20cm/s,南支赤道流在赤道和3N之間最大流速接近 100cm/s。3、赤道下方的溫躍層內，有一支與赤道流方向相反自西向東的流動，稱為赤道潛流或克倫威爾流。有的認為它是由于南赤道流使表層海水在大洋西岸堆積，使海面自西向東下傾，

18、從而產(chǎn)生向東的壓強梯度力所致。由于赤道兩側科氏力的方向相反，故使向東流動的潛流集中在赤道兩側。 ? 成因：它們是熱帶海氣相互作用正反饋不穩(wěn)定發(fā)展的結果。 ? 影響：厄爾尼諾現(xiàn)象對我國影響是： 從東南海洋上吹向我國的夏季風強度大大減弱，造成了我國夏季降雨帶的位置偏南。結果南方因此暴雨成災，高溫季節(jié)溫度比往年低了不少； 北方卻出現(xiàn) 持續(xù)高溫無雨天氣，造成了罕見的旱災。厄爾尼諾現(xiàn)象使得我國出現(xiàn)南方洪澇成災，北方干旱成災。這次厄爾尼諾現(xiàn)象是促成1998年長江全流域洪災的罪魁禍首。拉尼娜現(xiàn)象對我國的影響不會十分明顯。一般是冬天變得更冷，夏季變得更熱。?開爾文波：開爾文波是發(fā)生在大氣或海洋中的，迎向地形邊

19、界(例如海岸線)平衡科氏力的波動現(xiàn)象。開爾文波的一個特征是非彌散性，也就是說，波峰的相速度與波能的群速度在所有頻率時均相等。這一特性意味著它在沿岸方向始終保持它的形狀。赤道開爾文波是開爾文波的一個特例。 在赤道上似乎沒有邊界存在， 但南北半球的開爾文波互 為鏡像。所以赤道實際上就是一條邊界。 這種波動永遠由西往東傳播， 并且只存在于赤道附近。?羅斯貝波：由于地球的轉動和地球曲率而使位渦在深度和緯度上產(chǎn)生改變，這一改變導致一種非常慢的大尺度振蕩，即羅斯貝波。羅斯貝波是一種行星波。不考慮海水的非均勻性和可壓縮性的羅斯貝波稱為正壓的，其波長可達幾百千米。考慮了海水分層的羅斯貝波稱為斜壓的。斜壓的羅斯

20、貝波只能從東向西傳播。24、什么是羅斯貝數(shù)，什么是艾克曼數(shù)，什么是弗羅德數(shù)，什么是理查森數(shù)，它們分別表示怎樣的物理意 義？?羅斯貝數(shù)：表示水平加速度與科里奧利加速度比值的無量綱數(shù)R=U/(fL)。其中U為風速特征尺度，L為水平距離特征尺度，f為科里奧利參數(shù)。??？寺鼣?shù)：埃克曼數(shù)(Ek)是表征耗散力(粘性力)與科里奧利力量級之比的流體力學相似準數(shù)。其定義為Ek=k/fD*2 ,其中k為耗散系數(shù)；f為科里奧利參數(shù)；D為運動在鉛直方向的特征長 度。?弗洛德數(shù)：流體力學中表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參敦，記為Fro它表示慣性力和重力量級的比，即：Fr=U2/gL,式中U為物體運動速度，g為

21、重力加速度；L為物體的特征長度。?理查森數(shù)：表示勢能和動能的比值，在物理海洋學中，理查森數(shù)被用來研究海洋湍流、海洋混合。Ri = N*N/(du/dz)*(du/dz) 其中N為浮力頻率，du/dz表示速度u對垂直方向的坐標 z求導。25、海洋數(shù)值模型是什么？在物理海洋的研究中，有哪些海洋數(shù)值模型？?數(shù)值模型：?海洋模型：機制模式(為突出重點問題進行簡化，目的是研究物理本質)；模擬模式(目的是計算海洋中的真實環(huán)流復雜、包含過程完全、結果比較難分析)第一個模擬式 Bryan&Cox(1969) ,GFDlL莫塊化海洋模型 MOMSemtner and Chervin s Global model

22、; POCM HYCOM POM ECOMHI 式；Dartmouth Gulf of Marine Model; ROM S FVCOM EFDC Storm-surge model26、簡要說明波浪是如何由風作用產(chǎn)生的？小振幅波(艾利波)的特征。簡述波浪的淺水效應、折射、繞射、破碎過程。在一個岬灣海岸中，波能在何處輻聚，何處輻散？?波浪的產(chǎn)生：1、海面受風應力作用，水面發(fā)生位移，因水面的表面張力(surface tension)使其復原時發(fā)生振動，海面發(fā)生的皺紋，為波浪的強褓時期。2、波浪繼續(xù)受風作用，并與陣風(gust) 產(chǎn)生共振(resonance) 作用，風的能量進一步轉移到水面，波

23、高逐漸加高，波長逐漸加長，形成波瀾壯闊的情況，為波浪的青春期及壯年期。3、風平息后或波浪的前進速度大于風速時，波浪不再成長，或脫離揚波區(qū)域向靜水域前進，即成為涌浪。此時已不能由風取得能量，加之海水的黏滯性產(chǎn)生內摩擦作用及波浪前進時產(chǎn)生相對風 速的阻力作用，波高減低，為波浪的中年期。4、波浪傳播到近岸較淺處發(fā)生觸底后，波浪受海底摩擦而變形，衰減現(xiàn)象加劇，可謂波浪的晚年期。5、波浪傳播到海灘附近，在不能維持其波形的物理條件下破碎，消失其能量的主要部份，并產(chǎn)生巨大的轟鳴聲。波浪破碎意味著波浪的消亡，為消亡期。? 艾利波的特征：深水波：波浪水質點速度隨深度遞減；水粒子運動軌跡為圓，且其半徑隨深度增加而

24、減??；波速 與波長的平方根成正比，所以波長大的波速快；周期的平方與波長成正比；波浪不觸底，僅限于 表層。淺水波：波浪水質點運動軌跡為橢圓，其半徑隨深度增加未明顯減小，在海底z=-d處，水質點作往復運動，可能導致海底侵蝕/淤積；波浪參數(shù)與水深無關， 水壓力亦可按靜水壓公式計算；波速與波長、周期無關，但與水深的平方根成正比；大部份長周期波皆可視為淺水波。? 淺水效應：波浪傳播到近岸較淺處發(fā)生觸底后，波浪受海底摩擦而變形，衰減現(xiàn)象加劇，傳播到海灘附近，在不能維持其波形的物理條件下破碎，消失其能量的主要部份，并產(chǎn)生巨大的轟鳴聲。? 波的反射：波遇到障礙物會返回來繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，叫做波的反射。反射定律：

25、（1）入射波線、法線、反射波線在同一平面內，且入射角等于反射角。（2）反射波的波長、頻率、波速都跟入射波相同。? 波的折射：波從一種介質射入另一種介質時，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射定律（1）內容：入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波在第一種介質中的速度與波在第二種介質中的速度之比；（2）公式：V1sin 0 1=V2sin 8 2,式中8 1和8 2分別為波在介質 1和介質2中的入射角和折射角，v1和v2分別為波在介質 1和介質2中的波速，而 sin 0 1/ sin 0 2=N12折射率。? 波的繞射現(xiàn)象：波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，叫做波的衍射。發(fā)生明顯的波的繞射的條件：障礙物或孔的大小比波長小，或者與波長相差不多。波的繞射現(xiàn)象是波所特有的現(xiàn)象。? 波浪的破碎過程：波浪傳播到近岸較淺處發(fā)生觸底后，波浪受海底摩擦而變形，衰減現(xiàn)象加??；波浪傳播到海灘附近，在不能維持其波形的物理條件下破碎，消失其能量的主要部份，并產(chǎn)生巨大的轟鳴聲。波浪破碎意味著波浪的消亡。? 在一個