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(zhì)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?！净A(chǔ)學科】物理海洋學、海洋化學、海洋地質(zhì)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(jié)構(gòu)、以及相關(guān)的

2、各種機械運動的時空變化，并研究海洋中的物質(zhì)、動量和能量的交換和轉(zhuǎn)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(zhì)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(guān)系。研究方法： ? 觀測與調(diào)查(現(xiàn)場和室內(nèi)試驗)：衛(wèi)星遙感、航拍，海洋調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)？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(guān)？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(zhì)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(jié)）、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(jié)冰

8、、融冰的影響有密切關(guān)系。時間：由于蒸發(fā)、降水、結(jié)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(jié)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(guān)系的方程式，也稱為P-V-T性質(zhì)。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(guān)，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(shè)。 ?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(guān)系。（看書?。┖Ｑ笾械牧τ心男?？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(yīng)力

10、、底部切應(yīng)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(yīng)力與湍流摩擦是什么關(guān)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(yīng)力的關(guān)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(yīng)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(shè)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(shè)：1基本假設(shè)：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(shè)認為 Az與深度無關(guān)。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(cè)45度角處。（?？寺菪Y(jié)構(gòu)）? Ekman運輸：Ekman流的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)流的流速？?地轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(shè)海面有定常的風應(yīng)力作用，產(chǎn)生定常的恒速運動。通常情況下，風應(yīng)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(yīng)力；在 -D深處，摩擦力為 0。1、Sverdrup假設(shè)：1）海洋內(nèi)部流為地轉(zhuǎn)流；2）海洋內(nèi)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(shè)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(yīng)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(yīng)，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(shè)風應(yīng)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(jié)】Sverdrup理論表明，風應(yīng)力旋度驅(qū)動了向北的質(zhì)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(jié)合前兩種解計算了海盆尺度內(nèi)的風生地轉(zhuǎn)流結(jié)構(gòu)。在以上幾種理論中，洋流都是由風應(yīng)力旋 度驅(qū)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(cè)。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(nèi)，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(cè)科氏力的方向相反，故使向東流動的潛流集中在赤道兩側(cè)。 ? 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(jié)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(jié)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(zhuǎn)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?？紤]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(zhì))；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(jié)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(yīng)、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(yīng)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhì)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?。徊ㄋ?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(zhì)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(zhì)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(guān)， 水壓力亦可按靜水壓公式計算；波速與波長、周期無關(guān)，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(yīng)：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(nèi)，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(zhì)射入另一種介質(zhì)時，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。折射定律（1）內(nèi)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(zhì)中的速度與波在第二種介質(zhì)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(zhì) 1和介質(zhì)2中的入射角和折射角，v1和v2分別為波在介質(zhì) 1和介質(zhì)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