物理海洋学-复习提纲

物理海洋学复习提纲1、海洋学的学科体系是怎样的？什么是物理海洋学，它的研究对象与方法是什么？海洋学：是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及开发利用海洋的知识体系。是地球科学和地理学中的自然地理学的组成部分。【基础学科】物理海洋学、海洋化学、海洋地质学、海洋生物学【边缘学科】海洋环境学、海洋气象学、航海海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、区域海洋学、海洋工程、海岸工程、海港工程、围海工程、深海采矿工程、海水养殖、海水淡化工程、海水综合利用工程、海洋能开发工程、海洋水下工程、海洋空间开发工程、海洋石油和天然气开采工程物理海洋学：运用物理学的观点和方法，研究海洋中的力场、热盐结构、以及相关的各种机械运动的时空变化，并研究海洋中的物质、动量和能量的交换和转换的学科。物理海洋学所研究的对象，是人类和其他生物赖以生存和生活的海洋中的物理环境。这种环境中的物理过程，与地球上的气候和天气的形成和变化、海洋生物的生存和生活、海洋中物质和热量的输送、海岸和海底的侵蚀和变化，以及海洋的交通运输和军事活动等，都有密切的关系。研究方法：观测与调查（现场和室内试验）:卫星遥感、航拍，海洋调查船,锚系、浮标，采样，样品分析，水槽试验，数值实验理论化知识体系的建立:从铅笔/纸张到超级计算机；从数据分析到理论;从理论到模型2、海里相当于多少公里？纬度中1分相当于多少海里？表示航行速度经常有单位“节”，一节相当于多少m/s？地球的自转角速度是多少？1海里=1.852km；纬度中1分相当于1海里、纬度中1度相当于60海里，约111km；1节（kt）=1海里/小时=1.852km/h（约等于0.5m/s）；地球自转的角速度ω=2π/(24x3600s)=7.27x10^-5rad/s3、世界海洋中根据其空间尺寸如何分类？什么是边缘海？什么是陆架浅海？洋(Ocean)、海(Sea):边缘海，陆架浅海、海湾(Bay，Gulf，Embayment)、海峡(Strait,Gullet)、峡湾(Fjord)、潮汐汊道(Tidalinlet)、河口(Estury)、潮滩(Tidalflat)、沙滩(Sandbeach)位于大陆边缘，以岛屿、群岛或半岛与大洋分隔，仅以海峡或水道与大洋相连的海域。大陆架：它的范围自海岸线（一般取低潮线）起，向海洋方面延伸，直到海底坡度显著增加的大陆坡折处为止。大陆架是大陆的自然延伸，原为海岸平原，后因海面上升之后，才沉溺于水下，成为浅海。4、海洋中声音传播的速度与什么因素有关？何为海洋声道，其成因与特征分别是什么？海水的盐度、水深（压强）、海面和海底状况、海水的运动、海洋中包含的各种不均匀体如气泡和生物等从声速最低的地方发射的声波，由于上下层的声速不同而发生折射，造成声波传播途径总是弯向声速最低的地方。大部分声波在海水中经过这样的往复弯曲折射，而不与海面和海底接触，故能量损失很小，这种现象称为声道现象。声速最低的地方称为声道轴。5、海洋中光的传播与什么因素有关？光在水层中的衰减满足什么定律？光的传播对海洋生态系统有何影响？什么是真光层？（1）海水中光的吸收：光能量在水中损失的过程就是吸收。吸收也存在不同的物理过程：有些光子是在它的能量变为热能时损失了，有些光子被吸收后由一种波长变为了另一种波长的光。（2）海水中光的散射：散射时，光子没有消失，只是光子的前进方向发生了变化。也导致水中准直光束能量的衰减。海水中引起光散射的因素很多，主要有水分子和各种粒子，包括悬移质粒子、浮游植物及可溶有机物粒子等。植物是海洋中生命的关键一环。植物需要光，光能够到达的海洋深度在一定程度了决定了大多数海洋生物的生存深度。真光层，又名透光带，英文photiczone，指水层中有光线透过的部分。为海洋生物生态作用最活跃的水层。6、风速的垂向分布如何？风应力如何计算？风的大小是如何分级的？垂向风速剖面：风应力计算：7、海洋的热平衡是怎样的？什么是位温？世界大洋的水温分布如何？受什么因素控制？热平衡：太阳短波辐射、海面有效回辐射、潜热（蒸发和凝结）、显热（对流）位温：某一深度海水绝热上升到海面时温度，比现场温度低空间：垂向（混合层、温跃层、深层海洋）；表面（纬向带状分布，北半球大洋西部温度大于东部、南半球相反）时间：日变化（变化小，正弦曲线）；年变化（热带变化小周期半年、温带变化大周期一年，近岸海域温差大，）因素：太阳辐射、大洋流动、风8、什么是上混合层？其季节性变化特征是什么，由何种因素控制？上混合层：海洋要素（特别是位温）随深度分布趋于均匀的海洋边界层。夏季：太阳辐射强、表面风弱，所以混合层最浅；冬季：海洋失去热量、表面风强，所以混合层最深。9、世界大洋的盐度分布规律如何？为什么会形成这样的分布？空间：就大洋表层盐度的多年平均而言，其经线方向分布与蒸发、降水之差(E—P)有极为相似的变化规律基本上也具有纬线方向的带状分布特征，但从赤道向两极却呈马鞍形的双峰分布。即赤道海域，盐度较低；至副热带海域，盐度达最高值；从副热带向两极，盐度逐渐降低，这与极地海区结冰、融冰的影响有密切关系。时间：由于蒸发、降水、结冰和融冰都有年周期变化，所以海洋表层盐度的年变化也有周期性。极地海域：春季（大约4月）融冰，表层盐度最低，冬季季风强烈并且结冰排出盐分，近表层盐度最高。中纬度海域：夏季（7—9月）降水和径流最大，盐度值最低，冬季蒸发强降水少，盐度值最高。热带海域：季节变化不明显。10、什么是海水的状态方程？为什么在河口地区海水的密度主要由盐度变化决定？海水状态方程是描述海水状态参数（温盐密）之间关系的方程式，也称为P-V-T性质。河口区域海水盐度变化大，相比较于温度而言对密度的影响更大。11、什么是连续方程？Boussinesq假定是什么？要什么条件才能满足？什么是静压假定，需要什么条件才能满足？连续方程：Boussinesq假定：流体的密度跟压强和温度有关,在低速流动中,流体压强变化不大,主要是由于温度的变化引起密度变化,因此忽略压强变化引起的密度变化,只考虑温度变化引起的密度变化叫做Boussinesq假设。海洋中的速度要小于声速；波浪或者扰动的相速度必须小于声速；运动的垂直尺度必须小于C**2/g（g是常量）静压假定：静压近似是指对水平尺度远大于铅直尺度的大尺度运动，垂向动量守恒方程可以简化为静压关系。（看书！）12、海洋中的力有哪些？动量平衡方程（欧拉方程，Navier-Stokes）是怎样的？重力：引潮力、浮力、水平压强梯度力摩擦力：风应力、底部切应力惯性力（表观力、伪力）欧拉方程：13、什么是雷诺数？它表示怎样的物理意义？雷诺应力与湍流摩擦是什么关系？水体紊动是由于流体运动的非线性作用产生的。这种非线性作用可以用动量方程中的非线性项来表达，组合成一个无量纲数Re=ρvL/μ，ρ、μ为流体密度和运动粘性系数，v、L为流场的特征速度和特征长度湍流摩擦与雷诺应力的关系：14、在混和中，静力稳定与动力稳定是如何定义的？什么是双扩散，“盐指”是怎样形成的？静力稳定度：如果密度较大的水体浮于较小水体的上面，上层水体就会下沉，反之则不会下沉。动力稳定度：本来处于静态稳定的海表，在风应力等动力作用下发生不稳定现象叫做动力不稳定，其量度叫动力稳定度。在海洋中的某些区域，较轻的水位于较重的水之上，但是即使在没有洋流的情况下，水体仍然会发生不稳定。其中存在四种情况：热高在上、热低在上、冷高在上、冷低在上。暖的高盐水位于冷的低盐水之上：变化过程称为盐指（saltfingering），最终使得密度随深度的增加呈阶梯状分布。15、Ekman的基本假设是什么，其解析解如何？具有哪些特征？Ekman输运如何确定？底Ekman层的特征又是怎样的？基本假设：1、没有边界远离海岸成立2、无限深海d200m成立3、f平面近似成立4、定常态如果风的作用1天时成立5、Az只是U（10）**2的函数。这个假设认为Az与深度无关。实际上在混合层底，Az会有很大的变化，所以更准确的做法是将湍流粘度系数看成是z的函数。6、密度分布均匀基本满足，除了考虑稳定度的影响。解析解：)4sin()exp()4cos()exp(00azazVvazazVu特征：背风而立，表层流的流动方向总是在风向右侧45度角处。（埃克曼螺旋结构）Ekman运输：Ekman流的质量输送方向与风向垂直，在北半球指向风的右方。16、何为Ekman抽吸？其对上升流与下降流的形成起着怎样的作用？海洋表面风场是不均匀的，从而导致的Ekman质量输送也是空间分布不均匀的，会引起表层海水的辐合辐散，根据质量守恒定律，Ekman层中就出现了海水的上升和下降运动，这个过程称为Ekman抽吸。17、什么是地转流？什么是Margule方程？密度流中如何根据温盐分布计算地转流的流速？地转流：水平尺度超过几十公里，时间尺度超过几天的海流运动，海面风应力和其他摩擦力很小，可以忽略不计，这时海水受到的压力梯度力与柯氏力平衡，形成的海流就是地转流Margule方程：111111()nnnnnnnnnnnnfvvfivvgg已知两层流体的密度、上层流体的速度和交接面的倾角(i)，就可以计算下层流体的速度。计算：温盐分布——密度——比容——动力高度（位势）——相对速度——绝对速度18、简述Sverdrup,Stommel和Munk的风生环流理论Sverdrup：设海面有定常的风应力作用，产生定常的恒速运动。通常情况下，风应力分布不均匀，存在压力梯度力。于是，大洋中的流动是压力梯度力、柯氏力和垂直湍流摩擦力三力平衡的产物。水平边界条件：在海表面，摩擦力等于风应力；在-D深处，摩擦力为0。1、Sverdrup假设：1）海洋内部流为地转流；2）海洋内部的静止层具有统一深度；3）Ekman输送是正确的。第一和第三个假设我们前面证明过，但是对于热带海洋的静止层深度，我们还知之甚少。2、Sverdrup解满足东边界的边界条件，但是流线在西边界不封闭。与Ekman漂流理论的解比较，Sverdrup解不能给出不同深度层的流速，但考虑了大洋东边界。3、Sverdrup解只能应用于邻近大洋东岸的中部海区。Stommel：为了考虑西边界区域，需要提出比较复杂的模式。Stommel考虑海底摩擦效应，建立了封闭大洋中的漂流模式。（忽略非线性平流项和水平摩擦项）边界条件：假设风应力是纬向的，具有余弦函数形式；底摩擦与速度成比例。Munk：考虑了水平湍流摩擦和垂直湍流摩擦，仍忽略非线性惯性项，提出了所谓粘性理论。边界条件：边界上流体速度与边界平行，且满足无滑脱边界条件1、Munk大洋风生环流理论考虑了水平湍流摩擦项，引进湍流粘性边界区域，成功地获得了大洋环流模式，阐明了西边界流动的强化现象。2、计算得到的西部流动宽度过大，流量过小。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。【总结】Sverdrup理论表明，风应力旋度驱动了向北的质量数送，适用于西边界以外的大洋区域。Stommel发现，只有考虑柯里奥里参数随纬度的变化时，才可以得到大洋西边界强化流。Munk结合前两种解计算了海盆尺度内的风生地转流结构。在以上几种理论中，洋流都是由风应力旋度驱动的。19、什么是位涡守恒？是如何推导的？如何用位涡守恒原理解释西边界流的强化现象？海流在向东传播过程中遇到海底山脉会产生怎样的现象？位涡守恒：如果流场是正压的，流体是理想的，则流体沿迹线运动时保持推导过程略如何解释西边界强化（如下图）：遇到山脉：20、根据下图描述深层大洋环流的特征。23、详述赤道流体系，并分析ElNino与LaNina的成因及对中国气候的影响。赤道开尔文波与罗斯贝波分别指什么？赤道表层流包括：1、3N到10N之间的北赤道逆流流向自西向东，典型速度为50cm/s。位于赤道无