1、本科毕业论文（20 届）地形对浅海海流的影响所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目 录摘要 .IAbstract.II引言 .11 浅海海流理论 .41.1 基本动力学方程 .41.1.1 两层模式 .41.1.2 表层或正压模式 .91.1.3 内部或斜压模式 .101.2 地形对浅海海流的影响 .111.2.1 内部开尔文波 .111.2.2 内部开尔文波的传播 .121.3 风场对浅海海流的影响 .131.3.1 急速的沿岸风 .131.3.2 交叉岸风 .152 地形对中国近海海流的影响 .172.1 地形对黑潮的影响 .172.1.1 冬季
2、环流动力学 .182.1.2 夏季环流动力学 .192.1.3 浙江近海沿岸的上升流 .202.2 地形对黄海暖流的影响 .213 总结和展望 .243.1 总结 .243.2 展望 .24参考文献 .25附译文 .26I摘要摘要 浅海海流是指在浅海中，除潮流之外的规模较大的海水流动。浅海上如果发生持续刮风的现象、海水的密度分布不均、降水或大陆径流的影响，这些都能形成浅海海流。本文通过对浅海海流动力学方程的基本探讨，特别是对其中地形因子的探讨，以及对海流的探讨，阐述了地形的重要性。并且用中国近海海流来进一步阐述这一理论的真实性，例如：黑潮入侵和浙江沿岸地形对浙江沿岸上升流的影响。此外，风应力也
3、是形成浅海海流的一个重要因素。在风应力的作用下，海水会首先沿着风应力的方向运动，随后才会受到科氏力的影响，而后改变其方向。而且，风应力跟海岸间的远近直接影响到近海表层水流输送和近海底层水流输送的存亡。因此，可以知道地形和风应力都对浅海海流有着重要的影响。关键词 浅海海流；地形；风应力IIAbstractAbstract Shallow current is something about seawater movement in shallow sea except for tidal movement. If there is a continuous wind blowing phenom
4、enon, or the density of seawater uneven distribution, or raining, or the effect of mainland runoff in shallow sea, which can create shallow current. According to the research of shallow current motion equation, especially the research of the geography and currents, this paper explain the important o
5、f geography in shallow currents. To further elaborates the authenticity of its important, we on the basis of the shallow currents in China, such as the Kuroshio invasion and Zhejiang coastal terrain on the influence of Zhejiang coast upwelling. Whats more, wind stress is also a important factor to f
6、orm shallow currents. Under the influence of wind stress, seawater will moves along in the direction of he wind stress firstly, then will be affected by the influence of Coriolis force to change its direction again. Besides, the distance of wind stress and the coast will directly affect the existenc
7、e of the transports between the offshore surface and the offshore bottom. Therefore, according to the paper, we can know the important of geography and wind stress to the shallow currents.Key words shallow currents, geography, wind stress, motion equation1引言浅海海流是指在浅海中，除潮流之外的规模较大的海水流动。通常把浅于 200 米的海域称
8、为浅海。浅海上如果发生持续刮风的现象、海水的密度分布不均、降水或大陆径流的影响，这些都能形成浅海海流。除此之外，有的浅海海流是深海海流进入浅海的分支。引起海流运动的因素可以是风，也可以是热盐效应造成的海水密度分布的不均匀性。前者主要表现为作用于海面的风应力，后者则表现为海水中的水平压强梯度力。再加上地转偏向力的作用，使得海水发生水平流动的同时，又产生了垂直流动。海流在近海岸和接近海底处的表现和在开阔海洋上有很大的差别，其原因主要是因为受到海岸和海底的阻挡和摩擦作用， 。在海洋的大陆架范围或浅海处，由于海岸和海底摩擦显著，加上潮流特别强等因素，便形成颇为复杂的大陆架环流、浅内海环流、海峡海流等浅
9、海海流。浅海海流在本质上跟深海海流没有区别，而且在研究方法和运动方程上也基本上相同，但仍然有它的一些特点： 1）底摩擦效应对海流的影响。 研究浅海海流时，无论是用理论进行推导，还是用电脑进行数值计算，都不能忽略海底摩擦的存在，只是在处理底摩擦方式上存在着不同：有时假设底摩擦力和流速成一定关系，有时则假定底面的流速为零。由于底摩擦的存在，海流的一部分动能转变为热能，降低了流速。对于风漂流来讲，由于底摩擦的作用，表层流向对风向的偏角 X0小于 45.5。海水越浅，偏角越小，且与深度 h 和摩擦阻力深度 D 有如下关系： h/D 1/10 1/4 1/2 3/4 1 2 X0 3.7 21.5 45
10、 45.5 45 45 45式中 是涡动粘滞系数； 为地球自转角速度； 为海水密度； 为研究海区所在的纬度。 海水深度 h =1.25D 时，漂流运动的特征和无限深的理想海洋中的风漂流完全一致。通过研究，我们把 h1.25D 的海区中的风漂流称为浅海漂流， h1.25D 的海区中的风漂流则为深海漂流。2）季风、降水、蒸发、大陆径流、结冰和融冰等季节性变化因子的影响。2季风对浅海海流有着很大的影响。比如：因为受季风的影响，中国的浙江、福建的沿岸流在冬季会携带长江等江河冲淡水经由台湾海峡进入南海区域，但是在夏季，这种海流几乎完全消失了；在阿拉伯湾的同索马里海岸和非洲西海岸的某些浅海区域，季风会使海
11、流呈季节性变化。表层的海流受到降水、蒸发和径流的季节性变化的影响。此外，结冰和融冰的变化对浅海海流的消长有着重要的作用。如果冬季结冰严重，那么春季融冰之后，海流的流速就比较强；相反，如果冬季结冰不严重，春季融冰之后，海流流速就会较弱。3）潮流的影响。 在近岸的海湾中，由于非线性效应及海底和海岸的摩擦作用，在潮流中产生了潮汐余流（去掉周期性潮流之后剩余的平均流动） ，其流速从每秒几厘米到几十厘米，可看成浅海海流。 若在涨潮流方向的左面，海岸向内凹陷，形成半月形，则在这个海湾内，潮汐余流往往会构成一个永久的气旋式环流；反之，如果半月形海湾在涨潮流方向的右面,湾内将出现永久的反气旋式环流。在突出岬角
12、处,气旋式与反气旋式环流共存。4）海流规模的限制。 浅海海流的速度、分布宽度和深度，都比深海海流小得多,输送的水量也少得多,但是它与军事、航海、工业、渔业、泥沙运动、资源开采、污水排放和沿岸居民生活都有密切关系。例如,河口区泥沙的远距离输送,主要依靠海流；正确掌握和利用海流的特点，可以减少海洋污染，净化人类的环境。此外，近岸地区的水产养殖，只要掌握浅海海流的规律，就能收到事半功倍之效。浅海海流对海洋中多种物理过程、化学过程、生物过程和地质过程，以及海洋上空的气候和天气的形成及变化，都有影响和制约的作用，所以了解和掌握浅海海流的规律、大尺度海气相互作用和长时期的气候变化，对渔业、航运、排污和军事
13、等都有重要意义。比如：海轮顺洋流航行可以节约燃料，加快速度。但是，暖寒流相遇，往往形成海雾，对海上航行不利。而且，浅海海流可以加速污染物的扩散从而加快污染物的稀释和净化的速度，但是相应地也使得污染范围扩大了。比如石油污染，洋流能对海洋石油污染起到清理和缓解作用，但是也会把污染带到大洋的深处，使污染散布到全球，污染范围扩大。浅海海流对气候也有重要的影响。总体来说，就是暖流增加温度和湿度，寒流降低温度和湿度。主要是指暖流使低纬度的热量向高纬度的热量传输，保证全球的水热均衡。一般暖流经过的大陆沿海气温高，寒流经过的大陆沿海气温低。而且，在3暖流的上空有热量和水汽向上输送，使得层结不稳定、空气湿度增大
14、而容易产生降水。而寒流则容易产生逆温，层结稳定，水汽不易向上输送，并且蒸发又小，下层的相对湿度虽然有事很大，但时却只能形成雾，不能形成降雨。寒暖流交汇的海区，海水受到扰动使得下层的营养盐类带到表层，为鱼类提供了丰富的饲料，非常利于鱼类的大量繁殖。而且，两种洋流交汇也形成了水障，使得鱼类的活动受到了限制了，鱼类集中，形成了较大的浴场。比如：日本暖流和千岛寒流交汇形成的北海道渔场，墨西哥湾暖流和拉布拉多寒流交汇形成的纽芬兰渔场等。此外，因为洋流是循着一定的路线周而复始地运动着的，它的规模比陆地上的大河大川都要大出成千上万倍。所以海水流动可以推动涡轮机发电，为人们输送绿色能源。而且，海洋发点是一种低
15、污染、取之不尽的能源，能够减少二氧化碳的排放量，保护地球环境。因此，浅海洋流甚至是洋流在地球的生物圈和物理环境上有着重要的平衡和带动作用，对大部分的生物有着存活上的积极帮助。41 浅海海流理论1.1 基本动力学方程通过 G.T.csanady 的研究，我们可以知道，在五大湖中，大规模的流动可以被假设成一个很小的罗斯贝数，这样可以使运动方程变得线性化，并且在相同的时候，随着纬度变化的科氏力参数可以被忽略。当运动方程被运用于一个两层的湖泊模型时，这个运动方程跟控制着湖泊表面的流动以及内部的波动的运动方程是一样的，但是现在， “像海流一样”也可以说是“像波一样”解决这些运动方程变得有趣了。四个动力方
16、程在水平面内（假设静水压是垂直分布的） ，为了首要的“内部”和“表面”模式，两个连续方程可以解出两个独立解。每个解决方法都有着一个固定的模式，一些非常慢的周期模式可能类似于凯尔文波（只是在流域足够大的情况下） ，而一些比较快的周期模式则是跟围绕流域流动的表面波动和内部波动一致的。当模式被应用在一个循环的流域的时候，深度恒定的“五大湖泊的模型”这个理论表明了：（1）在夏季分层的时候，气压的沿海射流的存在；（2）在在一天内会出现很多次的缓慢的逆时针旋转的内部波动的存在；（3）表面流动和内部波动沿着它们各自的方向旋转着，并且有一个最多不超过几个小时的周期（表面流动的模式） ，或者是取决于在惯性周期内
17、的一个极小部分（内部波动的模式） 。一个对有效地观测资料的考察真实地表明了五大湖的这些特征是可以检测的。1.1.1 两层模式大部分线性分层流体理论的复杂性能通过一个经常使用的理想化事物所避免，也就是将密度跃层表示为一个分开两种可以看见的密度不同的海流的共享界面。在密度跃层里，不连续的密度分布不是不合理的密度坡面观察的表现。两层模式的线性理论的发展符合以下的条件，集成深度的速率，也就是海流输送的组成部分被分别地定义了：， hudzUhvdzV，HzHz5式中 。在顶层和底层中，流体静力学近似分别让压力变为：hHzhggpz 假设内部和底部摩擦力为 0，动力方程的集成深度和顶层、底层的连续性导致了
18、如下 6 个线性海流输送方程的产生： xFghfVtUytyxxhgVftUyft tyt这些顶层和底层的方程是成对的， 出现在三个方程中的第一组解中，而 则是出 现在第二组解中。为了分析在具有连续性的分层的情况下产生的正常模式，解出三个分开的输送方程的解。三个方程的第一组解和第二组解的线性联合引起动力方程和以下形式的联合：， hbaxghVbafUbat tyx式中，a 和 b 都是任意的常数。线性海流输送组合 和 会变成均UbaVba匀的海流输送方程的形式，如果在动力方程的右边和联合方程中，压力的变化时一样的，除了一个任意常数 ： 。 这是 、hba 分别作用产生的一个特性：bha 16只
19、有在 a、b 的决定因素消失， a 和 b 的两个共同方程才能同时存在，用方程表示如下：。 012h 2此方程被称为斯托克斯方程，它的两个解是 ，因为212,14hh的值比较小， 和 可以扩展为： 和12 210。20h方程组 中的一个方程能被用于决定常数 a 和 b 的比例，也就是 。常 1 hba1数 a 和 b 中的一个可能会经常被选中，而且，比例 有两个值是跟方程的解 、1一致的。这两个来自于斯托克方程的解的结果（方程 ）可以表示为：2 2。因此，振幅比率可以表示为： 和 。将上述公式带h1 1ba12ba入方程的两个解的话，会找到 ，表示为：hba21 3独立洋流输送方程组的两组解与 和 具有一致性，具体表示为：12tyVxUkFyhgftxkkkkkk2,1， 4式中，令 ， ， ， ，bakkVbakkkkabxkxFa。在任何方面，方程 是两个标准的模式方程，并且类似于连续的分层ykyF 4流体的标准模式。典型的两层循环水域模型可能会有以下的物理特征： ， ，3102mh5
