对风生和热盐环流理论的理解

Aires

经典的风生大洋环流理论在50，60年代建立，依据简单的正压涡度方程，基本解决了风生环流的流动问题，比较符合观测事实。
一、风吹海面怎么动？
一阵风吹一下海面然后消退，由于科氏力的作用，此后的运动做圆周运动——惯性振荡。

如果风长时间吹，类似于平板边界层结构加上旋转的影响，就是经典的Ekman流动，形成Ekman螺旋。

但以上两种运动只是作用在上几百米水层，至于下层怎么运动并不情况，但实际观测发现风作用深度（Ekman深度）以下仍然有流动，但是无法解释。

二、大洋内区如何流动？
Sverdrup理论首先给出了大洋内区（远离边界层）的海水如何流动问题。
Sverdrup关系给出风应力产生的Ekman输运导致的辐合辐散改变了地转层海水的涡管长度的变化，由于位涡守恒，导致地转层水体的南北向运动。Sverdrup理论解决了大洋内部海水如何流动问题。
如果对准地转涡度方程忽略相对涡度向，忽略摩擦项，对方程从海面到海底积分就得到了Sverdrup平衡。它是风应力旋度和行星涡度平流的平衡。但这个平衡很脆弱，一旦考虑摩擦，更或者是地形作用时，该平衡就会被打破。
由Sverdrup平衡方程对流函数从东边界开始积分，便得到大洋内区的流场。
但Sverdrup是一个不稳定解，因为一直的风应力输入，没有耗散，系统会不稳定，所以一定要考虑摩擦的效应。

三、大洋为什么有西向强化？
这个问题由经典的西边界理论给出，主要包括：Stommel，Munk，惯性西边界理论。

Stommel考虑行星涡度平流和底摩擦项的平衡，成功模拟出了西向强化现象。他最重要的结论给出beta效应是西向强化的原因。beta效应是产生东西不对称的原因，因为Rossby波的传播在大洋中基本都是向西传播（长波的非多普勒效应），这本身就是东西不对称的原因。

Munk则考虑行星涡度平流和侧摩擦项的平衡，不仅模拟出了西向强化现象，还可以得到回流等细微结构。

而最后的惯性西边界流理论则是认为惯性项最为重要。

虽然经典理论很漂亮，基本上完美的解释了风生大洋环流的结构，尤其是西向强化现象。但在实际大洋中发现，黑潮和湾流这两个西边界并不是真正的边界流，在这里形阻（form drag）起到了重要作用。这些西边界流沿着等位涡线运动，只在环流圈的西南角有摩擦的作用来平衡风输入的涡度，保证环流系统的位涡守恒。所以黑潮和湾流属于惯性西边界流。

西向强化的原因就是beta效应的存在。beta效应导致东西不对称，Rossby西传，对西边界流提供能量。风提供的正涡度一定要通过摩擦（或中尺度涡交换）抵消，只通过形阻是不行的。这些决定了必须是西向强化。

四、真实的大洋（斜压海洋）的风生环流是什么样子的呢？
上面的正压风生环流理论解决了风生环流的基本结构，但真实的大洋是斜压的，斜压风生环流理论，即温跃层理论，是为了解决温跃层结构和流动问题的。经典的两个理论是82，83年的位涡均一化和通风温跃层理论。

具体详细的理论不在这里描述了。它们的目的是解决第二层（温跃层）为何不动的问题。解决的办法一个是温跃层露头，能和风接触，这样风就能输入位涡，使温跃层产生运动（第二斜压Rossby波）。另外一种办法是等位涡线不和东边界相交，因为边界决定了Normal Mode，没有稳定的风应力强迫的情况下，开始的扰动产生的Rossby波如果不是Normal Mode也会被反射波杀掉，其他的波动由于没有稳定的能量输入，不会有持续的波动。但是一旦等位涡线封闭，没有了东边界信息，风的强迫就可以使温跃层产生运动。

以上这两个理论解释了斜压大洋中温跃层运动的问题，不露头区域可以用位涡均一化解释，露头区可以用通风温跃层理论解释。

五、风驱动的环流只占10%左右，剩下90%的流动是热盐环流，关于热盐环流怎么解释？有什么理论？
热盐环流的定义和理论解释到现在为止很不完善，很多问题没有解决。

两个理论：纯动力学和纯热力学理论。

纯动力学：Stommel, Aron理论
他们认为广泛的上升流可以根据Sverdrup关系产生向极地的流动，下沉后通过西边界返回。这个理论不能解释为何有广泛的上升流，以及能不能简单用Sverdrup理论解释的问题。

纯热力学：Stommel双盒模型
认为纯热力驱动，存在多重解。温度模态，盐度模态等。

关于Stommel的理论最近做了不断完善，包括能量平衡理论和PV收支理论的出现。

热盐环流的理论还需进一步完善。

mofangbao

哈哈，看着像以前学习的时候交到作业

Aires

mofangbao 发表于 2015-7-3 20:32
哈哈，看着像以前学习的时候交到作业

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wuzzh_gd

确实像是作业答案。。。总结很精彩

水见佳羽

正好最近需要看这个，QAQ!

叶、空づ

有意思呢

painter

挺到位，适合我这种入门汉。

wusc

请问下楼主，Sverdrup Transport的东边界开始积分，东边界怎么算。
或者说是东部地形轮廓还是确定一个经度

jhc

要是可以推荐几本书就更好了

Hannie

学习到了{:5_213:}{:5_213:}{:5_213:}