LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟第二讲风生环流的Sverdrup理论张学洪 (zxhlasg.iap.ac.cn)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟13579111315171915793A AtmospheretmosphereOOceancean.008916123L Landand.074074.188615.336077.500000.663923.811385.925926.9910845006809002575 125 180 255 3601160 1455 1775 2115 2475 2850 3235 3625 4015 4405 4800Sea IceSunLASG全球海洋-大气-陆面（GOALS）耦合模式热 量水 分动 量LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Barotropic Stream-function(x,y)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Thermohaline forcing onlyWind and thermohaline forcingBarotropic streamfunction (England , 1993)ACCKuroshioLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 模式试验的结果表明：对 于正压流来说，风应力的贡 献是最主要的；热盐强迫的 贡献是次要的、选择性的。 模式试验是深入了解研究 对象的重要手段。 小 结LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟GFDL OGCM (Geophysical Fluid Dynamics Lab.)Bryan (1969) 海洋模式设计Cox (1984) 向量化版本Pacanowski (1991) MOMLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟问题：风能够在何种程度上决定海洋环流？LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟“Wind-Driven Circulation is the circulation in the upper kilometer of the ocean forced by the wind. The circulation can be caused by local winds or by winds in other regions.”（Stewart, 2004）LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟1. 风的强迫作用是如何传递 到较深层海洋的？2. 为什么要特别指出风的强 迫作用包括局地的和非局地 的两个方面？ LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 Sverdrup模型和Ekman模型 Ekman transport / pumping Sverdrup balance / transport 风生洋流的东西向分量 风应力旋度激发的Rossby波LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Mass / Volume transportUnit: Sverdrup 1 Sv = 106 m3s-1LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟定常风生环流的机理LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟动量方程 (x方向)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 fvg-fugLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 远离西边界水平粘性项可 以忽略； 定常流忽略局地变化项； 水平均一忽略平流项； 存在无运动深度 D0.Sverdrup 模型LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman 模型 适用范围: 海表边界层Z= 0Z=-DEZ=-D0Ekman layer风生环流层压力梯度 不可忽略 !LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman transport and Ekman pumpingLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman 层方程和边界条件AtmosphereOcean(vg=0)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟海洋Ekman 层的解海洋Ekman层的解LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman layer currents (N.H.)DELASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman volume transportLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟北半球的 Ekman transportVELASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟From Stewart (2004)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟小结：Ekman layer Ekman layer 是风应力直接影响 的海表边界层，其中垂直粘性力 和科氏力起主要作用. Ekman layer的输送和风向垂直， 在北半球指向风的右侧. Ekman layer 中洋流的速度随深 度呈指数衰减. LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟问题：风应力的非均匀分布会产生什么影响？LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Fig. 4.1. Illustration of Ekman transport and Ekman pumping, based on the eastern Pacific Ocean. (From Tomczak & Godfrey, 2001)xVELASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman层的垂直运动LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman pumpingLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟 wG 是 Ekman pumping产 生的垂直速度，反映了 Ekman layer 的辐合辐散 对下层环流的驱动作用。 LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Sverdrup 模型 适用范围: 海表 无运动层Z= 0Z=-DEZ=-D0Ekman layer风生环流层这里的运动 是如何产生 的 ?LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Z= 0Z=-DEZ=-D0Curl 0？LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Sverdrup balance and Sverdrup transport LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟位涡守恒 Sverdrup balanceLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman层以下的地转经向输送LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Sverdrup balance / transportLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Sverdrup balance有多种表示LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Z= 0Z=-DEZ=-D0Curl 0VGLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟小结: Sverdrup balance / transport Ekman层以下的水体通过南北向移 动改变它的行星涡度，以平衡 Ekman pumping引起的位涡度变化 . “风生环流层”的水体通过向极地( 或赤道)方向的移动，将风应力提供 的涡度源(或汇)转化为水体行星涡度 的增加(或减小).LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟怎样解释逆风而动的北赤道逆流？LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟可归结为：已知南北向 分量求解东西向分量LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟观测表明热带海区以纬向风为主， 故风应力旋度取决于纬向风切变。LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟x x=0x=XLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟N E C CLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟风应力旋度激发的非频散 Rossby 波LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟自由波和强迫波(Meyers, 1979)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Zonal wind stressLASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟正涡度源LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟(D14, from Meyers, 1979)Month观测事实LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟小 结风强迫的非局地作用LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟课程材料网址： http:/web.lasg.ac.cn/FGCM/ Lecture2007/Lectur2007.htm大气动力学参考书 Holton:动力气象引论(前六章)LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟NECC 维持机理的讨论LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟NECC解释: 图中的风应力廓线有利于NECC维持.LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟Ekman输送，Sverdrup输送，纬向输送连续方程LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟NECCEkman经 向输送辐 散有利于 Ekman层 逆风流.LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟NECCSverdrup 输送辐散 有利于风 生环流层 的逆风流 .LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟小 结在纬向风应力处于支配地位、且 东边界洋流很弱的前提下，1.赤道无风带的存在有利于深厚 NECC的维持；2.赤道无风带北侧有利于NECC 的Ekman层分量的维持.LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟LASG/IAP/CAS大洋环流和海气相互作用的数值模拟aI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A-w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0z)v&s#pXmUiRfOcK9H5E2B+x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z-w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y)v%s#pXlUiRfNcK8H5E2A+x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z-w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v%s#oXlUiQfNcK8H5D2A+x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z)w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y(v%s#oXlTiQfNbK8H5D2A-x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C1z)w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+y(v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A- x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H