物理海洋学

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  物理海洋学汉语拼音:Wuli Haiyangxue;英语:Physical Oceanography),运用物理学理论方法研究海洋中的力场热盐结构以及因之而生的各种机械运动的时空变化,并研究海洋中的物质交换、动量交换、能量的交换和转换的学科海洋物理学的分支。

  物理海洋学的研究对象是人类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。

  在物理海洋学的理论研究中,主要是运用流体动力学热力学的原理,对一些理想化的或经过简化的问题,通过解析求解进行模式化的研究;对于比较复杂的问题,则借助于电子计算机进行数值模拟求解。在解析的和数值的求解手段以外,还可通过模型试验进行研究。由于海洋中的物理现象和过程,具有随机性,故常应用概率统计和随机过程的理论,对现场观测的数据进行分析和处理。

  物理海洋学所研究的问题,可概括为海洋热盐结构、海水宏观运动、海–气相互作用和海洋湍流等4个主要方面。

  海洋热盐结构 研究海洋水体的热平衡和物质平衡,温度、盐度、压力、密度等的时空变化,铅直断面上的温度和密度分布,海洋中的海水混合、扩散和层结(见海洋层结),锋面和跃层的形成,温度–盐度曲线和水团的生成,水团的边界(锋面)和混合,暖水和冷水间成篦齿状的水平交错排列,海冰的成因和消长,海水的绝热压缩、绝热膨胀和位温,海洋中等熵面的形成及其分布等。

  海水宏观运动 研究重力场中海水的非周期性和周期性运动,一般又分为海洋环流、海洋波动和海洋潮汐三种,这是物理海洋学的主要研究对象。

  1.海洋环流。研究风引起的海流和密度分布不均匀所产生的密度流,大洋环流中流旋的生成和分布,大洋环流西向强化,海流的弯曲和变异,近赤道地区的流系结构,南极绕极流,大洋热盐环流,深海环流和与主跃层的关系,海水的辐散和辐合运动与升降流及朗缪尔环流等的关系,中尺度涡及其能量转换,冰漂流等特殊的流动现象,海洋对风应力等的反应,以及近岸海区的环流等。

  2.海洋波动。研究海浪的生成和消长,风浪中的能量,风速、风区、风时与海浪要素之间的关系,海浪谱及其源函数的结构波–波非线性相互作用中的能量转移,海浪折射、绕射和反射,海洋近岸波及其相应的沿岸流和离岸流,海洋中的罗斯比波、陆架拦获波和边缘波,海洋内波、海啸等。

  3.海洋潮汐。研究引潮力、引潮势和分潮之间的关系(见海洋潮汐),潮汐静力学理论和潮汐动力学理论,潮波方程及其数值解,潮汐分析和推算原理,海平面及其变化,风暴潮,港湾潮汐余流,浅海潮波和海底摩擦对潮流的影响,河口区的潮汐混合,以及潮汐表的制作,各种特殊海域的潮汐,潮流、潮汐和风暴潮的预报等。

  海–气相互作用 研究海–气界面分子过程的动量、热量、水汽和其他物质的输送,近海面湍流边界层中的湍流能量方程,湍流的铅直结构,湍流边界层中各种参量的确定及边界层模式,大气与海洋间的动量和能量的传递,及其与风海流和风浪生成的关系,大尺度和中尺度的运动及其相互作用与天气预报及海况预报的关系,海洋对大气的反馈作用对全球大气环流及气候变化的影响等。

  海洋湍流 研究在海洋的上混合层、内层和近底边界层中的湍流发生机制,风生漂流和内波场等流速铅直梯度与湍流发生的关系,海洋湍流的谱结构,湍流能量的转换和守恒,海洋湍流的局地相似性,在低纬度和中纬度海域形成温跃层时的表层水和下层水间的混合交换作用,以及由于双扩散等作用所导致的水温阶梯式分布和盐指现象等海洋细微结构。

  物理海洋学与海洋科学中的许多分支学科有着密切的关系。如在研究海洋中的热盐结构、海流形成和热盐环流机制时,重要的是要了解海水的温度和盐度的分布和变化,从而了解海水密度的分布和变化,这就需要精确测定海水盐度;要确定海洋中的地转流无运动面的位置时,有时还须参照海洋中溶解氧的分布和含氧量最小的位置。这说明海流的研究,涉及化学海洋学的内容。某些海洋生物,如海水中的浮游生物,或被海流携至远方,或栖息在某种海流之中,它们有时可用作确定海流分布及其位置的指标,因此物理海洋学的研究,也与生物海洋学发生联系。海岸的形状和海底的地形,会改变和影响海流的方向和速度,起着摩擦阻遏作用,还可导致海流不稳定,因此陆架波和边缘波也发生在近岸海域。但海底摩擦的强弱和湍流边界层的形成,取决于海底沉积物的性质和分布。海底沉积物可以随海流迁移,故可以利用海洋沉积物的种类和来源,确定海流的来去动向。这些又都是物理海洋学和地质海洋学之间的联系。另外,海水的许多运动,都是由风驱动的,而且海洋对大气有着重要的影响,这就使物理海洋学和海洋气象学之间有密切的关系。河口海岸带水域中的许多现象,都和外海有关。如河口和岸边的潮汐,取决于外海的潮流系统;由外海传入的波浪,可影响海岸的地貌和泥沙运动。因此,河口海岸带的动力学,与物理海洋学也有密切的关系。