物理海洋学

这是一篇关于物理海洋学的思维导图，主要内容包括：中尺度涡，风暴潮，内波，潮汐，海浪，海流，海水运动基本方程，绪论。

物理海洋学

• 绪论
  • 物海关注
    • 海水的物理性质（温、盐、密等）
    • 海水的运动规律(浪、潮、流等)
    • 海水的能量及其在地球系统中的作用(能量平衡，海气相互作用，气候等等)
  • 发展脉络
    • 海洋探索时代
    • 现代物理海洋学的初步建立
    • 当代物理海洋学的发展
    • 我国物理海洋学的发展
  • 研究方法
    • 理论研究
    • 海洋观测
    • 数值模式
  • 物理组成
    • 盐度S
      • 绝对盐度
        • 海水中溶解物质质量与海水质量的比值
        • 滴定法
        • 单位:g/kg
        • 考虑了海水中的所有成分，相对准确
      • 实用盐度
        • 海水电导率与标准KCL溶液的电导率之比
        • 电导率法
        • 单位:无(记为PSU)
        • 未考虑不导电的盐分
      • 极大值:红海 极小值: 孟加拉湾
      • 条带状
      • 副热带盐度高
    • 温度T
      • IPTS-68
      • ITS-90
      • 极大值:印太暖池 极小值:极地
      • 条带状
    • 动力特征v
  • 海水状态方程
    • 描述海水状态参数(温度、盐度、压力和密度)相互关系的表达式
    • 可由已测定的海水参数计算未知的海水状态参数
    • EOS-80
      • • 本质是经验公式
        • 温度基于68年温标，实用盐度
    • TEOS-10
      • • 本质是基于吉布斯函数的热力学方程
        • 温度基于90年温标，绝对盐度
        • 可计算的热力学变量多
    • 热膨胀系数
      • 盐度变化引起的密度变化大于温度变化引起的密度变化，其作用相反。但是在海洋温度的变化范围远大于盐度的变化范围，因此不考虑特定海区的情况下，海水密度的变化主要受温度变化的支配
    • 盐压缩系数
    • 海水的可压缩系数
      • 单位体积的海水，当压力增加1Pa时，其体积的变化量。
    • 海水绝热递减率
      • 海洋中的绝热递减率约为: 0.1~0.2°c/km
    • 海水的位温
      • 将某一海水水样绝热移动到指定压强处海水水样的温度，海洋中常取指定压强为海面处，即Pr=latm=1013.25Pa。
    • 海水的位密
      • 将某一海水水样绝热移动到指定压强处海水水样的密度，一般取海表。
    • 海水的层结
      • 因重力等作用，使得海水密度在铅直方向上呈不均匀层状分布的性质
      • 静力稳定度
        • 静力稳定度是对海水层结性的度量，值越大，表征海水的层结性越强
        • 当一个海水微元绝热上升或下降某一距离后，若受到的合力与移动方向相反，则表征该海水处于稳定层结
        • 若合力与其移动方向相同时，则该海水处于不稳定层结
        • • 稳定度越强，则小球回到原位置的恢复力越强。
          • 静力稳定度则与海水的位温，盐度直接相关。
• 海水运动基本方程
  • 海水运动与坐标系
    • 海水运动
      • 分类
        • 牛顿运动
          • 遵从运动定律，简单，确定，有序，可逆
          • 海水是有层结的
          • 海水与地球一道旋转，运动是连续的
          • 水平运动比垂向运动显著
        • 随机运动
          • 遵从统计学定律，复杂，随机，无序，部分可逆
        • 混沌运动
          • 不完全遵从运动定律或统计学定律的异常运动
    • 坐标系
      • 惯性坐标系
        • 观察者在恒星上
        • 坐标原点:地心
        • 坐标轴方向:相对恒星固定
      • 旋转坐标系
        • 观察者在地球上
        • 坐标原点:地心
        • 坐标轴方向:相对地球固定
      • 局地直角坐标系
        • 在高纬度地区和极地，由于旋转引起的误差相对较大
        • 对跨越南北半球的大范围大洋运动误差相对较大
    • 牛顿运动定律
    • 局地直角坐标系的运动方程
  • 海水所受的力
    • 科氏力
      • 在局地直角坐标系中的化简
        • 垂直速度相比水平速度较小
        • 垂向上的科氏加速度远小于重力加速度
      • 中纬度海域，科氏力(加速度)量级约为10-5~10-4m/s2
      • 科氏力始终与速度方向垂直，指向速度右侧(北半球)
    • 重力
      • 地心引力
      • 惯性离心力
        • 向心力
          • 真实存在的力
        • 假想力
        • 大小相等，方向相反，但不是相互作用力
      • 地心引力与地球自转产生的惯性离心力的合力
    • 压强梯度力
      • 由于地球引力，液体的压强是由液体重力产生的。
      • 不仅液体内部存在压强，液体对容器底和容器壁也有压强
      • 液体内部向各个方向都有压强，液体的压强虽深度的增加而增大，但在同一深度液体向各个方向的压强都相等
      • 液体的压强还跟液体的密度有关，在同一深度，液体的密度越大液体的压强越大。
      • 海水的密度不均匀性，海表面高度的变化，都会引起压强梯度力。
    • 摩擦力和引潮力
      • 摩擦力
        • 当两层流体作相对运动时，由于分子粘滞性在其界面上产生的一种切向作用力。
      • 引潮力
        • 地球围绕某天体公转时产生的惯性离心力和天体对地球的万有引力的合力
        • 天体引潮力主要是月球引潮力和太阳引潮力的合力，方向指向对应的天体质心。
  • 海水混合与守恒方程
    • 海水混合
      • 混合是海水的一种普遍运动形式，混合的过程就是海水各种特性逐渐趋向均匀的过程
      • 运动方程
        • 分子混合
          • 通过分子的随机运动与相邻海水进行交换，强度小，只与海水性质有关
        • 湍流(涡动)混合
          • 以海水微团的随机运动与相邻海水进行交换，强度比分子混合大许多量级，与海水运动状态相关
          • 海水湍流运动是以海水微团为单元进行
        • 二者形式一致，湍流混合远大于分子混合，故海水运动方程一般把分子混合对应的应力项略去
      • 热力方程
        • 对流混合
          • 由热盐作用引起，表现在铅直方向上的水体交换，尺度比湍流混合大许多
    • 风的作用
      • • 海表空气动力粗糙度
        • 海流(次要)
        • 海浪(主要)
    • 守恒方程
      • 自然界的基本定律之一。在任何与周围隔绝的物质系统(孤立系统)中，不论发生何种变化或过程，其总质量保持不变。观测事实告诉我们，海水在运动过程中其总量既不会自动增加，也不会自动减少，
      • • 描述了速度场与密度场之间的制约关系
        • 在运动中体积增大(辐散)时，其密度要减小，反之亦然
        • 对于固定空间体积元而言，有质量净流入。密度增大，反之亦然
      • • 在理想流体的等压过程中，流体的体积会随着温度的升高而增加，反之则减少
        • 如果考虑一个封闭的容器内发生的反应，只要没有气体逸出，那么反应前后的总体积是守恒的。
      • 对不可压流体，质量守恒等同于体积守恒
      • 体积守恒是质量守恒的特殊情况
      • 盐量守恒
      • 热量守恒
  • 海水运动基本方程组和近似
    • 海水运动基本方程组
      • 运动方程
        • x
        • y
        • z
      • 连续方程
      • 盐量和热量输运方程
      • 状态方程
    • 常用近似
      • 关于科氏力的近似
        • 除特定海域外，常忽略垂直运动引起的科氏效应
        • 在垂直分量中略去科氏力项
        • 在研究海域纬度跨度不大时，科氏力项可近似为常数
          • f-平面近似
            • 与真实地球相差较远
            • 适用小尺度运算，可以简化计算过程
        • 对于研究海域纬度跨度相对较大时，科氏力项可近似为线性函数
          • B-平面近似
            • 误差小于f面，但不适用于纬度范围很大的区域
            • 适用于中低纬度，纬度跨度不大的海区内可简化计算
      • 关于运动方程的近似
        • 分子黏性力远小于湍流黏性作用，湍流黏性系数近似为常数
        • 除研究潮汐现象外，引潮力常被近似为零
        • 垂直运动方程用静力近似代替
          • • 静力近似是对地球流体运动的一种很好的近似，因为对大多数地球流体的大尺度运动而言，其水平尺度是远远大于垂直尺度的，因此垂向加速度相对于水平加速度可以忽略不计。
            • 如果海水的垂直运动非常强烈，那么静压力就会受到垂直加速度的影响，则静力近似不再适用
      • 关于状态方程的近似
        • 忽略压强的影响，在盐度变化不大的情况下仅考虑温度对密度的作用
      • 关于连续方程的近似
        • 海水压缩性很小，可近似为体积守恒方程即不可压缩方程
    • 初边条件
      • 求解微分方程组需要给定初始条件
      • 海气界面和海陆界面处，需要给出相关边界条件
  • 尺度分析法
    • 尺度分析方法
      • 中高纬度科氏力参数的特征尺度为10-5~10-4s-
    • 常用无量纲数
      • Rossby数
      • Kibel数
      • Froude数
      • Reynolds数
      • Ekman数
    • 基本方程的尺度分析
  • 小扰动分析法
    • 消去非线性项，实现方程线性化
  • 波动分析法
• 海流
  • 海流概述
    • Boussinesq近似
    • p表示成平均密度p和密度扰动p’之和，海水微小的密度扰动，p’仅在z方向运动方程中对阿基米德浮力项有意义，水平运动方程中都以平均密度代替密度项
    • 海水大规模的、具有相对稳定速度的非周期性流动。
    • 海流成因
      • 动力原因
        • 由海面风驱动，盛行风所产生的海流独成体系形成风生海流。
      • 热力原因
        • 由于海面受热、蒸发、降水不均，导致海水的温盐变化，形成热盐环流
      • 这两种原因所形成的海流可以影响整个深度
      • 风生海流所影响的范围仅限于大洋的上层和中层，而热盐环流则既可以发生在大洋的上层和中层，又可以发生在大洋的深层。
  • 地转流(不考虑摩擦的定常流动)
    • 不考虑海面风和摩擦力作用，当水平压强梯度力与科氏力达到平衡时的稳定海流。
      • 海洋深且宽广，远离海岸和海底
      • 运动定常
      • 不考虑海面风的作用，忽略摩擦力作用
      • 忽略引潮力
      • 海水不可压缩
      • 取β平面近似，准静力近似
    • 梯度流
      • 非均匀密度场
    • 倾斜流
      • 均匀密度场
  • 考虑摩擦的定常流动
    • Ekman漂流
      • 无限深海漂流
      • 有限深海的漂流
      • 漂流
    • 底流
    • 非均匀风场的风生流(有限深）
    • 升降流
  • 非定常流动
    • 漂流的发展
    • 惯性流
  • 风生大洋环流
    • 大洋中部海区风生环流Sverdrup解
      • 地转流+EKman漂流
        • 对比EKman漂流
      • 不足
        • • 只适用于大洋中部海区
    • Stommel的西向强化理论
      • 不足
    • Munk的大洋风生环流理论
      • 边界层技术
    • 大洋环流西向强化的惯性理论
  • 热盐环流
• 海浪
  • 线性波动理论
    • 无旋运动的基本方程
    • 线性波动
    • 线性波动的能量
  • 线性波动的合成
    • 波数守恒方程
  • 波动的折射和绕射
    • 折射
    • 绕射
  • 有限振幅波动
    • • Stokes波
      • 摆线波
      • 椭圆余弦波（孤立波）
  • 海浪的统计性质
    • 平稳性
    • 各态历经性
    • 波剖面的分布
    • 波高的分布
      • 各种波高关系
        • • 平均波高
          • 均方根波高
          • 累积率波高
          • 大波平均波高
          • 最大可能波高
          • 最大波高
  • 海浪谱
    • • • 海浪频谱
          • Neumann谱
          • P-M谱
          • JONSWAP谱
            • 不同成长阶段的风浪谱
          • 文氏谱
          • • 协方差函数法
              • 取样间隔▲t的选取问题
              • 波面记录长度T的选取问题
              • 延时最大值
              • 谱的平滑
              • 估计谱的可靠性问题
        • 海浪方向谱
          • 充分成长风浪的方向谱
          • SWOP谱
          • 文氏谱
• 潮汐
  • 平衡潮理论
    • 平衡潮理论的基本假设
    • 天体引潮力的主要部分
    • 平衡潮潮高
    • 平衡潮理论主要结论及评价
  • 平衡潮理论的订正
    • 实际海洋中的潮汐与潮流
      • 地方迟角
    • 分潮调和常数
    • 分潮流和潮流调和常数
  • 潮汐与潮流的分析和预报
    • 早期调和分析方法
    • 潮汐最小二乘法
    • 潮流椭圆要素
    • 潮汐和潮流预报
  • 考虑地球形状的潮波（强迫波动）
    • 全球水域中的潮波
    • 有界水域中的潮波
  • 等深广阔水域中的潮波（自由波动，无引潮力） 相对于线性波动，多了大尺度的科氏力
    • 平面Sverdrup波
    • Kelvin波
    • Poincare波
  • 海峡和矩形海湾中的潮波
    • 海峡中的Kelvin波和旋转潮波系统
      • 单列Kelvin波在海峡中的传播
    • 考虑摩擦Kelvin波和旋转潮波系统
    • 矩形海湾中的潮波
      • 宽度较窄
      • 宽度较大
• 内波
  • 概述
  • 小振幅内波的一般特性
  • 界面波与内波
  • 两层流体中的界面波
  • 考虑地转效应的界面波
  • 内波对自由海面的影响及其估计
• 风暴潮
  • 狭长矩形浅水海域中的定常风暴潮
  • 狭长矩形浅水海域中的非定常风暴潮
    • 热带风暴：初振，主振，余震
  • 考虑地转效应的风暴潮
  • 大洋风暴潮的生成和传播
  • 大陆架上的风暴潮
• 中尺度涡
  • 概述
    • 中尺度涡的定义
    • 中尺度涡的分类
    • 中尺度涡的主要动力学特征
  • 中尺度涡的观测方法
    • • 卫星高度计观测
      • 走航观测
      • 浮标与潜标观测
  • 中尺度涡的识别与分析方法
    • 中尺度涡的识别方法
      • SLA闭合等值线法(最常用)
      • Okubo-Weiss 方法
      • 绕角方法
    • 中尺度涡的分析方法
  • 波粒二象性
    • 波动性
    • 粒子性