物理海洋學(xué)科簡介

物理海洋學(xué)廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院李杰〔7788lijie@163〕什么是物理海洋學(xué)？《中國大百科全書》海洋科學(xué)卷〔1987〕運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法，研究海洋中的力場、熱鹽結(jié)構(gòu)及其因之而生的各種機(jī)械運(yùn)動的時(shí)空變化，并研究海洋中的物質(zhì)交換、動量交換、能量交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會公布的《海洋科技名詞》〔2版〕狹義：運(yùn)用物理學(xué)的觀點(diǎn)和方法，研究海洋中的力場、熱鹽結(jié)構(gòu)以及因之而產(chǎn)生的各種運(yùn)動的時(shí)空變化，海洋中的物質(zhì)交換、能量交換和轉(zhuǎn)換的學(xué)科。廣義：以物理學(xué)的理論、方法和技術(shù)，研究海洋中的物理現(xiàn)象及其變化的規(guī)律，并研究海洋水團(tuán)與大氣圈、巖石圈和生物圈的相互作用的學(xué)科。例：物理海洋學(xué)的研究內(nèi)容與我們熟知的重大災(zāi)害，如臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、洪水、暴雪等有緊密關(guān)系。決定洪災(zāi)的主要因素全球大氣中水汽的分布；海水的蒸發(fā)；海表溫度對大氣運(yùn)動的控制；海流、海洋的熱鹽結(jié)構(gòu)。開展簡史近代的物理海洋學(xué)研究最早大約可以追溯至意大利航海家哥倫布對海流的認(rèn)識，在1492年至1501年他曾四次橫渡了大西洋，在這樣遠(yuǎn)距離航海中他認(rèn)識到海流起著不可無視的作用。1768年至1779年，英國探險(xiǎn)家?guī)炜俗钤邕M(jìn)行海洋科學(xué)考察，3次航行，取得了第一批關(guān)于大洋表層水溫、海流和海深以及珊瑚礁等資料。首次完成環(huán)南極航行。開展簡史到了19世紀(jì)70年代，海洋觀測儀器已有了新的開展，對海洋的感性認(rèn)識以及海洋調(diào)查的經(jīng)驗(yàn)都有了新的積累，這為全面系統(tǒng)的海洋調(diào)查觀測準(zhǔn)備了條件，使海洋研究進(jìn)入了一個新的開展階段。在此期間，比較著名的單船走航的海洋調(diào)查有“挑戰(zhàn)者〞號、“流星〞號、“信天翁〞號等調(diào)查。1872--1876年英國皇家學(xué)會組織了“挑戰(zhàn)者〞號在大西洋、太平洋和印度洋歷時(shí)3年5個月的環(huán)球海洋考察開始的。“挑戰(zhàn)者〞號的航行是第一次對海洋進(jìn)行全面的研究繼英國挑戰(zhàn)者號之后，德國流星號于1925～1927年對南大西洋進(jìn)行了考察，歷時(shí)2年零3個月。電子技術(shù)和其他近代科學(xué)方法得應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)了縱貫整個大西洋的中央海嶺，首次推算出深海區(qū)海水中懸浮物質(zhì)在洋底的沉積速率。這次考察還揭示了海洋環(huán)流和大洋熱量、水量平衡的概況。調(diào)查的結(jié)果總結(jié)成16卷考察報(bào)告出版，包括海底地質(zhì)地貌、海洋物理、海洋化學(xué)、海洋生物、海洋氣象，以及內(nèi)波等內(nèi)容。開展簡史被人們譽(yù)為“近代海洋綜合調(diào)查的典型〞是1947～1948年瑞士的“信天翁〞號調(diào)查。為了補(bǔ)充“挑戰(zhàn)者〞號無法在無風(fēng)帶區(qū)域進(jìn)行觀測的空白，“信天翁〞號重點(diǎn)進(jìn)行了三大洋赤道無風(fēng)帶的海洋觀測。歷時(shí)15個月，航程13萬公里。開展簡史從上世紀(jì)50年代起，國際性、全球性的合作方案接連不斷，取得了許多重大研究成果。如1959～1965年的“國際印度洋考察"(HOE)，發(fā)現(xiàn)了季風(fēng)末期出現(xiàn)的赤道潛流等；1963～1965年的“熱帶大西洋國際合作調(diào)查〞(ICITA)，驗(yàn)證了大洋環(huán)流模式和理論；1965～1977年的“黑潮及鄰近水域合作研究〞(CSK)，比較詳細(xì)地研究了黑潮及其時(shí)空變化。開展簡史1980年以后，出現(xiàn)多項(xiàng)國際性海洋考察方案：“世界大洋環(huán)流試驗(yàn)〞(WOCE)，研究全球大洋環(huán)流及其所輸送的熱量對氣候的影響，以獲得建立海洋—大氣系統(tǒng)總環(huán)流模式所需的資料；“熱帶大洋及其與全球大氣的相互作用〞(TOGA)。研究氣候異常過程和原因，大尺度?！?dú)庀嗷プ饔?，以改進(jìn)氣候預(yù)報(bào)。正在執(zhí)行的有：“全球海洋通量聯(lián)合研究〞(JGOFS)、“大洋鉆探方案〞(ODP)、“海岸帶海陸相互作用〞(LOICZ)、“熱帶海洋全球大氣方案—海氣耦合響應(yīng)實(shí)驗(yàn)〞(TOGA—COARE)等。這些方案使用最先進(jìn)的海洋調(diào)查儀器，通過由海面上的調(diào)查船、浮標(biāo)、海水中的潛水器及錨碇系統(tǒng)和空間的衛(wèi)星(或飛機(jī))組成的立體觀測系統(tǒng)、對海洋進(jìn)行史無前例的全球考察研究。開展簡史當(dāng)前的研究熱點(diǎn)傳統(tǒng)的物理海洋問題仍然具有生命力；衛(wèi)星觀測資料對物理海洋的推動；數(shù)值模擬；從數(shù)學(xué)上講，強(qiáng)非線性過程是研究熱點(diǎn)。海洋面積占地球面積71%〔3.61X108km2〕海洋總體積1.37X109km3平均深度3.7km〔最深Mariana11022m〕平均溫度3.5oC平均鹽度34.7面積分配：太平洋49.8%，大西洋和北冰洋29.4%，印度洋20.7%南半球占水體體積80.9%〔面積占57%〕研究內(nèi)容研究內(nèi)容大致可分為三個方面：海水宏觀運(yùn)動(如海流、海浪、潮汐)海水的小尺度結(jié)構(gòu)(如海洋湍流，溫度、鹽度、密度的時(shí)空變化，鋒面、躍層、水團(tuán)的形成)海水與全球變化等大尺度現(xiàn)象的相互作用。宏觀運(yùn)動海浪：研究其生消機(jī)制，預(yù)報(bào)，對海運(yùn)和海上建筑物的影響。宏觀運(yùn)動海流：研究其變化規(guī)律，對氣候的影響。宏觀運(yùn)動潮汐：研究其產(chǎn)生機(jī)制，預(yù)報(bào)，風(fēng)暴潮，對海岸工程、海洋戰(zhàn)爭的影響。小尺度結(jié)構(gòu)海洋熱鹽結(jié)構(gòu)與細(xì)微結(jié)構(gòu)溫度、鹽度、密度的時(shí)空變化鋒面、躍層、水團(tuán)的形成海洋湍流與海洋混合過程以上對海洋漁業(yè)、生態(tài)的影響溫度溫躍層海氣相互作用大氣對海洋的影響海洋在大氣的影響下,由于動量和動能的下傳,直接產(chǎn)生漂流、傾斜流、海浪和增水減水現(xiàn)象，配合地形與海岸效應(yīng)形成上升流、沿岸流和風(fēng)暴潮等。這種影響不僅表現(xiàn)在海洋表層，還可以傳到海洋中較深的水層以及大洋環(huán)流。例如西風(fēng)漂流、信風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)環(huán)流等，都是與大氣環(huán)流相對應(yīng)的海洋環(huán)流。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，異常的大氣環(huán)流也可以導(dǎo)致異常的海洋環(huán)流。至于海溫的上下、海面蒸發(fā)的強(qiáng)弱及海冰的生成和移動等，無不與天氣和氣候有著密切的關(guān)系。海氣相互作用海洋對大氣的影響不同海區(qū)，由于所處緯度和海陸配置的差異，海洋對大氣影響的程度和特征不盡相同。其中突出的是赤道太平洋海區(qū)所存在的海溫的東、西差異，這對上空大氣環(huán)流、云和降水等均有顯著作用。著名的厄爾尼諾現(xiàn)象與大范圍的氣候有密切關(guān)系。海溫對于臺風(fēng)和溫帶氣旋的生成和開展、頻率及移動路徑，均有顯著的影響。ENSO

ElNi?o&LaNi?a

“厄爾尼諾〞一詞來源于西班牙語，原意為“圣嬰〞。19世紀(jì)初，在南美洲的厄瓜多爾、秘魯?shù)任靼嘌勒Z系的國家，漁民們發(fā)現(xiàn)，每隔幾年，從10月至第二年的3月便會出現(xiàn)一股沿海岸南移的暖流，使表層海水溫度明顯升高。南美洲的太平洋東岸本來盛行的是秘魯寒流，隨著寒流移動的魚群使秘魯漁場成為世界四大漁場之一，但這股暖流一出現(xiàn)，性喜冷水的魚類就會大量死亡，使?jié)O民們遭受滅頂之災(zāi)。由于這種現(xiàn)象最嚴(yán)重時(shí)往往在圣誕節(jié)前后，于是遭受天災(zāi)而又無可奈何的漁民將其稱為上帝之子－－圣嬰。赤道太平洋海面水溫的變化與全球大氣環(huán)流，尤其是熱帶大氣環(huán)流緊密相關(guān)。其中最直接的聯(lián)系就是日界線以東的東南太平洋與日界線以西的西太平洋—印度洋之間海平面氣壓的反相關(guān)關(guān)系，即南方濤動現(xiàn)象〔SO〕。在拉尼娜期間，東南太平洋氣壓明顯升高，印度尼西亞和澳大利亞的氣壓減弱。厄爾尼諾期間的情況正好相反。鑒于厄爾尼諾與南方濤動之間的密切關(guān)系，氣象上把兩者合稱為ENSO〔音“恩索〞〕。這種全球尺度的氣候振蕩被稱為ENSO循環(huán)。厄爾尼諾和拉尼娜那么是ENSO循環(huán)過程中冷暖兩種不同位相的異常狀態(tài)。因此厄爾尼諾也稱ENSO暖事件，拉尼娜也稱ENSO冷事件。海氣相互作用：Ensonon-ENSOyearsENSOyears海氣相互作用的總體特征：上層海洋溫度場具有低頻變化的特性，海面溫度距平變化的振幅大，持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣而深。海洋溫度變化和由此而引起的氣候變動之間，存在著密切的相關(guān)性，以年為時(shí)間尺度的大氣變動的主要原因，與這種緩慢變化著的海洋推動力有關(guān)。因此預(yù)測大氣的年際變化，就變成預(yù)測海洋年際