地轉流的教學與研究

劉浩 胡松

摘 要：本文首先介紹了地轉流的概念，接著重點討論了地轉流產生的動力機制以及地轉流的水文特征，并結合地轉流的教學實踐以及在科研中的應用，進一步闡述了地轉流教學的重要知識點，并為學生如何學好這部分內容提出了一些意見和建議。

關鍵詞：地轉流;教學;科氏力;水平壓強梯度力

一、地轉流的概念

海流是指在海水所受到的合外力處于平衡狀態下，海水所發生的大規模的穩定運動。不同形式的合外力相平衡會產生不同的海流，而地轉流則是由海面高度或海水密度變化所引起的水平壓強梯度力和地轉偏向力（科氏力）相平衡的產物。由于忽略了海水本身的湍流摩擦力，因此嚴格意義上講，地轉流是一種理想狀態下的海流形式，適用于水深較深的開放大洋。地轉流的教學內容是物理海洋學專業學生必須掌握的重要知識點。

二、水平壓強梯度力與地轉偏向力相平衡產生地轉流

地球流體力學的知識告訴我們，科氏力是一種被動力，只有當海水相對地球發生運動時才會產生。科氏力的大小等于科氏參數與海水運動速度的乘積，其中科氏參數又等于2倍的地球自轉角速度（7.29×10-5 s-1）與地理緯度的正弦函數的乘積。由此可知，沿著赤道運動的海水所受到的科氏力最小，為0;海水越往極地方向運動所受到的科氏力也就越大。由于科氏力是被動力，它只會改變海水運動的方向，不能改變海水運動速度的大小。并且，科氏力的方向在南北半球也是有所差異的，在北半球科氏力垂直指向海水運動方向的右側，南半球正好相反。

科氏力只有當海水相對地球運動時才會產生，不然它只能是0。對于地轉流而言，造成海水運動的主動力是水平壓強梯度力，而水平壓強梯度力形成的前提條件是海水的等壓面和等勢面發生傾斜，即所謂的斜壓場。形成斜壓場的原因主要有兩種：（1）對于等勢面上海水密度均勻分布的斜壓場，等壓面傾斜于等勢面主要是由不規則增減水、風或氣壓變化等外部原因造成的，此時的斜壓場稱為外壓場，外壓場等壓面相對于等勢面的傾角β不隨深度而變，因此不同水層的流速為常量，這種地轉流又稱傾斜流或坡度流。（2）對于由于等勢面上海水密度分布不均勻引起的斜壓場（稱為內壓場），等壓面相對于等勢面的傾角β隨深度增加而逐漸減小，至某一深度兩者重合，故此時的地轉流流速隨著水層深度的增加而逐漸減小，至等壓面和等勢面重合的深度流速等于0，這種地轉流又稱梯度流。

當水平壓強梯度力引起海水的運動，進而產生科氏力。科氏力隨著海水運動速度的增加而增大，直到與水平壓強梯度力大小相等，方向相反，達到平衡，此時海水的運動速度不再變化，形成穩定的地轉流運動。就水文特征而言，對于傾斜流或坡度流，北半球的觀測者面朝流向而立，則右側水位高、左側水位低。對于梯度流，北半球的觀測者依然面朝流向而立，右側海水密度小、溫度高、鹽度小，左側海水密度大、溫度低、鹽度大。地轉流在南半球的水文特征正好與之相反。

三、地轉流教學的重要知識點

一是地轉流的定義及概念，了解水平壓強梯度力的性質和特征，掌握地轉流產生的動力機制，明確地轉流是在水平壓強梯度力和科氏力平衡時海水穩定的流動。

二是地轉流的受力分析和解析，海水運動方程的推導。要學會用控制單元的方法推導出水平壓強梯度力和科氏力數學表達式，進而建立二者平衡狀態下的海水運動方程，并求得地轉流方程的解析。這部分內容是地轉流教學內容的重點也是難點。

三是地轉流方程的應用，既可以通過方程推導計算等壓面和等勢面傾斜角的大小，證明地轉流以水平流動為主，其垂向流速強度要比水平流速強度小4個量級，而且還可以通過梯度流的動力計算得到地轉流的絕對速度。

四是了解地轉流的水文特征，南北半球的差異性。在上述知識點中，地轉流方程的推導和應用是教學的重點和難點，需要學生有較好的數理基礎。另外，通過Modis圖片或數值模型結果展示，把大洋中典型的地轉流過程和海面高度以及溫度鹽度的水文特征放在一起展示比較，從而加深學生對地轉流及其伴隨水文特征的認識，有利于吸收和消化課堂的理論知識。

參考文獻：

葉安樂，李鳳岐.物理海洋學[D].青島：青島海洋大學出版社，1992.

作者簡介：劉浩，博士，副教授，研究方向：物理海洋學。