一、海水的運(yùn)動(dòng)和輸送

海水永恒不息地運(yùn)動(dòng)著，由于熱力因素和動(dòng)力因素的作用，海水運(yùn)動(dòng)的類型多種多樣，歸納起來，主要有三大類。

(一)洋流運(yùn)動(dòng)

1.洋流的概念及分類

洋流是指海洋中具有相對穩(wěn)定的流速和流向的海水，從一個(gè)海區(qū)水平地或垂直地向另一海區(qū)大規(guī)模且非周期性地運(yùn)動(dòng)。

通常根據(jù)洋流的成因?qū)⒀罅鞣殖伤念悾?/p>

(1)潮流。一般是在沿岸地區(qū)的洋流。由天體引潮力所引起，它和潮汐共生共存，有半日型、全日型或混合型潮流。潮流的運(yùn)動(dòng)形式有旋轉(zhuǎn)流(回轉(zhuǎn)流)和往復(fù)流兩種。旋轉(zhuǎn)流每隔一定時(shí)間變更一次方向，從流速為零，然后速度增加到最大值，又逐漸減小回復(fù)到零速再轉(zhuǎn)向相反的方向，流速同樣由零到最大，再由最大回復(fù)到零，周而往返(見圖9-7)。

圖9-7　海洋回轉(zhuǎn)流

往復(fù)流則一般出現(xiàn)在海峽、港灣入口處或江河入海口。在這些地方潮流受到海洋寬度的限制，經(jīng)常做直線式的往復(fù)流動(dòng)，稱為往復(fù)流。潮流在航道上，即較深的水道上，也常呈往復(fù)流。

(2)風(fēng)海流。風(fēng)除產(chǎn)生波浪外還能促使海水運(yùn)動(dòng)。海水表面在風(fēng)應(yīng)力作用下，沿著風(fēng)吹的方向流動(dòng)，流動(dòng)后受到地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力的作用，使水流方向不再和風(fēng)向一致，在北半球要向右偏轉(zhuǎn)，表面海水流動(dòng)又要帶動(dòng)下層，下層又偏于表面流的右方。層層牽引，海流方向與風(fēng)向之間夾角越來越大，到某一深度，洋流流向就會和表面流向相反，同時(shí)受摩擦力影響，越向深層流速越小，到一定深度就不再影響了(見圖9-8)。風(fēng)海流所能影響的深度，一般為200m左右，與整個(gè)海洋深度相比只是很薄的一層。

圖9-8　風(fēng)洋流垂直分布模式

(3)密度流。由于海水密度分布不均勻所造成海水的密度與溫度、鹽度關(guān)系密切。溫度高則密度小，溫度低則密度大；鹽度高則密度大，鹽度低則密度小。密度小的地方，海水體積大，海面升高；密度大的地方，體積縮小，海面下沉。造成水平面壓力不一致，產(chǎn)生水平壓強(qiáng)梯度力，促使海水從壓力大的地方流向壓力小的地方，海水就發(fā)生流動(dòng)。水平壓強(qiáng)梯度力出現(xiàn)后，地轉(zhuǎn)偏向力使本應(yīng)朝著水平壓強(qiáng)梯度力方向流動(dòng)的海水拉向右偏，直至兩個(gè)力取得平衡為止。

(4)補(bǔ)償流。由于海水的連續(xù)性和不可壓縮性，一個(gè)地方的海水流走了，相鄰海區(qū)的海水就要流過來補(bǔ)充，這就產(chǎn)生了補(bǔ)償流。補(bǔ)償流可分兩種：一種是是水平補(bǔ)償流，包括離岸流和沿岸流；另一種是垂直補(bǔ)償流，包括上升流和下降流(見圖9-9)。

圖9-9　補(bǔ)償流的幾種形態(tài)

此外，另一種常用的分類方法是按照洋流的性質(zhì)將其分為暖流和寒流兩類。一般把從暖區(qū)流向冷區(qū)、低緯度流向高緯的洋流稱為暖流；把從冷區(qū)流向暖區(qū)、高緯流向低緯的洋流稱為寒流。

2.洋流輸送量

洋流是海洋中水量輸送的主要方面，有了洋流才能使大量的海水從一處流向另一處。對于整個(gè)海洋總水量的盈虧，洋流輸送起不了多少作用。可是對于氣候的形成與變化，以及海洋內(nèi)生物資源的發(fā)展來說，影響卻非常巨大。

地球上各處洋流輸送的具體數(shù)量，必須根據(jù)實(shí)際觀測和計(jì)算獲得。這里主要介紹地球上最大的洋流——黑潮與灣流的一些情況(見圖9-10)。

圖9-10　世界上兩大海流比較

黑潮是世界海洋中第二大暖流。因其水色深藍(lán)，遠(yuǎn)看似黑色而得名。黑潮由北赤道發(fā)源，經(jīng)菲律賓，緊貼中國臺灣東部進(jìn)入東海，然后經(jīng)琉球群島，沿日本列島的南部流去，于東經(jīng)142°、北緯35°附近海域結(jié)束行程。黑潮的總行程有6000km。

黑潮在我國臺灣東南外海，流幅寬度約150海里，流速1.0～1.5節(jié)(1節(jié)=1海里/時(shí)=1.852千米/時(shí))，厚度400m上下。到了臺灣以東，流幅減為60海里左右，流速增加到2.0節(jié)，核心深度200m，最深至700m。流入東海后，在沖繩以西流幅為80海里，流速1.2～2.0節(jié)，厚度600m。至日本以南流速增加到2.0～2.5節(jié)，黑潮流得最快的地方是在日本潮岬外海，一般流速可達(dá)到4節(jié)，不亞于人的步行速度，最大流速可達(dá)6～7節(jié)，比普通機(jī)帆船還快。再向東去流速又減至1.2～2.0節(jié)。黑潮的流量十分巨大，平均每秒鐘達(dá)2200×10⁴m³，相當(dāng)于世界上最大的亞馬孫河流量的200倍。整個(gè)黑潮的徑流量等于1000條長江。

灣流是世界上第一大海洋暖流，亦稱墨西哥灣(暖)流。灣流的絕大部分來自加勒比海。當(dāng)南、北赤道流在大西洋西部匯合之后，便進(jìn)入加勒比海，通過尤卡坦海峽，其中的一小部分進(jìn)入墨西哥灣，再沿墨西哥灣海岸流動(dòng)，海流的絕大部分是急轉(zhuǎn)向東流去，從美國佛羅里達(dá)海峽進(jìn)入大西洋。這支進(jìn)入大西洋的灣流起先向北，然后很快向東北方向流去，橫跨大西洋，流向西北歐的外海，一直流進(jìn)寒冷的北冰洋水域。這是一支長而狹窄的海流，寬度為100海里左右，深度1海里上下，其流速在夏季為1.5節(jié)，冬季約為2節(jié)，最大時(shí)可達(dá)3.3節(jié)。其流量為70×10⁶～90×10⁶m³/s，比全世界所有河流的總流量還要大好幾倍到十幾倍。

3.世界大洋表層環(huán)流系統(tǒng)

大氣與海洋之間處于相互作用、相互影響、相互制約之中，大氣在海洋上獲得能量而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，大氣運(yùn)動(dòng)又驅(qū)動(dòng)著海水，這樣多次的動(dòng)量、能量和物質(zhì)交換，就制約著大氣環(huán)流和大洋環(huán)流。海面上的氣壓場和大氣環(huán)流決定著大洋表層環(huán)流系統(tǒng)。圖9-11為冬季各大洋表層洋流。

圖9-11　冬季各大洋表層洋流

(1)大洋表層環(huán)流模式。大洋表層環(huán)流與盛行風(fēng)系相適應(yīng)，所形成的格局具有以下特點(diǎn)：

①以南北回歸高壓帶為中心形成反氣旋型大洋環(huán)流。

②以北半球中高緯海上低壓區(qū)為中心形成氣旋型大洋環(huán)流。

③南半球中高緯度海區(qū)沒有氣旋型大洋環(huán)流，而被西風(fēng)漂流所代替。

④在南極大陸形成繞極環(huán)流。

⑤北印度洋形成季風(fēng)環(huán)流區(qū)。

(2)世界大洋表層反氣旋型大洋環(huán)流。反氣旋型大洋環(huán)流，分布在南北緯50°之間，并在赤道兩側(cè)呈非對稱出現(xiàn)。

在東南信風(fēng)和東北信風(fēng)的西向風(fēng)應(yīng)力作用下，形成了南、北赤道洋流(又稱信風(fēng)漂流)。其基本特點(diǎn)是：從東向西流動(dòng)，橫貫大洋，寬度約2000km，厚度約200m，表面流速為20～50cm/s，靠近赤道一側(cè)達(dá)50～100cm/s，個(gè)別海區(qū)可達(dá)160～200 cm/s。由于赤道偏北，所以信風(fēng)漂流也偏北(但印度洋除外)，因此赤道洋流并不與赤道對稱。它對南北半球水量交換起著重要作用，特別是大西洋、南大西洋的水可穿過赤道達(dá)北緯10°以北，并與北大西洋水相混合。

赤道洋流遇大陸后，一部分海水由于信風(fēng)切應(yīng)力南北向分速分布不均和補(bǔ)償作用而折回，便形成了逆赤道流和赤道潛流。逆赤道流與赤道無風(fēng)帶位置相一致，其基本特征是：從西向東流動(dòng)，一般流速為40～60cm/s，最大流速可達(dá)150cm/s，為高溫低鹽海水。赤道潛流位于赤道海面以下，流動(dòng)于南緯2°到北緯2°之間，軸心位于赤道海面下100m處，軸心最大流速為100～500cm/s。在赤道洋流和赤道潛流海區(qū)，表層水以下都存在著溫度和鹽度的躍層。這兩支洋流都是暖流性質(zhì)。

赤道洋流遇大陸后，另一部分海水向南北分流，在北太平洋形成黑潮，在南太平洋形成東澳大利亞洋流，在北大西洋形成灣流，在南大西洋形成巴西洋流，在南印度洋形成莫桑比克洋流。這些洋流都具有高溫、高鹽、水色高、透明度大的特點(diǎn)。其中最著名的暖流有黑潮和灣流。

黑潮、東澳大利亞洋流、灣流、巴西洋流、莫桑比克洋流受地轉(zhuǎn)偏向力的影響，到西風(fēng)帶則轉(zhuǎn)變?yōu)槲黠L(fēng)漂流。西風(fēng)漂流與寒流之間，形成一洋流輻聚帶，叫做海洋極鋒帶。極鋒帶兩側(cè)海水性質(zhì)不同，冷而重的海水潛入暖而輕的海水之下，并向低緯流去。南半球因三大洋面積彼此相連，風(fēng)力強(qiáng)度常達(dá)8級以上，所以西風(fēng)漂流得到了充分的發(fā)展，從南緯30°一直擴(kuò)展到南緯60°左右，表層水層厚度可達(dá)3000m，平均速度為10～20cm/s，流量2×10⁸m³/s。

西風(fēng)漂流遇大陸后分成南北兩支，向高緯流去的一支成為暖流(北半球)，向低緯流去的一支成為寒流，并以補(bǔ)償流的性質(zhì)匯入南北赤道流。這樣就形成了大洋中的反氣旋型環(huán)流系統(tǒng)。

屬于這類寒流的有：北太平洋的加利福尼亞寒流，南太平洋的秘魯寒流；北大西洋的加那利寒流，南大西洋的本格拉寒流；南印度洋的西澳大利亞寒流等。

(3)世界大洋表層氣旋型大洋環(huán)流。氣旋型大洋環(huán)流分布在北緯45°～70°之間。在大洋東側(cè)，為從西風(fēng)漂流分出來的暖流，屬于這類洋流的有：北太平洋阿拉斯加暖流和北大西洋暖流。其表層水一般厚度為100～150m。

在大洋西側(cè)為從高緯向中緯流動(dòng)的寒流，它是在極地東北風(fēng)作用下形成的。屬于這類寒流的有：北太平洋的親潮和北大西洋的東格陵蘭寒流。其水層厚度可達(dá)150m，其水文特征是低溫、低鹽、密度大、含氧量多。

(4)北印度洋季風(fēng)漂流。三大洋中唯有北印度洋特殊，在冬、夏季風(fēng)作用下形成季風(fēng)漂流。冬季，北印度洋盛行東北季風(fēng)，形成東北季風(fēng)漂流；夏季，北印度洋盛行西南季風(fēng)，形成西南季風(fēng)漂流(見圖9-12)。

(5)南極繞極環(huán)流。也稱“南極環(huán)極流”或“西風(fēng)漂流”，是世界大洋中唯一環(huán)繞地球一周的表層大洋環(huán)流。它自西向東環(huán)繞緯圈橫貫太平洋、大西洋和印度洋。

在南大洋，除南極沿岸一小股流速很弱的東風(fēng)漂流外，其主流就是自西向東運(yùn)動(dòng)的南極繞極流。南極繞極流在南緯35°～65°區(qū)域，與西風(fēng)帶平均范圍一致，形成西風(fēng)漂流，又因南極大陸附近的海水密度小于南極外海的海水密度，乃生成由西向東的地轉(zhuǎn)流，故南極繞極流是西風(fēng)漂流與地轉(zhuǎn)流合成的環(huán)流。

圖9-12　北印度洋表層海流

南極繞極環(huán)流的特點(diǎn)是低溫、低鹽，冬季大部分水溫在冰點(diǎn)左右，鹽度為(34.0～34.5)×10^－3。南極繞極環(huán)流深度從海面到海底的整個(gè)水層，平均流速為15cm/s左右。南極繞極流流速不大，但隨深度減弱很小，而且厚度很大，因此具有巨大的流量，流量相當(dāng)于世界大洋中最強(qiáng)大的灣流和黑潮的總和，但流速僅為其1/10。其作為南極和熱帶的熱量交流屏障，保證南極的寒冷。

4.海洋-大氣相互作用

海洋和大氣同屬流體，它們的運(yùn)動(dòng)具有相似之處，并且是相互聯(lián)系和相互影響著的。在大尺度海-氣相互作用中，海洋對大氣的作用主要是熱力的，而大氣對海洋的作用主要是動(dòng)力的。人們通過觀測和研究發(fā)現(xiàn)，某些海區(qū)的熱狀況變化可以對大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生顯著的影響，例如，赤道東太平洋海區(qū)和赤道西太平洋“暖池”海區(qū)就是這樣。在上述海區(qū)每隔幾年便會發(fā)生的厄爾尼諾和拉尼娜事件，是大尺度海-氣相互作用的突出表現(xiàn)。

(二)潮汐運(yùn)動(dòng)

1.潮汐及其類型

潮汐也是海水運(yùn)動(dòng)的主要形式之一，是海水在月球和太陽引潮力作用下所發(fā)生的周期性升降運(yùn)動(dòng)。海水升起前進(jìn)時(shí)叫漲潮，下降后退時(shí)叫落潮。漲潮時(shí)，水位上升到最高位置叫高潮；落潮時(shí)，水位下降至最低位置叫低潮。一般情況下，每晝夜海面有兩次漲落，其平均周期即上一次高潮(或低潮)至下一次高潮(或低潮)相隔的平均時(shí)間，一般為12小時(shí)26分。我國古代把白天出現(xiàn)的海水漲落叫做潮，把夜間出現(xiàn)的海水漲落叫做汐，合稱潮汐。

2.潮汐的形成

海洋的潮汐現(xiàn)象是由于月球和太陽的引力在地球上分布的差異引起的。我們知道，地球在繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞地-月質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，因此，地球同時(shí)受太陽和月球的引力作用。應(yīng)該注意的是，引潮力并不是引力，而是兩個(gè)天體之間的引力與離心力之合力，這種合力才是引起潮汐的原動(dòng)力。

換句話說，地球各地點(diǎn)的引潮力，一方面決定于月球和太陽對地球的引力，另一方面決定于地球繞地月公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性離心力。地球上各地點(diǎn)的離心力大小皆相等，但各地點(diǎn)的引力是不同的，因此，各地的引潮力也有差別。如圖9-13所示，在月球直射點(diǎn)A，因距月球最近，引力最大，引力大于離心力，兩力合成的結(jié)果使海水上漲，漲潮方向與月球引力方向一致，故稱為順潮；在B點(diǎn)，因距離月球最遠(yuǎn)，引力最小，離心力大于引力，兩力合成的結(jié)果也使海水上漲，但漲潮方向與月球引力方向相反，故稱為對潮；在C、D兩點(diǎn)，引力和離心力合成的結(jié)果將產(chǎn)生落潮，因而形成潮汐橢圓。

圖9-13　月球引力、慣性離心力和引潮力的分布

不論是由于月球還是太陽的作用，其力學(xué)過程是一樣的。月球的質(zhì)量雖然遠(yuǎn)小于太陽，但它與地球的距離比太陽與地球的距離近得多，根據(jù)萬有引力定律計(jì)算可知，月球引潮力是太陽引潮力的2.17倍，可見，海洋潮汐主要是由月球引起的。通常把月球引潮力引起的潮汐叫做太陰潮，把太陽引潮力引起的潮汐叫做太陽潮。

3.潮汐的變化

由于月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，在一個(gè)朔望月(29.5天)內(nèi)，太陽、地球和月球相互位置的變化相應(yīng)地引起潮汐的周期變化。當(dāng)夏歷初一(朔)和十五(望)，太陽、地球和月球幾乎在同一直線上，這時(shí)月球引潮力和太陽引潮力的作用相疊加，太陽潮最大程度地加強(qiáng)了太陰潮，形成一個(gè)月中兩次最大的日、月合成潮，高潮很高，低潮很低，潮差最大，即為大潮。朔、望之后，隨著日、地、月的不斷運(yùn)動(dòng)，三個(gè)星球的位置不斷變化，到夏歷初八(上弦)和二十三(下弦)、日、地、月三者的位置成直角關(guān)系，這時(shí)日、月合成引潮力最小，太陽潮最大程度地削弱了太陰潮，形成一個(gè)月中兩次最低的高潮和最高的低潮的合成潮，潮差最小，即為小潮。這樣，在一個(gè)朔望月中便出現(xiàn)兩次大潮和兩次小潮。實(shí)際上，由于其他復(fù)雜因素的影響，大潮和小潮并不準(zhǔn)確出現(xiàn)于朔望日和上下弦日，而是延遲二三日。

各個(gè)海區(qū)，甚至同一海區(qū)的不同地點(diǎn)，潮汐的周期變化很大，但基本上可以歸納為三個(gè)類型：半日潮、全日潮和混合潮。半日潮是在一個(gè)太陰日(24時(shí)50分)內(nèi)有兩次高潮和兩次低潮，也就是漲落的時(shí)間間隔為12小時(shí)25分，而且一天內(nèi)兩次潮的高度幾乎相等；全日潮是一個(gè)月當(dāng)中，多數(shù)日子每隔24小時(shí)50分出現(xiàn)一次高潮和一次低潮，而其余的日子里則為一天兩次潮?；旌铣庇址譃椴徽?guī)半日潮和不正規(guī)全日潮兩類，前者一個(gè)太陽日內(nèi)也有兩次高潮和兩次低潮，但潮差有明顯的差別，而且漲潮時(shí)和落潮時(shí)也不一樣長；后者則是半個(gè)月內(nèi)大多數(shù)日子為不正規(guī)半日潮，但有時(shí)在一天里也發(fā)生一次高潮和一次低潮。

(三)波浪運(yùn)動(dòng)

波浪就是海水質(zhì)點(diǎn)在它的平衡位置附近產(chǎn)生一種周期性的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)和能量的傳播。

波浪運(yùn)動(dòng)只是波形的向前傳播，水質(zhì)點(diǎn)并沒有隨波前進(jìn)，這就是波浪運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)。

1.波浪要素

波浪的大小和形狀是用波浪要素來說明的。波浪的基本要素有：波峰、波頂、波谷、波底、波高、波長、周期、波速、波向線和波峰線等(見圖9-14)。

圖9-14　波浪要素示意圖

波峰是靜水面以上的波浪部分。波頂是波峰的最高點(diǎn)。波谷是靜水面以下的波浪部分。波底是波谷的最低點(diǎn)。波高h(yuǎn)，是波頂與波底之間的垂直距離。波長λ，是相鄰波頂(或波底)間的水平距離。周期τ是相鄰波頂(或波底)經(jīng)空間同一點(diǎn)所需要的時(shí)間。波速c是波形移動(dòng)的速度，即c=λ/τ。波峰線是指垂直波浪傳播方向上各波頂?shù)倪B線。波向線，是指波動(dòng)傳播的方向。

2.波浪的分類

波浪的劃分標(biāo)準(zhǔn)很多，其中最常見的是下面按成因的分類。

(1)風(fēng)浪和涌浪。在風(fēng)力的直接作用下形成的波浪，稱為風(fēng)浪；當(dāng)風(fēng)停止，或當(dāng)波浪離開風(fēng)區(qū)時(shí)，這時(shí)的波浪便稱為涌浪。

(2)內(nèi)波。發(fā)生在海水的內(nèi)部，由兩種密度不同的海水作相對運(yùn)動(dòng)而引起的波動(dòng)現(xiàn)象。

(3)潮波。海水在引潮力作用下產(chǎn)生的波浪。

(4)海嘯。由火山、地震或風(fēng)暴等引起的巨浪。

3.風(fēng)浪與涌浪

可以根據(jù)流體力學(xué)的觀點(diǎn)來解釋風(fēng)浪的形成。當(dāng)兩種密度不同的介質(zhì)相互接觸，并發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其分界面上就要產(chǎn)生波動(dòng)。在流體力學(xué)中空氣被看做是一種具有壓縮性的流體，而自由水面是水和空氣之間的分界面，當(dāng)空氣在海面上流動(dòng)時(shí)，由于摩擦力作用，原接觸界面成為不穩(wěn)定平衡面，必須形成一定的波狀界面，才能維護(hù)平衡，由此就產(chǎn)生海面波動(dòng)，形成風(fēng)浪。從性質(zhì)上說，風(fēng)浪屬于強(qiáng)制波，其波形的輪廓和余擺線差別大，波峰尖隨，波谷平衡，海面凹凸不平，此起彼伏。它的波高較高，波長較短，波速較慢，最大僅達(dá)40～50km/h。風(fēng)速、風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)是決定風(fēng)浪大小的主要因素。風(fēng)速增大時(shí)，波高、周期和波速都隨之增大；波速增大時(shí)，波浪要素也隨著增大；風(fēng)浪是隨著風(fēng)向傳播的，所以風(fēng)區(qū)越大，風(fēng)浪也就越能得到發(fā)展。如果風(fēng)區(qū)較小，雖有足夠的風(fēng)力和風(fēng)時(shí)，風(fēng)浪也不能充分發(fā)展。

涌浪的出現(xiàn)是風(fēng)浪進(jìn)入消衰階段的標(biāo)志。涌浪的特點(diǎn)是：隨著傳播距離的增長，波高逐步變小，波長和周期卻不斷增加，因而涌浪變得越平緩，波形越接近擺線波。從性質(zhì)上說，涌浪屬于自由波。其波形的輪廓和余擺線較接近，波峰圓滑，海面較規(guī)則，波浪呈一排排的樣子，其波高較低，波長較長，可達(dá)500～600m甚至更長，波速較快，可達(dá)100km/h以上。