地转流的教学与研究

刘浩 胡松

摘 要：本文首先介绍了地转流的概念，接着重点讨论了地转流产生的动力机制以及地转流的水文特征，并结合地转流的教学实践以及在科研中的应用，进一步阐述了地转流教学的重要知识点，并为学生如何学好这部分内容提出了一些意见和建议。

关键词：地转流;教学;科氏力;水平压强梯度力

一、地转流的概念

海流是指在海水所受到的合外力处于平衡状态下，海水所发生的大规模的稳定运动。不同形式的合外力相平衡会产生不同的海流，而地转流则是由海面高度或海水密度变化所引起的水平压强梯度力和地转偏向力（科氏力）相平衡的产物。由于忽略了海水本身的湍流摩擦力，因此嚴格意义上讲，地转流是一种理想状态下的海流形式，适用于水深较深的开放大洋。地转流的教学内容是物理海洋学专业学生必须掌握的重要知识点。

二、水平压强梯度力与地转偏向力相平衡产生地转流

地球流体力学的知识告诉我们，科氏力是一种被动力，只有当海水相对地球发生运动时才会产生。科氏力的大小等于科氏参数与海水运动速度的乘积，其中科氏参数又等于2倍的地球自转角速度（7.29×10-5 s-1）与地理纬度的正弦函数的乘积。由此可知，沿着赤道运动的海水所受到的科氏力最小，为0;海水越往极地方向运动所受到的科氏力也就越大。由于科氏力是被动力，它只会改变海水运动的方向，不能改变海水运动速度的大小。并且，科氏力的方向在南北半球也是有所差异的，在北半球科氏力垂直指向海水运动方向的右侧，南半球正好相反。

科氏力只有当海水相对地球运动时才会产生，不然它只能是0。对于地转流而言，造成海水运动的主动力是水平压强梯度力，而水平压强梯度力形成的前提条件是海水的等压面和等势面发生倾斜，即所谓的斜压场。形成斜压场的原因主要有两种：（1）对于等势面上海水密度均匀分布的斜压场，等压面倾斜于等势面主要是由不规则增减水、风或气压变化等外部原因造成的，此时的斜压场称为外压场，外压场等压面相对于等势面的倾角β不随深度而变，因此不同水层的流速为常量，这种地转流又称倾斜流或坡度流。（2）对于由于等势面上海水密度分布不均匀引起的斜压场（称为内压场），等压面相对于等势面的倾角β随深度增加而逐渐减小，至某一深度两者重合，故此时的地转流流速随着水层深度的增加而逐渐减小，至等压面和等势面重合的深度流速等于0，这种地转流又称梯度流。

当水平压强梯度力引起海水的运动，进而产生科氏力。科氏力随着海水运动速度的增加而增大，直到与水平压强梯度力大小相等，方向相反，达到平衡，此时海水的运动速度不再变化，形成稳定的地转流运动。就水文特征而言，对于倾斜流或坡度流，北半球的观测者面朝流向而立，则右侧水位高、左侧水位低。对于梯度流，北半球的观测者依然面朝流向而立，右侧海水密度小、温度高、盐度小，左侧海水密度大、温度低、盐度大。地转流在南半球的水文特征正好与之相反。

三、地转流教学的重要知识点

一是地转流的定义及概念，了解水平压强梯度力的性质和特征，掌握地转流产生的动力机制，明确地转流是在水平压强梯度力和科氏力平衡时海水稳定的流动。

二是地转流的受力分析和解析，海水运动方程的推导。要学会用控制单元的方法推导出水平压强梯度力和科氏力数学表达式，进而建立二者平衡状态下的海水运动方程，并求得地转流方程的解析。这部分内容是地转流教学内容的重点也是难点。

三是地转流方程的应用，既可以通过方程推导计算等压面和等势面倾斜角的大小，证明地转流以水平流动为主，其垂向流速强度要比水平流速强度小4个量级，而且还可以通过梯度流的动力计算得到地转流的绝对速度。

四是了解地转流的水文特征，南北半球的差异性。在上述知识点中，地转流方程的推导和应用是教学的重点和难点，需要学生有较好的数理基础。另外，通过Modis图片或数值模型结果展示，把大洋中典型的地转流过程和海面高度以及温度盐度的水文特征放在一起展示比较，从而加深学生对地转流及其伴随水文特征的认识，有利于吸收和消化课堂的理论知识。

参考文献：

叶安乐，李凤岐.物理海洋学[D].青岛：青岛海洋大学出版社，1992.

作者简介：刘浩，博士，副教授，研究方向：物理海洋学。