劉浩 胡松

摘 要：本文首先介紹了地轉(zhuǎn)流的概念，接著重點(diǎn)討論了地轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制以及地轉(zhuǎn)流的水文特征，并結(jié)合地轉(zhuǎn)流的教學(xué)實(shí)踐以及在科研中的應(yīng)用，進(jìn)一步闡述了地轉(zhuǎn)流教學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，并為學(xué)生如何學(xué)好這部分內(nèi)容提出了一些意見(jiàn)和建議。

關(guān)鍵詞：地轉(zhuǎn)流;教學(xué);科氏力;水平壓強(qiáng)梯度力

一、地轉(zhuǎn)流的概念

海流是指在海水所受到的合外力處于平衡狀態(tài)下，海水所發(fā)生的大規(guī)模的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。不同形式的合外力相平衡會(huì)產(chǎn)生不同的海流，而地轉(zhuǎn)流則是由海面高度或海水密度變化所引起的水平壓強(qiáng)梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力（科氏力）相平衡的產(chǎn)物。由于忽略了海水本身的湍流摩擦力，因此嚴(yán)格意義上講，地轉(zhuǎn)流是一種理想狀態(tài)下的海流形式，適用于水深較深的開(kāi)放大洋。地轉(zhuǎn)流的教學(xué)內(nèi)容是物理海洋學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的重要知識(shí)點(diǎn)。

二、水平壓強(qiáng)梯度力與地轉(zhuǎn)偏向力相平衡產(chǎn)生地轉(zhuǎn)流

地球流體力學(xué)的知識(shí)告訴我們，科氏力是一種被動(dòng)力，只有當(dāng)海水相對(duì)地球發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。科氏力的大小等于科氏參數(shù)與海水運(yùn)動(dòng)速度的乘積，其中科氏參數(shù)又等于2倍的地球自轉(zhuǎn)角速度（7.29×10-5 s-1）與地理緯度的正弦函數(shù)的乘積。由此可知，沿著赤道運(yùn)動(dòng)的海水所受到的科氏力最小，為0;海水越往極地方向運(yùn)動(dòng)所受到的科氏力也就越大。由于科氏力是被動(dòng)力，它只會(huì)改變海水運(yùn)動(dòng)的方向，不能改變海水運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)，南半球正好相反。

科氏力只有當(dāng)海水相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，不然它只能是0。對(duì)于地轉(zhuǎn)流而言，造成海水運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)力是水平壓強(qiáng)梯度力，而水平壓強(qiáng)梯度力形成的前提條件是海水的等壓面和等勢(shì)面發(fā)生傾斜，即所謂的斜壓場(chǎng)。形成斜壓場(chǎng)的原因主要有兩種：（1）對(duì)于等勢(shì)面上海水密度均勻分布的斜壓場(chǎng)，等壓面傾斜于等勢(shì)面主要是由不規(guī)則增減水、風(fēng)或氣壓變化等外部原因造成的，此時(shí)的斜壓場(chǎng)稱為外壓場(chǎng)，外壓場(chǎng)等壓面相對(duì)于等勢(shì)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(zhuǎn)流又稱傾斜流或坡度流。（2）對(duì)于由于等勢(shì)面上海水密度分布不均勻引起的斜壓場(chǎng)（稱為內(nèi)壓場(chǎng)），等壓面相對(duì)于等勢(shì)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(shí)的地轉(zhuǎn)流流速隨著水層深度的增加而逐漸減小，至等壓面和等勢(shì)面重合的深度流速等于0，這種地轉(zhuǎn)流又稱梯度流。

當(dāng)水平壓強(qiáng)梯度力引起海水的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生科氏力?？剖狭﹄S著海水運(yùn)動(dòng)速度的增加而增大，直到與水平壓強(qiáng)梯度力大小相等，方向相反，達(dá)到平衡，此時(shí)海水的運(yùn)動(dòng)速度不再變化，形成穩(wěn)定的地轉(zhuǎn)流運(yùn)動(dòng)。就水文特征而言，對(duì)于傾斜流或坡度流，北半球的觀測(cè)者面朝流向而立，則右側(cè)水位高、左側(cè)水位低。對(duì)于梯度流，北半球的觀測(cè)者依然面朝流向而立，右側(cè)海水密度小、溫度高、鹽度小，左側(cè)海水密度大、溫度低、鹽度大。地轉(zhuǎn)流在南半球的水文特征正好與之相反。

三、地轉(zhuǎn)流教學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)

一是地轉(zhuǎn)流的定義及概念，了解水平壓強(qiáng)梯度力的性質(zhì)和特征，掌握地轉(zhuǎn)流產(chǎn)生的動(dòng)力機(jī)制，明確地轉(zhuǎn)流是在水平壓強(qiáng)梯度力和科氏力平衡時(shí)海水穩(wěn)定的流動(dòng)。

二是地轉(zhuǎn)流的受力分析和解析，海水運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)。要學(xué)會(huì)用控制單元的方法推導(dǎo)出水平壓強(qiáng)梯度力和科氏力數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而建立二者平衡狀態(tài)下的海水運(yùn)動(dòng)方程，并求得地轉(zhuǎn)流方程的解析。這部分內(nèi)容是地轉(zhuǎn)流教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)也是難點(diǎn)。

三是地轉(zhuǎn)流方程的應(yīng)用，既可以通過(guò)方程推導(dǎo)計(jì)算等壓面和等勢(shì)面傾斜角的大小，證明地轉(zhuǎn)流以水平流動(dòng)為主，其垂向流速?gòu)?qiáng)度要比水平流速?gòu)?qiáng)度小4個(gè)量級(jí)，而且還可以通過(guò)梯度流的動(dòng)力計(jì)算得到地轉(zhuǎn)流的絕對(duì)速度。

四是了解地轉(zhuǎn)流的水文特征，南北半球的差異性。在上述知識(shí)點(diǎn)中，地轉(zhuǎn)流方程的推導(dǎo)和應(yīng)用是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要學(xué)生有較好的數(shù)理基礎(chǔ)。另外，通過(guò)Modis圖片或數(shù)值模型結(jié)果展示，把大洋中典型的地轉(zhuǎn)流過(guò)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(xué)生對(duì)地轉(zhuǎn)流及其伴隨水文特征的認(rèn)識(shí)，有利于吸收和消化課堂的理論知識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

葉安樂(lè)，李鳳岐.物理海洋學(xué)[D].青島：青島海洋大學(xué)出版社，1992.

作者簡(jiǎn)介：劉浩，博士，副教授，研究方向：物理海洋學(xué)。