科里奥利力随纬度线性增加

图4.12 Stommel的计算结果汇总。左边的图表显示了与风驱动层(假定200米深)水流平行的流线。每秒在一个流线和下一个流线之间绕环流运输的水的体积是总流量的20%。右边的图表显示了以厘米为单位的海面高度轮廓。在(1)中，海洋被假定在一个不旋转的地球上;在(2)中，海洋在旋转的地球上，但科里奥利参数被假设为随纬度而恒定;在(3)中，假设科里奥利参数随纬度线性变化。

现在集中注意力看左边的图4、图12。关于西部边界流加强的原因，它们告诉了我们什么?这仅仅是科里奥利力存在的结果吗?

这就是斯托梅尔如何证明西部边界流的增强。在某种程度上。这是因为科里奥利参数随着纬度的变化而变化，从赤道到两极都在增加。”斯托梅尔还从涡度平衡的角度解释了西部边界流的增强。(在某些方面，使用涡度比使用线性电流流动更方便，因为不需要考虑导致并发症的水平压力梯度力。)

想象一下北半球的副热带环流，受到如图4.11所示的对称风场的作用。如果风吹了很长时间，海洋就会达到一种平衡状态，随着时间的推移，海洋的旋转既不会变快也不会变慢;在海洋中的每一点，相对涡度都有一个固定的值。这就是说，在整个海洋上，那些改变流动水的相对涡度的因素必须相互抵消。为了方便起见，假定流动的深度是恒定的，现在我们将依次考虑影响相对涡度的每一个因素。

影响环流中水相对涡度的最明显的因素是风。风场是对称的，在整个区域提供负(顺时针)涡度。

下一个要考虑的因素是纬度的变化。在环流西侧向北移动的水进入行星正涡度较大的区域，因此获得负相对涡度(参见图4.7(a));同样，在环流东侧向南移动的水进入了行星正涡度较小的区域，因此失去了负相对涡度(或获得了正相对涡度)。然而，由于向北移动的水与向南移动的水一样多，由于纬度变化导致的环流中水相对涡量的净变化为零。

那么，是什么来抵消由风应力提供的负(顺时针)趋势，从而使环流不会无限加速?

答案是摩擦。我们可以假设风驱动的环流与海底没有摩擦约束，但是由于(水平)涡流形式的湍流，与海岸边界会有显著的摩擦。使用适当的Ah值，的系数涡流粘度对于水平运动(第3.1.1节)，我们可以对对称的海洋环流进行涡度平衡计算。这样的计算表明，摩擦力要大到足以提供足够的正相对涡量，以平衡风应力提供的负相对涡量，环流必须比在真实海洋中观察到的快许多倍。

科里奥利力随纬度的变化常被称为±5效应。

图4.13(a)是对称北半球环流的涡度平衡的图示(参见图4.12(2))，它以真实海洋中观察到的速率携带水。在这个环流中，海洋东部有一个近似的涡度平衡。由风提供给水的负的相对涡量几乎被正的相对涡量抵消了，正的相对涡量是由与东部边界的摩擦产生的，加上水进入低纬度而获得的相对涡量。然而，在海洋的西部，由风提供的负相对涡度和由水向高纬度运动产生的负相对涡度的综合作用远远超过了由摩擦提供的正相对涡度。海洋西部的负相对涡度持续增加，环流将无限加速。

图4.13(b)显示了一个强不对称流系的对应图，在该流系中，海水在海洋西部以狭窄的边界流向北流动，而在海洋其余大部分地区向南流动(参见图4.12(3))。在这种不对称环流中，海洋的东部和西部都可能保持涡度平衡。在海洋东部，与边界的摩擦较小，涡度平衡几乎不受影响。但在西侧，气流现在肯定快得多，摩擦和纬度变化的影响显著增加。由纬度变化引起的负相对涡度以更大的速度获得，因为水现在改变纬度的速度快得多，通过摩擦获得的正相对涡度也增加了，因为速度和速度切变都增加了。行星和摩擦的相对涡度倾向(彼此相反)至少增加了一个数量级，并且在西部海洋中达到了涡度平衡。

问题4.7的结果与上面给出的涡度平衡解释并不相互排斥。两者都与地球表面角速度的纬度变化对海洋环流的影响有关。在第一种情况下，角速度的变化由科里奥利力随纬度的变化表示，在第二种情况下，它由行星涡度随纬度的变化表示(参见图4.7(a))。

Sverdrup和Stommel从理论上推导出的海洋环流图或模型(图4.10和4.12(3))与地球的环流系统非常相似副热带环流．沃尔特(Walter Münk, 1950)对这些循环模型进行了扩展，使其更加真实。像Stommel。Münk使用了一个旋转的矩形海洋，并假设科里奥利力随纬度线性变化，但他将海洋扩展到包括纬度高达60°和赤道区．他还平衡了由风、纬度变化和摩擦提供的相对涡量，但改进了摩擦和风的表示。就摩擦而言，他考虑了与海岸边界的摩擦以及与横向和垂直电流剪切有关的摩擦，因此在水平和垂直维度(即/\h和A.;参见第3.1.1节)。

*流动的水与边界之间的摩擦力大约与当前速度的平方成正比。这类似于风在海面上的摩擦力(风应力t)和风速之间的关系。W(式3.1。x = c\V:)，但是，正如后面提到的，在构造图4.12中的图表时。斯托梅尔使用了一个更简单的关系，摩擦与当前的速度．

继续阅读:运动方程

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