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主題二、物理現象 Physical Phenomena

主題二、物理現象 Physical Phenomena. 2.1 流 Currents 洋流 Ocean Circulation. 流 = 運動之水體 ( water masses in motion ) ， 由太陽 ( Sun ) 獲得驅動能量。 風吹流 ( Wind-driven currents ) ：移動風場造成，上層水體之水平運動。 Thermohaline Circulation ：受海水表面之溫度與鹽度影響，垂直速度分量明顯，是深水混合主要貢獻者。溫度與鹽度上昇、密度增加，上層水往下沈降。. 海水 上下水層的運動.

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主題二、物理現象 Physical Phenomena

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Presentation Transcript

  1. 主題二、物理現象Physical Phenomena

  2. 2.1流Currents 洋流Ocean Circulation 流 = 運動之水體( water masses in motion )， 由太陽( Sun )獲得驅動能量。 • 風吹流 ( Wind-driven currents )：移動風場造成，上層水體之水平運動。 • Thermohaline Circulation：受海水表面之溫度與鹽度影響，垂直速度分量明顯，是深水混合主要貢獻者。溫度與鹽度上昇、密度增加，上層水往下沈降。

  3. 海水 上下水層的運動 海水分上層水體（均勻混合層與密度急變層(pycnocline )）及下層水體( pycnocline底部至海底)。 • A.水平循環Horizontal Circulation : Wind-driven & surface water • B.垂直循環 Vertical Circulation

  4. Figure 7-4 Dynamics of Lake Stratification

  5. 水平循環 HorizontalCirculation • 風驅( Wind-driven )：能量由風  海表面水體﹔ • 風源：東北貿易風（北半球）及東南貿易風（南半球）。 • 結果：赤道區之向西流場由於科氏力及大陸存在而做轉彎，形成北半球之順時針流細胞（gyre），南半球是逆時針流細胞( gyre )。

  6. Normal oceanic and atmospheric conditions that become altered by EI Nino-Southern Oscillation events Figure 9-19 Waalker Circulation

  7. 艾克曼螺旋( Ekman Spiral ) 由於Fridtjof Nansen乘Fram之航程中所觀察之現象透露給物理學家Walfrid Ekman而建立數學關係式，其中Ekman假設： • 水體( water column )受表面風作用而運動﹔ • 受科氏力( Coriolis Force )影響，表面流與風向呈45度向右（北半球），表面流為一薄層進而帶動下層中水運動﹔ • 風能量由上往下傳遞，各層水流速度漸減並且方向均與上層流動方向呈一角度向右（即右旋）﹔ • u( z ) = f (風速，緯度)，厚度一般達100 m，u(100)與風向反向(即位相差= 180度) 圖8-2結論：表面流與風向呈45度，垂直斷面總流量為90度向右，但實際海域中兩者角度均較理論值為小，特別是海岸地區幾乎是同向。

  8. Figure 9-2 Ekman Spriral

  9. 地衡流 Geostrophic Currents 大範圍觀察得知，全球風場會導致各大洋中之迴旋流場( gyre )，如圖8-3顯示由於科氏力影響任何流場都會產生一90o向右之力（北半球），其結果水位在中心位置會上升﹔由於力之平衡，斜坡形成必然導致重力作用，而當水分子受重力作用向下坡運動時又再受科氏力作用而屈折運動( deflect )，直至重力 v.s. 科氏力達到平衡，此時產生沿著斜坡( Hill )繞流之流場稱為地衡流。

  10. Figure 9-3 Geostrophic Current

  11. 西向強化效應 Westward Intensification 前提及之水位堆升( piling up )在gyre當中之結果並非完全對稱，即峰點不在中心而是在偏西側邊界處，故 西側強化效應 = f（科氏力（緯度變化），風場能量輸入，底床摩擦）﹔因此水位堆升造成西側坡度較陡而東側較緩，其結果地衡流速在西側較快而東側較慢。 Ex.太平洋或大西洋Gyre之U西側最大達5 km/h東側U≦1 km/h。

  12. 動力地勢 Dynamic Topography 動力地勢  用以計算地衡流速 非直接量測上層水體流速之方法，利用量測內部密度分佈而決定。每一斷面不同水深取樣，量溫度與鹽度  平均密度（100 m 厚度），假設d = 100 m所有各處水體之靜水壓力皆相等。 P相同  水位相同（理論），但若因不則故水位不相同，結果等壓線上之水位不等高，此地勢稱為Dynamic Topography，故從動力地勢圖中即可推算地衡流速。 自行閱讀Antarctic Circulation, Atlantic, Pacific, Indian Ocean Circulation

  13. Figure 9-4 Dynamic Topography-Satellite View

  14. 垂直循環 Vertical Circulation • Wind-induced：淺水區，風引起之水平流動所導致，上層水體 • Thermohaline：深海，溫度與鹽度改變使上層水往下流動（因密度變大）達到充分混合

  15. 揚升流 Upwelling 表面水被帶離區域，若表面循環無法完全補充則必須由下層往上之流補充，一般發生於Open Sea & along大陸邊緣 • A赤道揚升流 Equatorial Upwelling 赤道流為西向，受科氏力影響而向北（上、北半球）和向南（下、南半球）偏轉造成水面之不足( deficiency )故必須有底層向上之流補充。 • B海岸揚升流及沈潛流Coastal Upwelling & Downwelling 靠近海岸地區之風吹流動受科氏力影響，產生90o向右（北半球）向左（南半球）偏轉之淨Ekman傳輸( Ekman Transport )，因而水平流體之質量守恆需仰賴垂直上升流之補足。由於淺水區域之下層水較冷但富含較高濃度之營養質，因而往往是最佳漁場( Ex. Peru Currents )

  16. Figure 9-5 Equatorial and Coastal Upwelling and Downwelling

  17. 垂直循環 (一) 風導循環 Wind-induced 風導循環Wind-induced Circulation （平面不守恆故由垂直方向滿足） 世界各地均有，因風導流將水體帶入或帶出某一區域而產生垂直循環。

  18. A motionless bicycle wheel on a frictionless stand at the equator is carefully moved to the North Pole. without disturbing the wheel. At the North Pole. the wheel exhibits an apparent clockwise rotation because the Earth is rotating counterclockwise beneath it. (After k. Stowe. 1983. Ocean Science 2nd ed. New York: John Wiley and Sons.)

  19. ( a ) Upwelling and ( b ) downwelling caused by winds blowing along the shore. ( c ) Upwelling cell at a cape. Note that the upwelled waters come from below the pycnocline. Also note that the plume of upwelled waters extends from the cape and is moved by suface currents.

  20. Figure 9-12 Antarctic Subsurface Water Masses

  21. Langmuir Circulation 發生於主要洋區之旋轉流細胞( gyre )之中心附近，因風速弱故科氏力作用亦弱，結果產生steady方向流（不偏轉）導致上層水體產生對流細胞( convection cell )。以三D角度觀看，其長軸與風向同向因而有機物質( organic material )較集中於收斂區或下降區( down-welling )，形成所謂風堆枯葉( wind row )現象。

  22. 垂直循環 (二) Thermohaline Circulation 基本上由於表面水體密度改變造成﹔現象為垂直混合發生於高緯度區域之昇或潛( Rising or Sinking )流。原因是高緯度區水體層化不明顯，低緯度區則因層化（分層）現象明顯。 density stratification or Pycnocline對垂直循環形成是障礙。

  23. 溫度T影響：雖然太陽能促使赤道附近水體擴張向外，引致高緯度冷流由下層回流，但相較於風吹之能量此影響結果不明顯。溫度T影響：雖然太陽能促使赤道附近水體擴張向外，引致高緯度冷流由下層回流，但相較於風吹之能量此影響結果不明顯。 • 鹽度S影響：鹽份影響在高緯度區才相當明顯（但水的鹽度在低緯度區最高），由於溫度較高導致水之密度較低而得以保持不往下沈。 實例： • North Atlantic Deep Water挪威海域次極帶區冷水下沈至中水層深度而流入北大西洋。 • Antarctic Intermediate Water Mass因水流會合而下沈之流。 • Oceanic Common Water源於北大西洋深水與南極底層水流，遍佈於太平洋與印度洋，Tave =1.5℃, S = 34.7 o/oo

  24. 垂直循環 (三)流與風能轉換 ( Optional for reading ) Ex. Offshore Wind Power System ( OWPS ), Water Low Velocity Energy Convector ( WLVEC ), Coriolis Program。

  25. There is some optimism that an offshore windpower system could generate electricity to meet the needs of large areas of the U.S. North Atlantic coast. Figure 9-23 Offshore Windpower System(OWPS)

  26. Buoyant Coriolis hydroturbines anchored in ocean current. It is estimated that an array of 242such unit placed in the Gulf Stream could provide 10 percent electricity needs of Florida. Figure 9-24 Coriolis Program

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