Anonymous
Anonymous asked in 科學地理學 · 1 decade ago

何謂艾克曼螺旋?

請問這是怎麼樣的一種現象??

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  • Anonymous
    1 decade ago
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    一、海洋環流的形成

      黑潮是北太平洋環流的一支,故談黑潮前首先介紹環流的形成及分佈。環流在海洋學中常可分為上層及深海環流,上層海域環流主要是因風吹所引起的,稱為Wind driven Circulation,人們對此類環流有較好的觀察與暸解。深海環流為密度不同引起的流動,一般亦可稱為溫鹽環流(Thermohaline Circulation),人類對其非常不暸解。黑潮屬上層環流,故在僅簡介上層環流。

      上層環流的上層,並無很嚴謹定義,混合層甚或斜溫層以上,或水深淺於數百公尺的海域,皆常可稱為上層海域,此層海流直/間接地受風所引起。首先當風吹拂水面時,水與風之間的摩擦力引起極表面海水流動,而極表面海水又因水分子間摩擦力帶動較下層海水的流動,但摩擦耗能,流速愈往下愈小,如此直接由風引起的水流僅限於上層數十公尺的水層。當風持續地吹,水不斷地流,水流的運動漸感受到科氏力(Coriolis force),水流方向漸偏轉,北半球向右,南半球向左。由科氏力與摩擦力(風)相互作用下產生的海流稱之為艾克曼流(Ekman flow),其特徵是:

    艾克曼海流影響深度大約是數十公尺,並從表面隨深度增加呈指數衰減;

    艾克曼海流表面流速約是風速的3%,因受科氏力影響,故風與流的夾角是45度(在一些假設下的理想情況),流在風的右手方向(北半球)。當風由南向北吹時,表面海流是東北向。

    當深度增加時,除流速隨深度減小,其流向亦隨深度增加而呈順時針(北半球)旋轉。以三維觀之,艾克曼海流於北半球呈一順時針旋轉的螺旋分佈,此稱之為艾克曼螺旋(Ekman spiral)。

    因流速上下非一致,其引起整層水的平均流動方向是位於風向右手90度(北半球)的方向,此即是艾克曼傳送方向。

    艾克曼傳送在岸邊引起水位的堆高或降低,同時亦引起下沈流或上昇流。如台灣海峽冬季盛行東北風,引起之艾克曼傳送是西北方向,水位在大陸沿岸堆積,夏季則相反。又如西南季風在越南外海引起湧昇流,形成漁場。

    艾克曼傳送引起水位的堆積/下降,亦可因風於空間不均勻的分佈引起。

      當水位堆積/下降,引起水平方向的壓力梯度(horizontal pressure gradient),此壓力梯度在物理學上是屬body force,不似風力僅限於表面,而是整水體受力,故引起整水層的運動。壓力差引起水由高壓處流向低壓處,但科氏力將此水流向右(北半球)偏轉,造成流向平行等壓線。

      此類由壓力梯度及科氏力相互作用產生之海流,於海洋/大氣學上稱為地衡流(geostrophic current),此流特性

    大洋中近乎80%的海流可視為地轉流,黑潮即為其一。

    在北半球,高壓在地轉流的右邊,流向是平行等壓線,對一北向流而言,壓力梯度作用由東向西,而科氏力則作用由西向東。

    若將水的密度視為常數,壓力梯度由水面高低引起,水平流速由上下是一致的,此類運動稱之為正壓 (barotropic) 運動。

    由二地密度垂直分佈不同引起之運動稱為斜壓運動(baroclinic motion)。又海水密度主要是受溫/鹽度影響,由量測之溫鹽度即可推算此斜壓海流。

    海表面斜率是與海下等密面斜率相反。

      艾克曼傳送造成的水平壓力差,並不一定須要陸地的阻擋,當風於水平方向不是均勻分佈時即可造成水位堆積/下降(下沈/湧昇流)而形成壓力梯度。例如:中緯度的西風,將海水依艾克曼效應向南傳送,而低緯度的東風但此水層水的流動,將海水依艾克曼效應向北傳送,如此造成水位於中/低緯度處堆積進而造成下沈流。堆積的海水造成中間高壓四週低壓的分佈,根据地衡流特性可造成一反氣旋式流埸,此即在海洋大尺度環流中所謂的sub-tropical gyre。在真實世界中此sub-tropical gyre是東西不對稱的,美海洋學家Henry Stommel 以理論推導証明,此不對稱的分佈緣於科氏力隨緯度變化造成的,此不對稱分佈造成sub-tropical gyre 於其西方邊界上流場增強,故於此部份的流埸稱之為西方邊界較強流,黑潮(Kuroshio)、彎流(Gulf Stream)皆屬此類流系。

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