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埃克曼螺旋

埃克曼螺旋（英语：Ekman spiral），或称为埃克曼螺线，是指海洋表面附近的海流因为风和科氏力的作用造成海流方向旋转的结构。这个结构以瑞典海洋学家沃恩·华费特·埃克曼命名。表面海流的偏转现象是由挪威探险家弗里乔夫·南森在1893到1896年的前进号北极探险途中发现。

埃克曼螺旋机制示意图。 ① 表示洋流方向, ② 表示风向施加海面的力的方向, ③ 表示海流最终流动的方向, ④ 表示科氏力(科氏力垂直于洋流方向①)

埃克曼螺旋是科氏力的产物，在北半球科氏力会使移动中的物体向右方偏转（在南半球则向左），因此当风持续在北半球广阔海面上作用时，将会给予表面海流和风向一样的加速度，而海流同时受到科氏力影响并产生和风向垂直的向右加速度，并且当速度增加时，会逐渐向右方偏转，因为海流方向会稍微偏向风向的右方垂直于海流方向的科氏力会有部分抵消风力，最后当风力科氏力和海面下海水黏滞力达到平衡时，海流将达到终端速度，并在风存在的状态下以平衡状态时的速度和方向前进，表面的海流会拖曳下层海水，并且在前进方向上对下层海水施加力量连续向下重复的过程，最终会使各层海水的稳定流向比风向更偏右方，并且向更深层海水作用，最终产生一个因为海流方向随水深改变的连续性的旋转（或螺旋当深度增加时风力的强度将递减），使最终海流的稳定速度下降，形成如图所示的锥形三维。螺旋埃克曼螺旋的穿透深度取决于在一个摆日中湍流混合能作用的深度而定。[1]

上图显示了在北半球与埃克曼螺旋相关的作用，例如何作用来自上方的力（最初是海面上方风所施加的力）以红色表示，以深黄色表示的科氏力则和上方的力呈直角，实际上是和海流方向呈直角，而最终的海流方向是以粉红色表示，并且海流对下方海水所施的力即为下层海水的上方力，因此海流方向就随着深度增加呈顺时针螺旋。

观测

海洋中埃克曼螺旋的首次观测纪录是1958年在北冰洋的浮冰观测纪录[2]。之后的观测纪录包含。

有数个观测纪录中的螺旋结构有被“压缩”的现象，显示涡流黏度的预测值较实际大，这是因为一般较常考虑随深度造成的旋转速度，而不是和速度衰减相关的涡流黏度[5][6][7]。

典型的埃克曼螺旋已经在冰海之下被观测到[2]，但在无浮冰的开放海域中相关的观测纪录相当稀少。这是因为海洋表面层中的湍流混合明显受到昼夜循环影响，并且表面波会使埃克曼螺旋变得不稳定。大气层中也有埃克曼螺旋的现象，在北半球的表面风倾向于被吹往左方。

参见

注释

  1. ^ Pendulum day. AMS Glossary. [2007-06-28]. （原始内容存档于2015-10-05）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Hunkins, K. Ekman drift currents in the Arctic Ocean. Deep-Sea Res. 1966, 13: 607–620. 
  3. ^ Field, J. G., C. L. Griffiths, E. A. S. Linley, P. Zoutendyk and R. Carter (1981). Wind-induced water movements in a Benguela kelp bed. Coastal Upwelling. F. A. Richards (Ed.), Washington D.C., American Geophysical Union: 507-513. ISBN 0-87590-250-2
  4. ^ Davis, R.E.; de Szoeke, R.; Niiler., P. Part II: Modelling the mixed layer response. Deep-Sea Res. 1981, 28 (12): 1453–1475. Bibcode:1981DSRI...28.1453D. doi:10.1016/0198-0149(81)90092-3. 
  5. ^ 5.0 5.1 Price, J.F.; Weller, R.A.; Schudlich, R.R. Wind-Driven Ocean Currents and Ekman Transport. Science. 1987, 238: 1534–1538. Bibcode:1987Sci...238.1534P. doi:10.1126/science.238.4833.1534. 
  6. ^ 6.0 6.1 Chereskin, T.K. Direct evidence for an Ekman balance in the California Current. Journal of Geophysical Research. 1995, 100: 18261–18269. Bibcode:1995JGR...10018261C. doi:10.1029/95JC02182. 
  7. ^ 7.0 7.1 Lenn, Y; Chereskin, T.K. Observation of Ekman Currents in the Southern Ocean. Journal Of Physical Oceanograph. 2009, 39: 768–779. 

参考资料

 
维基共享资源中相关的多媒体资源：埃克曼螺旋
  • AMS Glossary, mathematical description
  • A. Gnanadesikan and R.A. Weller, 1995 · "Structure and instability of the Ekman spiral in the presence of surface gravity waves" · Journal of Physical Oceanography  25(12), pp. 3148–3171.
  • J.F. Price, R.A. Weller and R. Pinkel, 1986 · "Diurnal cycling: Observations and models of the upper ocean response to diurnal heating, cooling and wind mixing" · Journal of Geophysical Research  91, pp. 8411–8427.
  • J.G. Richman, R. deSzoeke and R.E. Davis, 1987 · "Measurements of near-surface shear in the ocean" · Journal of Geophysical Research  92, pp. 2851–2858.
  • Field, J. G., C. L. Griffiths, E. A. S. Linley, P. Zoutendyk and R. Carter, 1981 Wind-induced water movements in a Benguela kelp bed. Coastal Upwelling. F. A. Richards (Ed.), Washington D.C., American Geophysical Union: 507-513. ISBN 0-87590-250-2
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