第一章绪论

物理海洋是海洋科学专业基础课。物理和海洋分开看是大家所熟悉的。物理海洋合起来讲的是什么内容呢？为什么要了解物理海洋呢？物理海洋的研究有哪些方法呢？本章的目标就是回答物理海洋的what，why和how。
飞机上听到的湍流，《海底总动员》里的快车，泾渭分明的海洋锋面，梵高星空画作一样的涡旋，海边的潮涨潮落，风吹麦浪般的波动输运……无论是一杯沧海还是冰河世纪，都是我们似曾相识却又难以述说的物理海洋现象。

●1.1物理海洋的研究内容

一张时空尺度图把物理海洋的现象和研究内容按照时空尺度排序，从1毫米到几万公里甚至更广，时间从几秒到几百年甚至更久。从左下角小的分子过程到右上角大到厄尔尼诺和气候变化可见物理海洋学研究的时空尺度跨度有多大。分子过程，湍流，Langmuir环流，大洋环流，海洋锋面，海洋水团，涡旋，潮汐，表面波，内波，震荡，地形，输运，扩散，不稳定，混合，海气相互作用，海平面变化，海冰。这些内容初次见面，再回首，期待相见恨晚，如数家珍。

●1.2物理海洋学的重要性-空间

空间上我们要远离海洋才能有整体观。那么就从直径10万光年的银河系里开始，一眼万年的速度一直找到蓝色星球，再穿越层层大气，看到那迷之蓝，再往深处，却发现上天容易下海难。地球上所有水体不过860公里直径球体那么多。70%的面积相对于地球不过是其一层皮肤衣。更不要提其中的淡水仅有56.2公里直径球体这么点。我们一路飞来看到了旋转，看到了层化，体会到了大海广，领悟到了水之珍贵。怎能不关注？

●1.3物理海洋学的重要性-反常识

北方冷，水往低处流，水平，全球变暖冰川融化这些看似都是常识。那么为什么齐齐哈尔冰天雪地的时候，更北的巴黎还如春天般温暖？为什么海水会从海底涌上海面？为什么北太平洋高出平均海平面14厘米？为什么全球变暖会导致冰河世纪？是大洋环流，大洋环流，大洋环流！

●1.4物理海洋学的重要性-听你们自己老师说

物理海洋，海洋生物，海洋地质，海洋化学是经典海洋科学四大门派。听听化学老师怎么说物理海洋，听听生物老师怎么说物理海洋。更要听听文科类的看似无关的海洋物流的老师怎么说？你是否想到，气候变暖，冰川融化，北极通航？这里，咱们想想物理海洋在学科中的专业地位。我说咱在海洋科学中就像你理工科大类大一的数学分析。怎能不关注？

●1.5如何学好物理海洋学

工欲善其事必先利其器。好的方法必然事半功倍。两个层面：第一，物理海洋本身的研究方法：观测，理论，应用；第二，小爽老师的使用手册，我的目标群体，我的课程目标，我的期待，我的考核方式，是你的菜？比如你是物理海洋的研究生，又非要看看这门入门基础，建议你至少2倍速更合适。

第二章海水性质

从本章开始介绍物理海洋基本特征量，它们的分布，分布的变化，分布变化的规律。本章介绍前两个，物理量及其分布。主要集中在基本的位势温度盐都和密度的定义，分布及相关讨论。学完本章你应该对基本的物理量，比如位势温度掌握并能区分温度和位势温度。了解海洋中它们分布的空间和时间特征。

●2.1海洋地形

陆地的平均高度相对海洋的平均深度小，70.8%覆盖率的海洋平均将近4000米。洋中脊分开的速速不一样，海底地形差别大。除洋中脊常见的地形有海盆、海底平原、海沟、海山等。海底平原坡陡趋近0。海底资源类型丰富。不同大洋特征不同。

●2.2海洋温度

位势温度定义：海水微团从海洋中任意深度(压强为p)以绝热方式提升到海面(压强为大气压pa)时具有的温度。通过瓶中云实验激活旧知。明确压力和温度。强调水的可压缩性相对于大气要小。但深海不能忽略。由压力引起的海水增温部分移除即位势温度，或位温。练习一两条线选出位温，练习二两个剖面选出位温。下载实际观测玩转位温。

●2.3海洋盐度

盐度测量的三种方法。盐度单位。结合第二节温度。介绍TS曲线。了解密度与温度盐度关系。淡水最大密度对应温度4摄氏度。海水在零下2度密度最大。90%以上的海洋平均温度仅约4摄氏度，平均盐度约34PSU。举例讲解地中海和北海的海表和深海TS变化。引出一种特殊的混合机制cabling。解释大洋深层水形成机制之一。

●2.4海洋特征分布

海表温度呈纬向条带状分布，海洋动力过程导致同纬度分布差异 ，特别是赤道地区著名的厄尔尼诺现象。垂向分布剖面从上混合层，温跃层到深海低温分布，不同纬度特征差异明显，如极地逆温层。同一地点垂向分布随时间变化。盐度分布与温度不同，除了动力因素，冰川融化蒸发降雨影响都更加明显，导致其主要呈现双叶结构。

●2.5海洋温盐密分布讨论

相对于温度和盐度，密度同时依赖二者，其分布更为复杂。本节重点了解混合层的概念及其变化特征。能分辨出影响混合层的因素。深刻理解层化的概念。通过实验室实验了解死水现象。

第三章海洋通量

了解物理特征量的分布之后，我们看看有哪些规律可以影响它们的变化。毕竟海洋不是固化的。比如上一章刚学到的混合层的概念，就会有季节性的变化。本章我们更进一步，看看海洋中的各种输运过程的关键-通量。

●3.1海洋质量和盐度通量

旧知体积守恒后背真正的（考虑密度后）守恒是质量守恒。盐量的守恒原理是建立在海洋中溶解盐的总质量是恒定的这一近乎准确的假设的基础上的。海洋的平均盐度没有明显的变化，淡水再分配会改变盐度。有三种方法可以改变海洋内部的物质:辐射、平流和扩散。以直布罗陀海峡相邻的地中海和黑海为例，解释“积极”盆地，以人类污染为起点结合本章内容思考海洋净化。

●3.2海洋热通量

来自太阳的短波辐射，地球(陆地和海洋)向外长波辐射， 蒸发降雨的潜热，温差带来的感热，及非局地的热传输共同组成了热通量。根据每项的时空分布，了解全球净热通量的分布特征。通过计算若要使100米厚1平方米水体在一个月的时间里改变1摄氏度需要152瓦每平方米的热量。量化体会大洋的热含量及其对地球系统的影响。

第四章海洋观测与数据分析方法

我对已知物理海洋基本的特征量，以及它们的分布和分布的变化都是基于人们对大洋的观测和对这些数据进行一定的分析后得到的结果。从最初的单点到现在的卫星。观测的手段和数据处理的方法都在不断进步。随着我们看到的现象越来越多，新的理论不断被提出被验证。根据这些理论结合观测我们又能对未来进行预测预报。本章介绍常用的物理海洋观测仪器和方法，以及对观测数据的处理方法。

●4.1物理海洋仪器、观测方法

拉格朗日和欧拉方法是描述流体运动的两个方法。常用的海洋观测平有如科考船，浮标，岸站观测站（如雷达），滑翔机等。平台架设的常用仪器有温盐测深仪（CTD），声学多普勒海流剖面仪（ADCP），湍流仪等带有温度、盐度、流速传感器的观测设备。从单点到观测阵列到卫星观测，范围越来越大，精度越来越高。

●4.2数据分析方法

对于描述性物理海洋来说，你们看到的很多结果是对观测数据再加工分析后的结果。随着观测手段进步，观测项目激增，网上公开的数据也越来越多。观测到的数据有单点时间序列的，有时空变化的。频谱分析，回归分析，经验正交分解，水团分析等都是常用的数据分析方法。无论哪一种图解方法都不能认为是表示海洋学资料的标准方法。每位海洋工作者想要在她研究中表示数据及数据分析,必须要有自己的判断哪种方法才是最合适的。

第五章物理海洋方程

有了物理量，分布，及分布变化。那么变化的规律是什么？只有了解了规律才能有效预测。海水运动方程，实际上就是牛顿第二运动定律在海洋中（动量方程）的具体应用。再描述动量方程的过程就是我们分析海水受力的过程。作用在海水上的力有多种，归结起来可分为两大类： 一是引起海水运动的力，诸如重力、压强梯度力、风应力、引潮力等；二是由于海水运动后所派生出来的力，如地转偏向力（科氏力）、摩擦力等。

●5.1地转

科氏力是这些力中我们最陌生的。它其实是由于坐标系不同，在旋转坐标系中由旋转而派生出的虚拟力。它改变运动物体的方向，不改变大小。北半球使得运动的物体右偏，南半球反之。可是参数可以衡量科氏力大小，它随纬度变化，赤道地区不受力，随纬度增加受力增加。科氏力在纬度上的变化叫贝塔效应，该效应是Lee Rossby波的恢复力。均质正压旋转流体，准定常和缓慢的运动下其速度将独立于旋转轴的方向，即运动将趋于两维化。

●5.2基本方程

根据牛顿第二定律，我们给出海水的运动方程，方程左边就是加速度，右边是海水受到的各种力。也就是地球流体力学里的Navier-Stokes方程,我们一般成为NS方程。有了运动方程，还需要连续方程和边界条件，才能完整描述动力过程并且对方程组进行求解。连续方程所谓连续方程实质上是物理学中的质量守恒定律在流体中的应用。即流体在运动过程中，它的总质量既不会自行产生，也不会自行消失。由此导出连续方程。

第六章海洋环流

万物生长靠太阳，太阳辐射的能量总会以一种方式支配着环流。不论是大气的还是海洋的环流都会以太阳辐射能作为驱动力。在海洋中，这类环流叫热盐环流。另一类当然是比较熟悉的风生环流。环流于地球如同人体血液循环。本章我们就看看这些循环的脉络。

●6.1地转流

人往高处走的下一句是什么？在我们物理海洋的世界里，这句话可不一定了。在对基本方程进行简化的时候，如果只留下科氏力和压强梯度力，这个时候的流就在地砖平衡的影响下，不在往低处流了。

●6.2位涡

我们学过位势温度，那么位势这个词与什么有关呢？位势涡度等于行星涡度，局地或是叫相对涡度之和与水深之比。如果在不考虑外力作用下，位势涡度守恒。这一节我们通过位势涡度的学习体会一下简单却强大的理论有多么迷人吧。

●6.3Ekman理论

当海水仅受到地转影响时形成的惯性流，即北半球右偏。再考虑摩擦力影响时，风驱动的海流每层水因为摩擦力越往深速度越小，因此右偏结合变小，直到风影响不到的深度形成了螺旋状的垂向结构，物理海洋中称为Ekman螺旋。对垂向积分，导出Ekman输运，北半球垂直风速向右。若是沿岸风，输运走的水体由下层补充，形成Ekman上升流。

●6.4Sverdrup输运

风生大洋环流告诉我们风能驱动的深度有限。那么深海是静止的吗？Sverdrup理论解释了,风是如何间接的驱动了深层海水的径向输运。

●6.5世界大洋环流

热盐环流一圈要多少年？是的，上千年！风生环流就不好说啦。环流和水团之间到底有何联系？各个大洋的环流有哪些异同？大洋环流本身就是一门专业课。本节描述性的展示了不同大洋的环流系统和特征。

●6.6洋流故事

干巴巴的描述很难让人印象深刻。这一节，大家闭上眼睛来听故事。看看把环流比喻成大合唱，什么流对应什么音符呢？看看环绕世界的小鸭舰队都经历了什么？这些都是来自大海的礼物这本书。而真实的来自大海的礼物远不止这些。

第七章海洋波动

海洋波动现象是自然界中的能量通过海洋这个庞大水体进行传播时在各种界面上产生的周期性运动形式。深海大洋中的表面波和海风之间的海气相互作用机制决定着未来全球气候变化的走势；海洋内部运行的内波在不同地形作用下的混合过程左右着营养盐输运和生态平衡；台风和地震灾害中产生的风暴潮和海啸会对近岸港口、码头、工程设施、渔业养殖、人民生命财产等造成严重损失。因而海洋波动一直是物理海洋学中重点关注和研究的课题之一。

●7.1海洋重力波

本节主要介绍海洋重力波的生成位置，简述重力波生成的动力原理，罗列自然界中较为常见和比较罕见的波动形式，给出用于定量描述海洋重力波过程的物理参量，详述波速概念，并比较波速中相速度和群速度的异同。

●7.2海洋重力波的频散关系

频散关系涉及波速、波长、和波动周期三个关键物理参量，是重力波过程中最为基础和重要的概念。本节将继续围绕波速进行讲解，阐述海洋表面波在传播过程中所经历的不同阶段，并将相关理论知识应用于理解和计算海洋中涌浪和海啸传播。

●7.3风生表面重力波

风浪是海面上较为常见的波动形式。本节主要讲述风浪的发生发展过程，世界上最大的风浪及其海域，风浪谱在解析风浪过程中的作用，以及风浪数值模式在模拟风浪消涨和传播过程中对全球航运的影响。

●7.4风暴潮

风暴潮灾害是严重影响我国东南沿海的海洋灾害之一。本节将通过视频资料直观的展现风暴潮灾害过程及其破坏性影响，剖析风暴潮灾害中比较重要的物理过程，并概括介绍作为风暴潮驱动源的台风在全世界的分布情况。

●7.5海啸

尽管自新中国成立以来我国近海未发生过海啸灾害，但其潜在影响仍不容忽视。本节将通过视频资料展示海啸灾害对近岸的灾害影响，探讨海啸的生成机制、传播规律、和爬高淹没过程，概述作为海啸生成源的海底地震源分布，简要介绍全球及南海海啸预警体系。

第八章海洋潮汐

潮汐是海水在天体引潮力作用下的一种波动，是海洋中最常见的运动形式之一。潮汐是物理海洋学中非常重要的一个研究方向。其实，海洋内部也充满了活跃的波动，它们就是——内波。常见的内波有哪几种？内波与表面波有哪些异同点？这些问题是本章的重点。

●8.1潮汐

潮汐是海水在天体引潮力作用下的一种波动，是海洋中最常见的运动形式之一。潮汐现象最显著的特点是它具有明显的规律性，其变化周期大约为半天或者一天。潮汐对沿海居民的生产生活、海岸工程建设、国防安全、防灾减灾等具有十分重要的影响。因此，潮汐是物理海洋学中非常重要的一个研究方向。

●8.2海洋内波

通过前面的学习，同学们可能对海洋的表面波动比较熟悉了。其实，海洋内部也充满了活跃的波动，它们就是本章的主题——内波。常见的内波有哪几种？内波与表面波有哪些异同点？这些问题是本节的重点。

第九章前沿专题

我们的物理海洋基础以认识物理海洋现象为主。是现象、理论和应用三类方法中的第一步。在初次印象之后，本章我们以专题的形式，稍微带入。就某一个具体问题深入。爱因斯坦说过提出问题比解决问题更重要。本章咱们就多多提出问题，看看谁题的问题最能引起大家的兴趣。请重点关注讨论区。

●9.1海洋内波

在第九章，我们对内波做了系统的介绍。这次我们由简单就内波回顾，再请大家继续深入思考。为什么内波如此重要？当前内波研究的观测，理论，和应用的最新前沿由哪些？

●9.2Langmuir环流

我们学了风生环流，也学了热盐环流。本节我们再看一个小尺度的环流Langmuir环流。

●9.3裂流离岸流

就一个问题，遭遇了离岸流如何逃生？

●9.4赤道企鹅

你知道达尔文的进化论在哪个岛上完成的吗？你知道这个岛上由企鹅吗？你知道大尺度海气相互作用的具体影响吗？

●9.5海洋锋面

大气的锋面会带来强对流天气，海洋的锋面又多重要？不同水团的交界处到底是什么神秘力量分割它们？

●9.6海洋湍流

湍流是小尺度的物理现象，可是它又非常重要且无处不在。想想最近一次你身边的湍流。想想为什么我们要研究湍流。