第三讲海水物理性质和大洋层化结构.docx
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第三讲海水物理性质和大洋层化结构
第三讲 海水物理性质和大洋层化结构
一、海水的主要热学和力学性质
1.1纯水的特殊性质
1.1.1水分子特殊结构:
有极性
1.1.2水的溶解力很强：
极好溶剂
1.1.3水密度随温度的变化特殊反常膨胀
1.1.4水的热性质特殊
在二价（氧族）氢化物（H2S,H2Se,H2Te）中沸点、熔点似应为-80℃-90℃。
1.2海水的盐度
1.2.1 1902年的定义:
knudsen首次定义盐度：
1千克海水中将 （Br-,I-）以氯置换，碳酸盐分解为氧化物,有机物全部氧化,所余固体物质的总克数。
（480度加热48小时）利用海水组成恒定性性质——不同地域，海水中主要成分的绝对含量不同，但各含量间的比值近似恒定。
测定出其中某一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。
Knudsen盐度公式——S‰=0.030+1.8050Cl‰，
其中Cl‰为氯度，1kg海水中的溴和碘以氯当量置换，氯离子的总克数。
用硝酸银滴定法测定。
标准海水——国际上统一用一种氯度值为19.374‰，对应盐度值为35.000‰的大洋水作为标准，称为国际标准海水。
1.2.2 1969年定义：
与海水导电率建立关系：
S‰=f（R15）
式中R15为电导比：
（15℃，一个大气压）
1.2.3 1978年实用盐标（PSS78,PSU78）
①基本思想—与氯度脱钩，另选一个可再制的电导标准，再用海水相对新标准的电导比来确定海水的盐度值。
②选择标准—保持盐度历史资料与实用盐度资料的连续性。
（氯度19.374‰的国际标准海水，实用盐度为35.000‰）
③实用盐度的固定参考点—浓度为32.4356‰的高纯度KCl溶液。
它在15°C，一个大气压下的电导率，与同温同压国际标准海水的电导率相同
K15=C（35,15,0）/C（32.4356,15,0）=1，即在一个标准大气压下，温度15℃时，标准海水的电导率与标准KCl溶液的电导率之比。
实用盐度的计算公式：
其中
，进一步用任意温度t的电导比Rt给出计算公式。
实用盐度为旧的盐度的1000倍；废止‰，且无量纲。
1.2.4实用CTD测盐度
1.2.5广义的盐度定义——“密度盐标”
1.3海水的主要热学性质和力学性质
1.3.1热容和比热容：
很大。
1m3海水降温1℃，可使3100m3空气升温1℃。
1.3.2体积热膨胀：
远小于空气；有反常膨胀；tρ（max）随S增而降。
1.3.3压缩性、绝热变化和位温
①压缩性：
量值小——“不可压缩”假设
影响大——海面升30m
水声学
②绝热变化；
③位温、位密
1.3.4蒸发潜热及饱和水汽压
①比蒸发潜热：
所有物质的最大者。
蒸发一年使海洋失去126cm厚水层。
②饱和水汽压
1.3.5热传导:
性能强；
涡动热传导作用大，比分子热传导大103-104。
1.3.6沸点升高和冰点降低：
①冰点：
随盐度、压力（深度）增加而降低。
②海水最大密度的温度：
随S增而降低。
1.3.7海水的某些力学性质
①粘滞性：
较小，视为“理想流体”，但对浮游生物重要。
②渗透压：
海水淡化，仿生学。
③表面张力：
毛细波生成、水表生物。
1.4海水的密度和海水状态方程
1.4.1海水密度及其表示法
①密度：
ρ，千克/立方米，kg/m3
②比容：
α；立方米/千克,m3/kg
③都是温、盐、压的函数ρ=ρ（s,t,p）;α=α（s,t,p）
④克努曾参数:
σ=（ρ-1）×103;α=（α-0.9）×103
1.4.2密度超量（密度余量）：
γ=ρ-1000kg/m3
1.4.3比容偏差（异常、距常）和热比容偏差
①比容偏差:
δ=α（s,t,p）-α（35,0,p）
②热（盐）比容偏差:
△（s,t）=α（s,t,0）-α（35,0,0），即在海面（p=0）处，二者之差。
1.4.4国际海水状态方程（EOS80）
①一个大气压国际海水状态方程：
ρ（s,t,0）=ρw+AS+BS3/2+CS2,P=0
②高压国际海水状态方程:
ρ（s,t,p）=ρ（s,t,0）·[1-（np）/K（s,t,p）]-1
③实用温标的影响
t90=0.99976t68
沸点：
99.974℃，（t90）；
tρ（max）=（3.984±0.005）℃,（t90）
④EOS80的应用
⑤河口及某些海湾的密度计算问题
在同一温度下，密度随盐度的增大而增大对应某一特定盐度，有一最大密度时的温度点。
该最大密度点随着盐度的增大而降低。
密度随压强增大而增大，但增幅不大。
二、海水的声学与光学性质
2.1声波在海水中的传播
2.1.1传播速度
①衰减慢：
比光波、电磁波都小
②速度大：
（1450～1540）m/s；淡水1436m/s；大气320m/s
③影响因素比较：
水温增1℃——声速增大5m/s
盐度增1——声速增大1.14m/s
水深增100m——声速增大1.75m/s
④测量及计算:
测量用各种声速仪；计算有公式和程序
二、海水的声学与光学性质
2.1.2声速铅直分布
①一般随水深增加而降低：
因水温降得快。
中层以深，海压影响变显著。
②声速最小层：
大西洋1200～1300m,太平洋900～1000m
某些热带海域2000m，温带200～500m
③大洋声道、声道轴：
声能相对集中，传播距离超常
（可达数百倍）
④陆架浅海
⑴表面声道：
波导型传播。
冬季，上层水温均匀，下层压力大一些。
⑵反波导型传播：
夏季，特别在午后（午后效应）。
⑶跃层影响：
比较复杂
夏季，跃层强
秋季，跃层弱
2.2声学技术在海洋环境研究和开发中的应用
2.2.1深水声道：
海难救助系统，海啸预警系统，导弹溅落定位
2.2.2回声定位——声纳、声呐
①军事：
水下通讯、探测潜艇、海洋战场保障
②渔业：
探鱼器、渔场探测
③航运交通：
声导航、冰山探测
④海洋环境研究调查：
测深、地质剖面、声浮标、ADCP海洋声学层析、全球大洋声学监测网（ATOC）
2.2.3海洋环境噪声：
A.对声纳的干扰：
设计水声仪器须考虑信噪比。
B.利用价值：
水下音响集鱼器、驯海豚作“牧犬”、联络、通讯。
2.3光学技术在海洋环境研究和开发中的应用
2.3.1散射：
①水分子散射，主要在短波段
②粒子散射，影响复杂：
表面反射、绕射、折射
③体积散射系数（b）
2.3.2吸收：
①对光的衰减作用比散射大得多，且有质的不同：
转化热能可升温；化学能光合作用。
②规律：
吸收有选择性，短波、长波部分均较大。
洁净大洋水，蓝光吸收小；浑浊近岸水，黄光吸收小。
③黄色物质：
水生或陆源有机体腐败分解形成的可溶解性有机物质，多呈黄色。
使吸收系数最小值向黄光波段推移
2.3.3衰减
①线性衰减系数：
c=a+b，通过单位厚度的水层后，辐射通量的损耗率，单位是每米（m-1）
②衰减系数随波长的变化有极小值：
洁净大洋水，λ=0.45μm（蓝光）浑浊近岸水，向黄光波段推移。
③透射能量：
洁净大洋水：
蓝光透射多，1m近100﹪,50m近50﹪,（实线）
浑浊近岸水：
黄光透射多，1m近50﹪,10m已很少（虚线）
④环境效应：
⑴光合作用
⑵水色、透明度
⑶污染物光降解
⑷海洋景观
2.4透明度、水色、海色
2.4.1透明度
①定义：
透明度板——相对透明度
新定义——光的衰减系数的倒数——衰减长度
②测量仪器：
透明度板、透明度仪、浊度计
2.4.2水中能见度：
水平视程，仅为大气的千分之一。
环境效应
2.4.3海色
①含义
②组成：
两部分 海面反射光谱；与天空反射光有关
海洋内部的向上辐照度光谱
③以彩色命名的海：
黄海、红海——能部分地反映海洋的光学状况
黑海、白海——因天气变化而变
2.4.4水色
①水色及水色号比“海色”更能反映海水本身的光学性质
②分布规律及原因
大洋水色：
深蓝色；
近岸水色：
绿色或黄绿色、黄褐色；红海、赤潮；
2.4.5海发光（海火）
海洋生物发光——夜间、扰动更甚“荧光海”现象：
庞大的细菌群落发光，持续时间长
中国近海的温度分布
中国近海分度表层冬季与夏季明显的差别。
冬季：
北方海区的温度比较低，甚至能够降到0度和-1度。
渤海大部分是0-2度，北黄海是0-6度，南黄海是6-12度。
东海是14-22度，南海是18-27度。
夏季：
南海本应温度高，但是在广东东部沿海，因为有沿岸流和上升流，特别是上升流把下面的低温水带上来，所以琼东沿岸出现了南海的最度温度，夏季可以到18度。
整个夏季全海区的温度都非常高，都高于24、25度。
在朝鲜沿岸的地方出现一些低温水，就是低于20度，山东半岛的成山头沿岸，以及琼东沿岸都能出现低温水。
冬季还有一个特点，高温的暖流使得等温线往北突出来。
温度表层分布，一年的变化是有高有低，但是下面的各个层的分布就表现出非常复杂的变化，所以下层水文的年变化就不仅仅是靠太阳辐射的年变化来影响了，下面的变化就比较复杂了。
中国近海盐度的分布也有明显的特征，最明显就是夏季长江口、黄河口、珠江口有非常显著的低盐水蛇，秋冬季以后就向南转了。
珠江口在春季、夏季的时候向动，到了秋季以后向西。
黑潮水对暖暖流水和黄海暖流水，盐度都是比较高的。
在北方海区，沿岸流也比较明显，盐度也比较低。
就是低温低盐的沿岸流使水温盐度也出现一些分布特征。
盐度终年的变化可以看出来，黄海的盐度终年都比较低，特别是表层，盐度可以降到31以下，东海变化更厉害，可以从34。
5一直降到31以下。
而南海的盐度表层始终是在34度左右，不会低于33度以下。
表层是有这个特征，但是下层变化非常复杂。
水色和透明度，对于中国海来说，它分布的季节性变化看的很清楚。
最大的透明度在黑潮流域，这里可以到20多米，实际上还可以超过这个，因为它受到各种因素的影响会有变化，是平均起来的。
南海整个的透明度都在25米以上，甚至可以到30米。
南海的水色大部分地区都是2上下，在中沙群岛附近，稍微低一些。
这个地方往往出现蓝绿色，因为受到珊瑚礁的影响。
关于中国近海的水团分布，北部海区冬季、夏季水团的分布差别很大，特别是夏季，上层温度很高，是一些暖的水团，但是下层有冷水团，水文很低，上层是26的度，下层深的只有6度左右。
海水的物理性质非常特殊，看起来很平常。
海水的环境要素的分布，形势变化也是很复杂，形成原因也是多方面的。
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