教案第三章海水物理性质.docx

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教案第三章海水物理性质

第三章海水的物理特性和世界大洋的层化结构

海水组成（ConstituentsofSeawater）

一、海水组成（ConstituentsofSeawater）：

11种主要无机盐，占99.99%；

海水：

混合溶液=淡水+无机盐+有机物+悬浮质+……

二、海水组成恒定性原理（Principleofconstantproportion）：

Marcet原理或Dittwar定律

无论海水所溶解的盐类的浓度大小如何，其中常量离子间比值总是恒定的。

海水的物理性质

一、淡水（Freshwater）

分子结构（Molecularstructure）：

极性，分子缔合力

溶解力强：

水分子有很强的极性

密度变化异常：

不遵从“热胀冷缩”。

最大密度时温度是4摄氏度沸点（boilingpoint）和融点（meltingpoint）、比热（specificheat）、蒸发潜热（latentheatofvaporization）等热性质比氧的同族化合物高。

二、海水的热力学性质（Energeticpropertyofseawater）

1）热容（seatcapacity）、比热容（specificheat）

热容（heatCapacity）：

海水温度升高1K所吸收的热量。

（单位：

J/K）

比热容（（specificheatcapacity））：

单位质量海水的热容。

单位：

J/（Kkg）

定压比热Cp:

在一定压力下测定的比热容。

定容比热Cv:

在一定体积下测定的比热容。

二者皆是温（T）、盐（S）、压（P）的函数。

Cp在海洋学中较常用，比Cv值略大。

Cp值随盐度的增高而降低，随温度的变化比较复杂，低温、低盐时随温度升高而减小，高温、高盐时随温度升高而增大。

2）热膨胀

热膨胀系数:

温度升高1K单位体积海水的增量。

是T、S、P的函数。

海水的热膨胀系数比纯水的大，且随温度、盐度和压力的增大而增大；在大气压力下，低温、低盐海水的热膨胀系数为负值，说明当温度升高时海水收缩。

由正转负对应的密度最大。

3）压缩性（Compressibility）、绝热变化，位温（PotentialTemperature）

压缩系数：

单位体积海水，压力增加1Pa体积的负增量。

若海水微团在被压缩时，因和周围海水有热量交换而得以维持其水温不变，则称为等温压缩。

若海水微团在被压缩过程中，与外界没有热量交换，则称为绝热压缩。

海水的压缩系数随温度、盐度和压力的增大而减小。

绝热变化：

绝热提升时，压力减小，体积膨胀，对外做功，消耗内能导致温度降低；绝热下沉时，压力增加，体积减小，对力对海水微团做功，增加期内能使温度增加。

位温（potentialtemperature）：

某一深度海水绝热上升到海面时温度称该深度海水的位温。

比现场温度低

4）蒸发潜热（latentheatofvaporization）和饱和水气压

比蒸发潜热：

使单位质量海水化为同温度的蒸汽所需的热量，称为海水的比蒸发潜热，以L表示，单位是焦耳每千克或每克,记为J/kg或J/g。

饱和水气压：

是指水分子由水面逃出和同时回到水中的过程达到动态平衡时，水面上水汽所具有的压力。

5）热传导（transmissionofheat）

相邻海水温度不同时，热量由高温处向低温处转移，这就是热传导。

由分子的随机运动引起的热传导，称为分子热传导。

主要与海水的性质有关。

由海水块体的随机运动所引起，则称为涡动热传导或湍流热传导。

主要和海水的运动状况有关。

6）沸点升高、冰点降低

海水的沸点（boilingpoint）和冰点（freezingpoint）与盐度有关，即随着盐度的增大，沸点升高而冰点下降。

冰点温度（freezingpoint）随盐度ｓ的增加而降低。

三、海水的其他物理性质（Anotherphysicalpropertyofseawater）

1）粘滞性（viscosity）：

当相邻两层海水作相对运动时，由于水分子的不规则运动或者海水块体的随机运动（湍流），在两层海水之间便有动量传递，从而产生切应力。

2）渗透压（penetrationpressure）：

在海水与淡水之间放置一个半渗透膜，水分子可以透过，但盐分子不能透过。

那么，淡水一侧的水会慢慢地渗向海水一侧，使海水一侧的压力增大，直至达到平衡状态。

此时膜两边的压力差，称为渗透压。

3）表面张力（surfacetension）：

液体的自由面上，由于分子之间的吸引力所形成的合力使自由表面趋向最小。

温、盐、密概念及之间关系

1.温度（Temperature）

描述物质分子热运动的量度。

2.盐度（Salanity）

1）盐度（1902）：

1kg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"，测定出其中某一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。

2）氯度:

1kg海水中将（Br-,I-）以氯代替，所含氯的总克数。

转换为盐度的关系式为：

S‰=0.030+1.8050Cl‰

3）电导盐度

4）实用盐标PSS78：

为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖，JPOTS又提出了1978年实用盐度标度（thePracticalSalinityScale,1978）,并建立了计算公式，编制了查算表，自1982年1月起在国际上推行。

建立实用盐度的固定参考点：

配制一种浓度为32.4356‰高纯度的KCl溶液，它在"一个标准大气压力"下，温度为15℃时，与氯度为19.374‰（盐度为35.000‰）的国际标准海水在同压同温条件下的电导率恰好相同，把这一点作为实用盐度的固定参考点。

3.密度和比容（Density&Capacity）

密度（Density）：

单位体积物体的质量；

比容（SpecificCapacity）：

单位质量物体的体积是比容。

二者皆是温、盐、压的函数。

现场密度：

一定温、盐、压下测得的密度。

条件密度（ConditionalDensity）：

g/cm3

密度超量：

kg/m3

状态方程（StateFunction）:

描述海水温、盐、压、密等理化特征参量之间关系的数学表达式。

海冰（SeaIce）

1、Tf、Tmax与盐度关系（ConnectionbetweenTf、TmaxandS）

随盐度的增加而降低，且前者比后者降的慢，当盐度为24.695时二者均是-1.33度。

2、结冰过程（Freezingprocedure）

淡水结冰：

表层开始结冰。

海水结冰：

大于24.695时结冰前一直对流混合，然后混合层都达冰点时一起结冰。

结冰条件：

冰点温度，结晶核

3、海冰分布（Distributionofseaice）

北极

南极

季节变化

4、海冰物理性质（Physicalpropertyofseaice）

盐度（salanity）：

1kg海冰融化后海水的盐度。

密度（density）：

与S有关，与冰内的气泡有关。

1/10在水上，9/10在水下。

比热（specificheat）：

比纯水冰大，且随盐度增高而增大。

受卤水的影响，随温度有较大的变化，因其盐度值有很大差异。

低盐比热小，高盐比纯水冰大数倍。

热传导系数（coefficientofheattransmission）：

比纯冰小，受气泡影响大大减小，天然保温层。

5、海冰与海洋水文状况的关系（Seaiceandhydrologicstatus）

1）对水文要素垂直分布影响:

同性成层：

丰富的渔业资源。

盐度跃层（halocline）：

密度跃层（pycnocline）：

融冰时表层会形成暖而淡的水层覆盖在高盐冷水上，形成密度跃层。

形成大洋底层水（bottomwaterofocean）；

2）对海水运动影响：

潮汐（tide），海浪（seawaves）

3）对海洋热状况影响：

辐射（radiation），水温

冬季：

结冰，结晶热，冰盖，皮袄；

夏季：

反射，融冰，融结热

6、海冰的危害（Harmofseaice）

港口，航运，海上油气开发

世界大洋的热量与水量平衡

海面热收支（Heatbudgetoftheseasurface）

一、太阳辐射Qs（Solarradiation）

1、辐射定律（lawofradiation）：

1）、斯蒂芬—波尔兹曼定律：

任何温度高于绝对零度的物体都能以辐射的形式向外释放能量，它与绝对温度Tk的4次方成正比。

2）维恩定律：

辐射能量的最大波长与辐射体表面的绝对温度成反比。

总辐射能=直达辐射+散射辐射

2、影响因素（influencingfactors）：

A、太阳高度h：

B、大气透明度

C、天空中的云量、云状

3、总辐射能分布（Thedistributionoftotalradiantenergy）：

1）纬度（latitude）：

A、随纬度升高而减小

B、除赤道地区外，夏半年均高于冬半年且差值随纬度升高而增大。

C、经向梯度夏半年小于冬半年。

2）进入海水中的辐射能：

主要被表层海水吸收，随深度增加指数衰减。

二、海面有效回辐射Qb（significantreradiationoftheseasurface）

1、定义（definition）：

海面向大气的长波辐射与大气向海洋的长波辐射之差。

2、影响因素（influencingfactors）：

A、海面水温（seasurfacetemperature）

B、空气中的湿度（humidity）

C、云量、云状（cloud）

3、分布（distribution）：

表面水温和海洋上层的相对湿度的日变化和年度变化相对较小，则Qb随纬度及季节变化小。

三、蒸发潜热Qe（latentheatofevaporation）

1、对海气间热交换起重要作用（importanteffect）

2、影响因素（influencingfactors）：

A.水汽温差

B.大气中水汽垂直分布

C.风速

3、分布及变化（distributionandchanges）：

（a）经向（南北）：

赤道蒸发量小（相对湿度大，风速小）高纬度海区小（温度低，水汽含量少）副热带和信风带海区大气流下沉，空气干燥，气温高，风大

（b）季节变化：

冬季最强（风速大，水汽压差大，水温高于气温，空气层结不稳）

四、感热交换Qh（exchange）

1、海气温度不等，通过热传导也有热量传递。

2、有两个影响因素：

海面风速和海气温差。

3、分布：

寒暖流区较强

4、季节变化：

冬季强，夏季较小

五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化

海洋内部热交换（Heatexchangeintheocean）

一、铅直方向上的热输运Qz（vertical）

二、水平方向热输送QA（horizontal）

三、海洋中全热量平衡（equilibrium）

海洋中的水平衡

一、影响因子（Influencingfactors）：

1、蒸发（evaporation）：

热量、水量消耗的过程。

44万立方千米。

124—126cm/a

2、降水（precipitation）：

41万立方千米,113.7cm/a。

各大洋分布不均匀。

与大气环流有关。

3、大陆径流、地下水（runoff&groundwater）：

2.92万km3,大西洋最多，亚马逊（第一径流），密西西比（第二大河），刚果（第二大径流），全部注入大西洋（Atlantic），可使海面上升23cm/a.印度洋（IndianOcean）次之，太平洋最少。

长江（第三径流）只及亚马逊18.9%。

全部注入，使太平洋（PacificOcean）海面上升7cm/a。

4、结冰与融冰（icingandmelting）:

局地影响

5、海流（current）:

整个大洋是可逆的，局部海区有影响。

二、水平衡方程（Equationsofhydrologicalcycle）

1、方程（equations）：

对整个世界大洋、全年或多年平均

2、水平衡对盐度的影响（effectonsalinity）

1）世界大洋表层盐度分布取决于蒸发和降水量之差。

2）（E-P）~S

3）低纬度海区（lowerlatituderegion）：

降水大于蒸发,P-E>0,S低。

4）副热带海区（subtropicalregion）：

蒸发大于降水,P-E<0，S高。

5）副极地海区（subpolarregion）：

多云带，蒸发少，S低。

3、局部地区各大洋的情况（localregions）

北冰洋（ArcticOcean）：

径流大，蒸发量小，水量盈余，盐度低，冰点升高，易结冰。

太平洋（PacificOcean）：

降水最多，降水+径流>蒸发，水量盈余，平均盐度低。

大西洋（AtlanticOcean）：

降水少，蒸发>降水+径流，导致水位损失12cm/a。

平均盐度高。

世界大洋及中国海温盐密分布及变化

一、概述（Summary）

1.对整个世界大洋

75%的水体温度（watertemperature）在0-6°C,50%在1.3-3.8°C,整体水温平均3.8°C。

其中太平洋（thePacificOcean）3.7°C，大西洋（theAtlanticOcean）4.0°C，印度洋（theIndianOcean）3.8°C。

表层海水平均温度17.4°C，其中太平洋19.1°C，大西洋16.9°C，印度洋17.0°C。

（太阳辐射入海的光能被表层海水吸收，因此表层海水温度（SeaSurfaceTemperature）高于海洋内部。

2.大西洋表层水低于太平洋的原因：

1）两大洋拥有的热带海域面积;

2）与北冰洋（theArcticOcean）水交换

3.热赤纬：

最高温出现的位置。

平均在7°N左右。

热赤纬不是在赤道的原因：

1）大洋环流系统（oceancirculationsystem）的配置

2）与两极水交换

二、分布（Distribution）

（一）水平分布（horizontaldistribution）

1.表层（surfacelayer）：

等温线（isotherm）成条带状，沿纬向逐渐减小东、西边界等温线弯曲方向相反寒暖流交汇处等温线密集径向温度梯度（meridionalthermalgradient）冬季大于夏季。

2.深层（abyssallayer）：

表层以下太阳辐射（solarradiation）直接影响减弱，环流情况与表层不同，所以水温分布与表层不同。

500m，水温经向梯度减小，南北温差减小。

西边界（westernboundary）出现明显高温区。

1000m，经向变化更小，大西洋、印度洋高温区是高温高盐地中海水溢出形成高盐中层水。

4000m，温度分布均匀，整个大洋温差不过3°C。

底层，南极底层水（Antarcticbottomwater）影响，性质均匀，约0°C左右。

（二）垂直分布（verticaldistribution）

表层高，随深度增加而降低。

各纬度分布不同：

1.低纬度（lowlatitude）：

表层温高的均匀层（100m左右），下面强大温跃层（主温跃层）。

主温跃层（mainthermocline,又称永久性温跃层）：

不随季节变化。

在纬向上，赤道（equator）附近的主温跃层较强、较薄，深度大约在300m左右；在副热带（subtropical）海域下降，深度加深，厚度加大。

高纬度）区域，强度增大，厚度减小，水层变浅。

极地（polarregion）水域不出现永久性跃层。

2.中纬度（mid-latitude）：

上为均匀混合层（mixinglayer），其下季节性温跃层（seasonalthermocline）。

3.高纬度（highlatitude）：

极锋（front）向极一侧，不存在永久性跃层，冬季在上层出现逆温现象（暖中间水），深度100m左右；夏季冷中间水。

季节性温跃层生消规律：

三、水温的变化（Changesofwatertemperature）

（一）日变化（diurnalchange）：

很小，变幅不超过0.3°C。

日较差：

最高温与最低温之差。

1.影响因素：

主要因子是太阳辐射（solarradiation）、内波（internalwave）等。

2.表层：

相比之下，晴天比多云大；无风比有风大；低纬比高纬大；夏季比冬季大；近岸比外海大。

主要受

云（cloud）、风（wind）、潮流（tidalcurrents）影响。

3.深层：

表层水温的日变化，通过海水内部的热交换（heatexchange）向深层传播。

变幅随深度增加而减小，位相则落后。

（二）年变化（annualchange）：

表层受制太阳辐射（solarradiation）年变化。

最高温与最低温差为年较差，赤道和极地海域年变幅小于1°C，最大值出现副热带海域8-9°C，寒暖流交汇处可达14、15°C。

北半球（theNorthernHemisphere）变幅大。

近海大于大洋。

表层以下水温的年变化，主要靠混合（mixing）和海流（oceancurrents）等因子施加影响。

（三）非规则变化（irregularchange）：

西班牙圣婴ELNino现象。

盐度分布及变化（DistributionandChangesofSalinity）

一、概述（Summary）

世界大洋盐度平均值（meansalinityoftheworld'socean）以大西洋最高，为34.90；印度洋次之，为34.76，太平洋最低，为34.62。

二、空间分布（Spatialdistribution）

空间分布不均匀。

（一）水平分布（horizontaldistribution）

1.表层（surfacelayer）：

总特征，基本上具有纬线（woof）方向的带状分布特征和经向分布呈鞍马状；

寒暖流交汇区和径流（runoff）冲淡海区等盐线（isohaline）密集；某些海域达0.2/km。

盐度的最高与最低值多出现在大洋边缘的海盆（oceanbasinsaroundtheedgeoftheocean）中；地中海（Mediterranean）、波斯湾（PersianBay）、红海（RedSea）达39-43，波罗的海（TheBalticSea）北部最低时只有3。

冬季盐度分布特征与夏季相似。

平均各大洋表层盐度（meansurfacesalinityofeachocean），北大西洋（NorthAtlantic）（最高（35.5），南大西洋（SouthAtlantic）、南太平洋（SouthPacific）次之（35.2），北太平洋（NorthPacific）最低（34.2）。

大西洋盐度高于太平洋盐度的原因：

（1）大西洋沿岸无高大山脉；

（2）洋流影响

2.深层（abyssallayer）：

盐度差异随深度的增加而减小。

在500m，整个大洋盐度水平差异约2.3，高盐中心移往大洋西部。

1000m约1.7；至2000m,0.6；深处几近均匀。

（二）垂直分布（verticaldistribution）

1.赤道区：

（equatorzone）

均匀低盐层、盐度最大层—盐度跃层（halocline）—盐度最小层,缓慢增加。

南强北弱

2.副热带海区（subtropicalzone）：

均匀高盐层、盐度最小层.

3.极地海区（polarregion）：

层状分布的原因，大洋表层以下的海水都是从此海区表层辐聚（convergence）下沉而来的。

三、盐度的变化（Changesofsalinity）

1.日变化（diurnalchange）：

表层很小，变幅通常小于0.05。

下层，受内波（internalwave）的影响，常有大于表层的。

日较差：

一天中最高、最低盐度之差。

2.季节变化（seasonalchange）：

由蒸发（evaporation）、降水（precipitation）、径流（runoff）、融冰（icemelting）结冰（icing）及大洋环流（oceancirculation）等因素制约。

有年变化的周期。

但各海区不同，无普遍规律可循。

3.不规则变化（irregularchange）：

（1）径流（runoff）

（2）地震（earthquake）

密度分布及变化（DistributionandChangesofDensity）

一、分布（Distribution）

（一）水平分布（horizontaldistribution）

是T、S、P的函数

1.表层（surfacelayer）：

取决于温度（temperature）和盐度（salinity）,沿经向从赤道（equator）向两极（poles）逐渐增大。

2.深层（abyssallayer）：

密度（density）水平差异减小。

（二）垂直分布（verticaldistribution）

主要取决于温度.

1.随深度（depth）增加而不均匀的增大。

2.低纬（lowlatitude）与主温跃层对应，出现密度跃层（pycnocline）。

3.沿各纬度分布与主温跃层相应。

热带表面密度（surfacedensityoftropicalzone）小，密度跃层强度大，副热带表面密度增大，密度跃层强度（intensity）相对减弱。

极锋（front）向极一侧，不存在跃层。

（表面密度大）个别海域形成浅而弱的密跃层。

（降水、融冰）在浅海，随着季节性温跃层（seasonalthermocline）的生消也会存在密度跃层的生消过程。

二、变化（Changes）

1.日变化（diurnalchange）：

微不足道。

深层有密度跃层存在时，受内波（internalwave）影响会有波动，但无规律。

2.年变化（annualchange）：

与温度、盐度年变化有关，综合作用也导致了密度年变化的复杂。

中国海温盐分布及变化（DistributionandChangesofTemperatureandSalinityinChinaSea）

季节性温、盐跃层

温、盐日较差

温、盐年较差

观测手段（Measurements）

一、传统：

颠倒温度计（Deep-seareversingthermometer）

二、电子（electronic）：

CTD

三、红外（infrared）：

热电偶、热敏电

海水混合（MixingofSeaWater）

一、混合概念、形式（Definitionandtypes）

（一）定义（definition）：

混合是海水的一种普遍运动形式，混合过程就是海水各种特性逐渐趋向均匀的过程。

（二）混合形式（mixingtype）：

分子混合（molecularmixing），涡动混合（turbulentmixing），对流混合（convectivemixing）

分子混合（molecularmixing）：

分子的热运动与相邻海水进行交换，只与海水的性质有关。

涡动混合（turbulentmixing）：

海水微团的随机运动与相邻海水进行交换。

与海水的运动状态有关。

对流混合（convectivemixing）：

热盐作用引起，主要是铅直方向水体交换。

（三）海水混合具有区域性（localcharacter）：

界面混合（interfacemixing）和内部混合（interiormixing）。

1、界面混合（interfaceblending）

海气界面：

强烈的动力和热力过程。

风混合；热力对流混合。

海底层混合：

主要由海流、潮流等动力因子引起，自海底向上发展。

海洋锋区：

不同水团相交汇的海区，有水平和垂直混合。

2、海洋内部混合（interiorblending）

海洋内波引起的