教案第三章海水物理性质.docx

1、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

2、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。

3、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1

4、Pa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，

5、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(freezi

6、ngpoint)随盐度的增加而降低。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

7、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+1.8050Cl3)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(th

8、ePracticalSalinityScale,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(Co

9、nditionalDensity)：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

10、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

11、：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(lawofr

12、adiation)：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

13、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(

14、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

15、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。124126cm/a2、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

16、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

17、蒸发和降水量之差。2）(E-P)S3）低纬度海区(lowerlatituderegion)：降水大于蒸发,P-E0,S低。4）副热带海区(subtropicalregion)：蒸发大于降水,P-E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0-6C,50%在1.3-3.8C,整体水温平均3.8C。其中太平洋(thePacificOcean)3.7C，大西洋(theAtlanticOc

18、ean)4.0C，印度洋(theIndianOcean)3.8C。表层海水平均温度17.4C，其中太平洋19.1C，大西洋16.9C，印度洋17.0C。（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7N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(horizon

19、taldistribution)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

20、，整个大洋温差不过3C。底层，南极底层水(Antarcticbottomwater)影响，性质均匀，约0C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(polarreg

21、ion)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0.3C。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(interna

22、lwave)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1C，最大值出现副热带海域8-9C，寒暖流交汇处可达14、15C。北半球(theNorthernHemisphere)变幅大。近海大于大洋。表层

23、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(meansalinityoftheworldsocean)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(surfacel

24、ayer)：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(NorthAtlan

25、tic)(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

26、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(icemel

27、ting)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。

28、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(seaso

29、nalthermocline)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-seareversingthermo

30、meter)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