教案第三章海水物理性质Word下载.docx
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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。
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)
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°
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°
(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°
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°
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°
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)
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。
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
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。
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。
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)
是T、S、P的函数
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。
密度(density)水平差异减小。
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)
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
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