《海洋科學(xué)導(dǎo)論》第四章 海洋中的熱收支和水平衡

1、第四章 海洋中的熱收支和水平衡大氣海洋相互作用D.Zhao,OUC1大氣海洋的熱收支平衡萬物生長靠太陽，干革命靠。大氣可直接吸收1/5的太陽輻射，1/5被大氣反射太陽輻射的1/2被陸地和海洋吸收，暫時儲存在地球表面被海洋吸收的熱量，大部分通過蒸發(fā)和紅外輻射傳遞給大氣海洋剩余的熱量通過海流傳遞到其他地方，特別是中緯度地區(qū)D.Zhao,OUC2大氣海洋的熱收支平衡熱帶海洋是驅(qū)動大氣環(huán)流的主要熱源海洋夏天吸收熱量、冬天放出熱量對氣候起到調(diào)節(jié)作用由海流傳遞的熱量不穩(wěn)定，傳遞過程中會發(fā)生劇烈的變化，從而引發(fā)氣候變化D.Zhao,OUC3海-氣界面熱收支通過海-氣界面的各種能量通量之和必須為0，否則會海洋

2、會被加熱或冷卻熱收支：進(jìn)入和逸出某水體的各種熱通量之和海面熱收支的主要因子有：太陽輻射、海面有效回輻射（紅外）、蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱和感熱交換熱通量的單位為watts/m2，乘以海面面積即為能量焦耳joulesD.Zhao,OUC4物體的輻射輻射：自然界中的一切物體,只要溫度在絕對溫度零度以上,都以電磁波的形式時刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式，稱為輻射輻射能：物體通過輻射所放出的能量不論物體(氣體)溫度高低都向外輻射，甲物體可以向乙物體輻射，同時乙也可向甲輻射。輻射能被物體吸收時發(fā)生熱的效應(yīng)，物體吸收的輻射能不同，所產(chǎn)生的溫度也不同。因此，輻射是能量轉(zhuǎn)換為熱量的重要方式。D.Zhao,OU

3、C5各種輻射的波長范圍可見光：0.400.76m 紅外線：0.76400m1666 年，牛頓第一個揭示了光的色學(xué)性質(zhì)和顏色的秘密 D.Zhao,OUC6輻射定律一般物體收到輻射時，對輻射能量總是有吸收、有反射,黑顏色的物體吸收能力大于白顏色的物體。 如果物體可將全部能量吸收而沒有反射，稱為絕對黑體。 Stefan-Boltzmann定律 任何高于0K的物體都能以輻射的形式向外釋放能量，黑體輻射能與絕對溫度的4次方成正比（F為輻射體的透明系數(shù)，絕對黑體為1）D.Zhao,OUC7輻射定律維恩位移定律 黑體輻射能量最大的波長與輻射體表面的絕對溫度成反比太陽表面溫度約為6273K， 對應(yīng)的波長為0.

4、46m根據(jù)恒星發(fā)光的顏色可 判斷其表面溫度D.Zhao,OUC8太陽輻射能太陽輻射波長主要為0.15-4微米，其中最大輻射波長平均為0.5微米，故稱短波輻射 太陽表面溫度高達(dá)6000K以上，地球每年接受太陽輻射能量約為5.5X1024J，相當(dāng)于人類全年消耗各種能源的8.7萬倍！D.Zhao,OUC9太陽輻射強(qiáng)度太陽輻射強(qiáng)度:太陽在單位時間內(nèi)，垂直投射到單位面積地表上的輻射能量。影響太陽輻射強(qiáng)度的因素：日地距離大氣透明度（晴天、陰天）地勢高低（地勢越高輻射越強(qiáng)？）緯度高低太陽活動的強(qiáng)度D.Zhao,OUC10太陽常數(shù)和太陽高度角在日地平均距離的條件下，在地球大氣上界，垂直于太陽光線的單位面積上，

5、單位時間內(nèi)所接受的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)。 S0 = 13677w m-2太陽相對于水平面的角度，稱為太陽高度（角）D.Zhao,OUC11太陽高度輻射能與太陽高度太陽高度取決于緯度、季節(jié)和一天中的時刻夜間有太陽輻射嗎？一天的長短取決于緯度D.Zhao,OUC12到達(dá)海面的太陽輻射到達(dá)海面的太陽輻射與大氣透明度和天空中的云量、云狀以及太陽高度H有關(guān)D.Zhao,OUC13到達(dá)海面的太陽輻射Qs0 無云時達(dá)海面的總輻射，C為云覆蓋率，h為太陽高度As為海面反射率。均值為7%，低緯海區(qū)小，高緯海區(qū)大吸收太陽輻射能的截面面積取決于太陽高度D.Zhao,OUC14進(jìn)入海水中的輻射能到達(dá)海面的總輻射

6、能，并未完全進(jìn)入海水中，其中有一部分被海面反射回天空進(jìn)入海水中的輻射能隨深度迅速減小太陽輻射在水深10m處降為16%，僅有1%可達(dá)100m水深處1米深處剩45%10米深處剩16%100米深處剩1%D.Zhao,OUC15進(jìn)入海面的太陽輻射進(jìn)入海面的太陽輻射能的年平均值在30260W/m2之間晴天時進(jìn)入海洋輻射能的月平均值D.Zhao,OUC16到達(dá)海面的太陽輻射能隨時間和緯度的變化總輻射能由太陽高度和日照時間共同確定緯度越高，總輻射能隨季節(jié)變化越劇烈D.Zhao,OUC17到達(dá)海面的太陽輻射夏半年各緯度上的太陽高度均高于冬半年，夏半年的日照時間也隨著緯度的增高而延長冬半年則完全相反總輻射能為何

7、夏季隨緯度變化遠(yuǎn)沒有冬季劇烈？導(dǎo)致北半球大洋水溫南北方向的梯度冬季大于夏季的原因是什么？D.Zhao,OUC18海面有效回輻射Qb世界大洋表層的平均溫度為17.4C，由恩維定律，海洋向大氣輻射最強(qiáng)的波長為10m，故稱長波輻射海洋向大氣的長波輻射，大部分被大氣中的水汽和二氧化碳所吸收大氣的平均溫度為13.7C，也以長波輻射的方式向四周輻射，向下的部分稱為大氣回輻射，幾乎全部被海洋吸收海面的長波輻射與大氣回輻射之差稱為海面有效回輻射，其值一般為正值，說明海洋失去能量D.Zhao,OUC19海面有效回輻射海面有效回輻射主要取決于海面水溫、海上水汽含量和云的特征當(dāng)海面溫度一定時，海面有效回輻射隨相對濕

8、度增大而減?。?？）當(dāng)相對濕度一定時，海面有效回輻射隨海面溫度升高而減?。?？）為什么冬季早晨陰天時比晴天時暖和？當(dāng)天空有云時，大氣回輻射強(qiáng)，海面有效回輻射減小 炎熱的熱帶比寒冷的極地?fù)p失的紅外輻射相對要少（？）D.Zhao,OUC20海面有效回輻射由于海面水溫和海面上方的相對濕度的日變化和年變化相對較小，使得海面有效回輻射的變化較小，年平均有效回輻射大約在30-60w/m2之間平均而言，海洋吸收的太陽短波輻射大于紅外輻射所損失的熱量，稱為輻射平衡熱盈余海洋通過輻射獲得了熱量！盈余的熱量以蒸發(fā)和熱傳導(dǎo)交換的形式返回到大氣中圖中點線為輻射熱盈余D.Zhao,OUC21太陽短波輻射、海面有效回輻射和熱

9、盈余海洋在輻射過程中獲得熱量D.Zhao,OUC22地球的溫室效應(yīng)太陽的短波輻射進(jìn)入海洋，海洋長波輻射加熱了大氣D.Zhao,OUC23海洋的蒸發(fā)潛熱海洋每年蒸發(fā)掉約126cm厚的海水海面上部氣層中在鉛直方向上的水汽壓差，是維持水蒸發(fā)的先決條件通常認(rèn)為緊貼水面的空氣是飽和的，如果海面以上空氣層的水汽含量較貼水面空氣小，水汽將向上輸送，蒸發(fā)得以進(jìn)行海面上方達(dá)到飽和時，蒸發(fā)停止，甚至產(chǎn)生凝結(jié)D.Zhao,OUC24海洋的蒸發(fā)蒸發(fā)潛熱主要受海上風(fēng)速和相對濕度的影響相對濕度指相同溫度下的水汽壓與飽和水汽壓之比（百分率）海上濕度越大，越利于蒸發(fā)嗎？海面水溫高于近海面大氣溫度時，有利于熱力對流和蒸發(fā)進(jìn)行，

10、反之，則不利于蒸發(fā)進(jìn)行（？）海上風(fēng)速越大，越利于蒸發(fā)進(jìn)行（？）D.Zhao,OUC25世界大洋的蒸發(fā)蒸發(fā)潛熱公式年平均蒸發(fā)潛熱為10到130w/m2，海洋失去熱量大洋上的蒸發(fā)速率是不均勻的，隨緯度和季節(jié)變化為何赤道海區(qū)蒸發(fā)量并不是最大？冬季比夏季蒸發(fā)量大？圖中長劃線為QeL為蒸發(fā)潛熱CE為潛熱交換系數(shù)q0和qz為海面和高度z處的比濕U10為風(fēng)速D.Zhao,OUC26海洋的蒸發(fā)影響海洋蒸發(fā)的因素： A. 海面汽壓差 B. 風(fēng)速 C. 水氣溫差赤道海區(qū)的蒸發(fā)量較小（空氣中的相對濕度大，風(fēng)速?。└呔暥群^(qū)蒸發(fā)量?。鉁氐?，大氣容納水汽的能力?。└睙釒Ш^(qū)（中緯度）蒸發(fā)量大（氣流下沉區(qū)、空氣干燥、氣

11、溫高、風(fēng)速較大）蒸發(fā)量最大的海區(qū)在大洋西北部的灣流和黑潮區(qū)D.Zhao,OUC27大洋環(huán)流示意圖黑潮灣流D.Zhao,OUC28海洋蒸發(fā)的季節(jié)變化海面蒸發(fā)有明顯的季節(jié)變化冬季的蒸發(fā)速率最大，幾乎到處都大于夏季因為冬季的風(fēng)速和海面以上的水汽壓差比夏季大、水溫高于氣溫、空氣層結(jié)不穩(wěn)定所致冬季灣流上方蒸發(fā)可達(dá)3465 J cm-2d-1,黑潮上方可達(dá)2305 J cm-2d-1夏季風(fēng)從海上吹來，空氣濕潤，水汽壓差較小D.Zhao,OUC29海洋與大氣的感熱交換感熱交換主要取決于海面風(fēng)速和海-氣溫差。一般冬季比夏季交換量大（？）年平均的感熱通量為2到42w/m2，海洋失去熱量世界大洋通過感熱交換向大氣

12、輸送熱量，僅相當(dāng)于輻射平衡熱盈余的10%感熱通量潛熱通量感熱通量潛熱通量感熱通量潛熱通量D.Zhao,OUC30D.Zhao,OUC31D.Zhao,OUC32感熱、潛熱、凈輻射和凈熱通量D.Zhao,OUC33世界大洋的熱收支示意圖Qs =168 W/m2Qb =390-324=66Qe =78Qh =24 D.Zhao,OUC34海洋熱收支隨緯度的變化總體上赤道海區(qū)得到熱量，高緯度海區(qū)失去熱量赤道海溫為何不持續(xù)上升而高緯海域海溫持續(xù)降低？D.Zhao,OUC35子午熱量輸送從整體上看，地球在熱帶得到熱量，在極地失去熱量大氣和海洋環(huán)流必須從低緯度向高緯度輸送熱量以補(bǔ)償熱量的得失，這種南北輸送

13、稱為子午熱量輸送海洋環(huán)流將熱量從赤道輸送到中緯度海區(qū)，大氣環(huán)流將熱量從中緯度輸送到高緯度海區(qū)D.Zhao,OUC36海洋熱收支隨緯度的變化用向極熱通量（PHF: polarward heat flux）來描述熱量的經(jīng)向輸運D.Zhao,OUC37利用GODAS數(shù)據(jù)得到的年平均海表凈熱通量（PW）的空間分布和PHF 河海大學(xué)博士論文南北方向的熱量輸送由大氣和海洋共同完成D.Zhao,OUC38海洋內(nèi)部熱交換赤道極地D.Zhao,OUC39海洋內(nèi)部熱交換海洋熱機(jī)問題 赤道和極地間的水平溫差能否驅(qū)動深海環(huán)流？海面加熱效率低？水平方向的熱量輸送主要通過海流來完成赤道極地D.Zhao,OUC40海洋內(nèi)部

14、熱交換湍流：通過海面上的風(fēng)、浪和流等引起的湍流混合將海面上的熱量向下輸送。中尺度冷渦和暖渦引起垂向輸送上下對流引起的輸送赤道極地D.Zhao,OUC41世界大洋的熱量海洋中的全熱量平衡 的絕對值越大時，則相應(yīng)地升溫或降溫的速率越快， 為零時，對應(yīng)于溫度的極大值或極小值一天中水溫最大值出現(xiàn)在午后13時左右，一年中水溫最大值出現(xiàn)在8月，而不是6月（北半球）Qs：短波輻射Qb：長波回輻射Qe：蒸發(fā)潛熱Qh：感熱交換QZ：鉛直方向的熱輸送QA：水平方向的熱輸送D.Zhao,OUC42D.Zhao,OUC4344中國海的海面熱平衡中國近海的熱量收入來自太陽輻射和海-氣界面感熱的向下輸送，以前者為主海面失

15、熱主要是蒸發(fā)耗熱和海面有效回輻射，感熱的向上輸送可以忽略蒸發(fā)耗熱是秋冬季失熱的主要途徑，海面有效回輻射則為春夏季失熱的主要途徑全年而言，中國近海海面熱通量代數(shù)和為負(fù)，即海洋失熱。所損失的熱量主要靠黑潮平流輸送熱量來補(bǔ)充D.Zhao,OUC海洋中的水量平衡水循環(huán)是在地球系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的海洋中水的收入主要靠降水（Precipitation）、陸地徑流（Runoff）和融冰；支出則主要是蒸發(fā)（Evaporation）和結(jié)冰。結(jié)冰和融冰基本達(dá)到平衡D.Zhao,OUC45海洋蒸發(fā)蒸發(fā)使海洋每年平均下降126cm左右蒸發(fā)在南、北副熱帶海區(qū)出現(xiàn)兩個極大值，可達(dá)140cm，赤道海區(qū)相對較小，向高緯度海區(qū)迅速減

16、小，兩極海域不足10cmD.Zhao,OUC46降水降水是海洋水收入的最重要因子赤道附近降水最大，年降水量可達(dá)180cm，副熱帶海區(qū)降至60cm，高緯度海域又增多，向極地方向又減小除高緯度和極地海區(qū)，降水和蒸發(fā)幾乎是反相的副熱帶地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，但降水相對較小D.Zhao,OUC47大陸徑流大陸徑流，包括地下水入海是海洋水量收入的另一重要因子進(jìn)入大西洋的徑流最大，可使大西洋海面上升23cm，其中亞馬遜河占全球徑流量的20%，流經(jīng)南美7個國家，世界第二長河進(jìn)入印度洋的徑流次之D.Zhao,OUC48大陸徑流進(jìn)入太平洋的最大河流為長江，其徑流量僅為亞馬遜河的18.9%所有徑流量可使太平洋上升7cm三峽

17、大壩D.Zhao,OUC49結(jié)冰與融冰結(jié)冰與融冰是海洋水平衡中的可逆過程海冰被海水沖擊到陸地上使海洋失去水量凍結(jié)在陸地上冰的融化使海洋水量增加如果陸地冰全部融化流入海洋，可使海平面上升66m！結(jié)冰和融冰的量基本上達(dá)到平衡然而，氣候變暖后。D.Zhao,OUC50積雪和冰川正在消融！1984200220041875Melted water runs over the Greenlandic icecap D.Zhao,OUC51馬爾代夫會消失嗎?2009年10月17日，馬爾代夫 內(nèi)閣會議在水下召開，呼吁 大國重視氣候變暖問題馬爾代夫平均高出海面僅2.1 m！預(yù)計50年后會消失 D.Zhao,OU

18、C52世界大洋的水量平衡世界大洋水量平衡方程世界大洋平均而言，R=12cm/a, P=114cm/a, E=126cm/a太平洋的降水和徑流之和大于蒸發(fā)，水量有盈余大西洋的降水和徑流之和小于蒸發(fā)，水量有損失北冰洋的蒸發(fā)少、徑流多，水量有盈余D.Zhao,OUC53全球的蒸發(fā)、降水、徑流和地下水D.Zhao,OUC54水收支對鹽度的影響海洋中水量盈余將使鹽度減小，反之使鹽度增大蒸發(fā)和結(jié)冰使海水鹽度增大，降雨、徑流和融冰使海水鹽度減小蒸發(fā)和降雨直接影響著海表面鹽度的變化，可用下式描述S=34.6+0.0175（E-P） E、P的單位為cm/a在大洋中部，大洋表面鹽度分布與E-P的經(jīng)向分布十分相似D.Zhao,OUC55第四章 回顧（1）影響海面熱收支的4個主要因素：太陽輻射、海面有效回輻射、潛熱和感熱交換任何溫度大于絕對零度的物體均向外輻射電磁能量。為何太陽輻射稱為短波輻射、海洋和大氣輻射稱為長波輻射？太陽輻射的1/5被大氣吸