第三章 海水的物理特性和世界課件

第三章海水的物理特性和世界大洋的層化結(jié)構(gòu)第一節(jié)海水的主要熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)第三章海水的物理特性和世界3.1.1.純水的特性1.水分子的結(jié)構(gòu)特性第三章海水的物理特性和世界2.水的溶解力很強(qiáng)

第三章海水的物理特性和世界3.水的密度變化有反常（分子締合作用）4.水的熱性質(zhì)特殊（分子的離解，氫鍵）第三章海水的物理特性和世界“反常膨脹”“熱脹冷縮”是一般物質(zhì)的性質(zhì)。純水在大氣壓力下，溫度4℃時(shí)密度最大1000kg·m-3；在4℃以上時(shí)，密度隨溫度的降低而增大，但在4℃以下時(shí)卻隨溫度的降低而減小。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界

同是氧族的氫化物，但水（H2O）與H2S、H2Se和H2Te相比，水的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱、蒸發(fā)潛熱和表面張力值等都比氧的同族化合物高。第三章海水的物理特性和世界3.1.2.海水的鹽度海水的組成第三章海水的物理特性和世界11種主要無機(jī)鹽，占99.99%。海水：混合溶液=淡水+無機(jī)鹽+有機(jī)物+懸浮質(zhì)+……第三章海水的物理特性和世界一、基于化學(xué)方法的鹽度的首次定義1902年，Knudsen定義鹽度為：“1Kg海水中的碳酸鹽全部轉(zhuǎn)化成氧化物，溴和碘以氯當(dāng)量置換，有機(jī)物全部氧化之后所剩固體物質(zhì)的總克數(shù)?！眴挝皇莋/kg，用符號(hào)‰表示。測定方法繁瑣，現(xiàn)基本不直接按照定義來測量鹽度第三章海水的物理特性和世界海水組成恒定性原理Marcet原理或者Dittwar定律：無論海水所溶解的鹽類的濃度大小如何，其中常量離子間比值總是恒定的。從而使知道其中某種離子含量推導(dǎo)鹽度成為可能第三章海水的物理特性和世界海水鹽度的計(jì)算公式（Knudsen公式）AgNO3滴定法：

S‰=0.030+1.850Cl‰Cl‰為氯度、即“1kg海水中的溴和碘以氯當(dāng)量置換，氯離子的總克數(shù)。”單位是g/kg，用符號(hào)‰表示。標(biāo)準(zhǔn)海水：氯度值精確為19.374‰的大洋水作為標(biāo)準(zhǔn)，稱為標(biāo)準(zhǔn)海水。其鹽度值對(duì)應(yīng)為35.000‰第三章海水的物理特性和世界二、鹽度的重新定義S‰=-0.08996+28.29720R15+12.80832R152-10.67869R153+5.98624R154-1.32311R155

式中R15為15℃，“1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水樣的電導(dǎo)率C（S，15，0）與鹽度精確為35.000‰的標(biāo)準(zhǔn)海水電導(dǎo)率C（35，15，0）之間的比值

此方法測定鹽度的精度高、速度快國際“海洋學(xué)常用表和標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合專家小組”（JPOTS）于1969年推薦該式為海水鹽度的新定義第三章海水的物理特性和世界三、1978年實(shí)用鹽度標(biāo)度（PSS78）為使鹽度的測定脫離對(duì)氯度測定的依賴，JPOTS又提出了1978年實(shí)用鹽度標(biāo)度，并建立了計(jì)算公式，編制了查算表，自1982年1月起在國際上推行。為保持鹽度歷史資料與實(shí)用鹽度資料的連續(xù)性，仍采用原來氯度為19.374‰的國際標(biāo)準(zhǔn)海水為實(shí)用鹽度35.000‰的參考點(diǎn)。配制一種濃度為32.4356‰高純度的KCl溶液，它在“一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力”下，溫度為15℃時(shí)，與氯度為19.374‰（鹽度為35.000‰）的國際標(biāo)準(zhǔn)海水在同壓同溫條件下的電導(dǎo)率恰好相同。第三章海水的物理特性和世界實(shí)用鹽度的計(jì)算公式

式中K15是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下，溫度15℃時(shí)，海水樣品的電導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)KCl溶液的電導(dǎo)率之比。式中a0=0.0080，a1=-0.1692，a2=25.3851，a3=14.0941，a4=-7.0261，a5=2.7081；，適用范圍為2≤S≤42。第三章海水的物理特性和世界任意溫度t的條件下測定電導(dǎo)比Rt,其計(jì)算鹽度的公式為：

其中是溫度變化引起的鹽度改正值。系數(shù)a的值與上式中相同。系數(shù)b分別為：b0=0.0005，b1=-0.0056，b2=-0.0066,b3=-0.0375，b4=0.0636，b5=-0.0144且利用CTD現(xiàn)場觀測資料計(jì)算海水鹽度的方法。第三章海水的物理特性和世界探頭尺寸400mm（長）×64mm(直徑)溫度

深度740米(塑料)6600米(鈦合金)范圍－5℃至＋35℃重量(塑料）1259克(空氣中)，389克(水中)精度±0.002℃電源3VCR123A鋰電池分辨率小于0.00005℃存儲(chǔ)器4MB固態(tài)存儲(chǔ)器時(shí)間常數(shù)小于3秒;小于95毫秒（另選）通訊RS-232漂移小于0.002℃/年下載速度19.2－57.6Kbaud深度

時(shí)鐘精度±30秒/年范圍10/25/60/150/250/740/

1000/2000/3000/4000/6600m(dBar)電導(dǎo)

精度滿量程的0.05％范圍0－70mS/cm分辨率滿量程的0.001％精度±0.003mS/cm時(shí)間常數(shù)小于10毫秒分辨率小于0.0001mS/cm

XR-420CTD小型溫鹽深儀(海洋用）技術(shù)參數(shù)

第三章海水的物理特性和世界3.1.3海水的主要熱性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)

海水的熱性質(zhì)一般指海水的熱容、比熱容、絕熱溫度、位溫、熱膨脹及壓縮性，熱導(dǎo)率與比蒸發(fā)熱等，它們都是海水的固有性質(zhì)，是溫度，鹽度、壓力的函數(shù)。第三章海水的物理特性和世界熱容和比熱容

1.海水溫度升高1K（或1℃）時(shí)所吸收的熱量稱為熱容，單位是焦耳每開爾文（記為J/K）或焦耳每攝氏度（記為J/℃）

2.單位質(zhì)量海水的熱容稱為比熱容，單位：焦耳每千克每攝氏度，記為J·kg-1·℃-1。在一定壓力下測定的比熱容稱為定壓比熱容，記為cp；在一定體積下測定的比熱容稱為定容比熱容，用cV表示。海洋學(xué)中最常使用cp

，比cV值略大。cp值隨鹽度的增高而降低，隨溫度的變化比較復(fù)雜，低溫、低鹽時(shí)隨溫度升高而減少，高溫、高鹽時(shí)隨溫度升高而增大。海水較大的比熱容對(duì)大氣影響顯著。第三章海水的物理特性和世界體積熱膨脹體積熱膨脹系數(shù)：在恒壓、定鹽的情況下，當(dāng)溫度升高1K（1℃）時(shí)，單位體積海水的增量。

的單位為℃-1。它是海水溫度、鹽度和壓力的函數(shù)。上式中a為海水的比體積（單位體積的質(zhì)量），在海洋學(xué)中習(xí)稱比容。第三章海水的物理特性和世界海水的熱膨脹系數(shù)比純水的大，且隨溫度、鹽度和壓力的增大而增大；在大氣壓力下，低溫、低鹽海水的熱膨脹系數(shù)為負(fù)值，說明當(dāng)溫度升高時(shí)海水會(huì)收縮。由正轉(zhuǎn)為負(fù)對(duì)應(yīng)的密度最大。第三章海水的物理特性和世界壓縮性1.壓縮系數(shù)：單位體積的海水，當(dāng)壓力增加1Pa時(shí)，其體積的負(fù)增量。海水的壓縮系數(shù)隨S、T、P的增大而減小。2.等溫壓縮：若海水微團(tuán)在被壓縮時(shí)，因和周圍海水有熱量交換而得以維持其水溫不變。3.定鹽條件下的等溫壓縮系數(shù)為：4.絕熱壓縮：若海水微團(tuán)在被壓縮過程中，與外界沒有熱量交換。

在海洋聲學(xué)研究中具有重要意義

t的單位為Pa-1，式中為海水的比容。第三章海水的物理特性和世界絕熱變化定義：由于海水的壓縮性，當(dāng)一海水微團(tuán)作鉛直位移時(shí)，因其深度的變化導(dǎo)致所受壓力的不同，將使其體積發(fā)生相應(yīng)變化。在絕熱下沉?xí)r，壓力增大使其體積縮小，外力對(duì)海水微團(tuán)作功，增加了其內(nèi)能導(dǎo)致溫度升高；反之，當(dāng)絕熱上升時(shí)，體積膨脹，消耗內(nèi)能導(dǎo)致溫度降低。上述海水微團(tuán)內(nèi)的溫度變化稱為絕熱變化。絕熱溫度梯度：海水絕熱溫度變化隨壓力的變化率。以Γ單位可以用開爾文每米（K/m）或攝氏度每米（℃/m）表示，平均約為0.11℃/km。

第三章海水的物理特性和世界位溫海洋中某一深度（壓力為p）的海水微團(tuán)，絕熱上升到海面（壓力為大氣壓p0）時(shí)所具有的溫度稱為該深度海水的位溫，以Θ表示。海水微團(tuán)此時(shí)相應(yīng)密度，稱為位密，以ρΘ表示。在分析大洋底層水的分布與運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于各處水溫差別甚小，但絕熱變化效應(yīng)明顯，所以用位溫度分析比用現(xiàn)場溫度更能說明問題。第三章海水的物理特性和世界比蒸發(fā)潛熱定義：使單位質(zhì)量海水化為同溫度的蒸汽所需的熱量，稱為海水的比蒸發(fā)潛熱，以L表示，單位是焦耳每千克或每克，記為J/kg或J/g

其計(jì)算方式為：

L=（2502.9-2.720t）×103J/kg

適用范圍是0~30℃

海洋的巨大比蒸發(fā)潛熱對(duì)海面的熱平衡和海上的大氣影響很大。例如發(fā)生在熱帶海洋上的熱帶氣旋，其生成、維持和不斷增強(qiáng)的機(jī)制之一，是“暖心”的生成和維持，而“暖心”最重要的熱源之一，則是海水蒸發(fā)時(shí)所攜帶大量熱量的水汽進(jìn)入大氣后凝結(jié)所釋放出來的。第三章海水的物理特性和世界飽和水氣壓

定義：對(duì)于純水而言，所謂飽和水汽壓，是指水分子由水面逃出和同時(shí)回到水中的過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，水面上水汽所具有的壓力。蒸發(fā)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)就是水分子由水面逃逸而出的過程。海水的飽和水氣壓比出水小。第三章海水的物理特性和世界水結(jié)冰與溶化時(shí)，溫度對(duì)熱量第三章海水的物理特性和世界熱傳導(dǎo)：相鄰海水溫度不同時(shí)，由于海水分子或海水塊體的交換，會(huì)使熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移，這就是熱傳導(dǎo)。熱流率：單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的熱量，稱為熱流率，單位為“瓦特”（W）。熱流率密度：單位面積的熱流率。單位是瓦特每平方米，記為W·m-2。其量值的大小除與海水本身的熱傳導(dǎo)性能密切相關(guān)之外，還與垂直于該傳熱面方向上的溫度梯度有關(guān)，即式中n為熱傳導(dǎo)面的法線方向，λ為熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位是瓦特每米每攝氏度，記為W·m-1·℃-1。第三章海水的物理特性和世界僅由分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的熱傳導(dǎo)，稱為分子熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)系數(shù)λt為10-1量級(jí)。若海水的熱傳導(dǎo)是由海水塊體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起，則稱為渦動(dòng)熱傳導(dǎo)或湍流熱傳導(dǎo)。渦動(dòng)熱傳導(dǎo)系數(shù)λA主要和海水的運(yùn)動(dòng)狀況有關(guān)。在不同季節(jié)、不同海域中λA有較大差別，其量級(jí)一般為102-103。渦動(dòng)熱傳導(dǎo)在海洋的熱量傳輸過程中起主要作用，而分子熱傳導(dǎo)只占次要地位。第三章海水的物理特性和世界沸點(diǎn)升高、冰點(diǎn)降低海水的沸點(diǎn)和冰點(diǎn)與S有關(guān)，即隨鹽度的增大，沸點(diǎn)升高而冰點(diǎn)下降。冰點(diǎn)溫度隨S的增加而降低。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界海水的一些力學(xué)性質(zhì)粘滯性當(dāng)相鄰兩層海水作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于水分子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)或者海水塊體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)（湍流），在兩層海水之間便有動(dòng)量傳遞，從而產(chǎn)生切應(yīng)力.摩擦應(yīng)力的大小與兩層海水之間的速度梯度成比例。界面上單位面積的應(yīng)力為：

式中n為兩層海水界面的法線方向，v為流速，μ稱為動(dòng)力學(xué)粘滯系數(shù)（粘度，Viscosity），單位是Pa·s-1；μ隨鹽度的增大略有增大，隨溫度的升高卻迅速減小。注意：單純由分子運(yùn)動(dòng)引起的μ的量級(jí)很小。分子粘滯系數(shù)只取決于海水的性質(zhì)，而渦動(dòng)粘滯系數(shù)則與海水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

第三章海水的物理特性和世界海水的滲透壓如果在海水與淡水之間放置一個(gè)半滲透膜，水分子可以透過，但鹽分子不能透過。那么，淡水一側(cè)的水會(huì)慢慢地滲向海水一側(cè)，使海水一側(cè)的壓力增大，直至達(dá)到平衡狀態(tài)。此時(shí)膜兩邊的壓力差，稱為滲透壓。第三章海水的物理特性和世界海水的表面張力在液體的自由表面上，由于分子之間的吸引力所形成的合力，使自由表面趨向最小，這就是表面張力。第三章海水的物理特性和世界3.1.4海水的密度和海水狀態(tài)方程海水的密度：單位體積海水的質(zhì)量。用符號(hào)“ρ”表示，單位記為kg·m-3。海水的比容：海水密度的倒數(shù)，即：單位質(zhì)量海水的體積，單位是立方米每千克，記為m3·kg-1

。用符號(hào)“”表示。海洋學(xué)中常用ρ（S，t，p）的形式書寫。它表示鹽度為S，溫度為t，壓力為p條件下的海水密度。

密度超量（γ），其定義為：

γ=ρ-1000kg·m-3第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界比容偏差：海洋學(xué)中經(jīng)常用到的不是現(xiàn)場比容α(s,t,p),常使用δ=α(s,t,p)-α(35,0,p)的差值。δ稱為比容偏差，也可將其記為δ（S，t，p）。式中α（35，0，p）是海水鹽度為35，溫度0℃，海壓為p時(shí)的比容。

第三章海水的物理特性和世界熱(鹽)比容偏差

1.海洋學(xué)中還常使用熱比容偏差，有人也稱為熱鹽比容偏差，用符號(hào)Δ或Δ(S,t)表示。

Δ(S,t)=α(S,t,0)-α(35,0,0)

它表示在海面上（海壓為0）的比容與鹽度為35，溫度為0℃時(shí)的比容偏差。

2.因?yàn)樵跍\?；?000m以淺的海洋上層，海水的密度或比容主要取決于海水的溫度和鹽度的變化，因此常用Δ(S,t)作為描述海洋上層密度特征的一種參數(shù)。例如：已知α（35，0，0）=0.97266204×10-3m3.kg-1，

第三章海水的物理特性和世界海水狀態(tài)方程

由于海面下深層的海水密度至今無法直接測量。而其微小的變化常具有重要影響，因此人們通過海水的溫度、鹽度及壓力來計(jì)算海水的現(xiàn)場密度。海水狀態(tài)方程是海水狀態(tài)參數(shù)溫度、鹽度、壓力與密度或比容之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式（因此有人稱之為p-V-t關(guān)系）。依此，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的溫度、鹽度及壓力來計(jì)算海水的現(xiàn)場密度。第三章海水的物理特性和世界國際海水狀態(tài)方程(EOS80)，從1982年1月1日啟用。

“一個(gè)大氣壓國際海水狀態(tài)方程”

ρ（S，t，0）=ρW+AS+BS3/2+CS2

式中，A=8.24493×10-1-4.0899×10-3t+7.6438×10-5t2-8.2467×10-7t3+5.3875×10-9t4，

B=-5.72466×10-3+1.0227×10-4t-1.6546×10-6t2，

C=4.8314×10-4，而ρw=999.842594+6.793952

10-2t-9.095290

10-3t2+1.001685

10-4t3-1.120083

10-6t4+6.536332

10-9t5上式的適用范圍是：溫度-2～40℃，實(shí)用鹽度0～42。第三章海水的物理特性和世界高壓國際海水狀態(tài)方程K（S，t，p）為割線體積模量，由下式給出：K（S，t，p）=K（S，t，0）+A（np）+B（np）2

其中：K（S，t，0）=KW+（54.6746-0.603459t+1.09987×10-2t2-6.1６70×10-5t3）S+（7.944×10-2+1.6483×10-2t-5.3009×10-4t2）S3/2A=AW+（2.2838×10-3-1.0981×10-5t-1.6078×10-6t2）S+1.91075×10-4S3/2B=BW+（-9.9348×10-7+2.0816×10-8t+9.1697×10-10t2）S割線體積模量中的純水項(xiàng)：KWAWBW（見P68）該方程的適應(yīng)范圍是：溫度-2～40℃，實(shí)用鹽度0～42，海壓0～108Pa，壓力匹配因數(shù)n=10-5。第三章海水的物理特性和世界海水狀態(tài)方程的應(yīng)用計(jì)算海水的密度計(jì)算海水的熱膨脹系數(shù)壓縮系數(shù)聲速絕熱梯度位溫比容偏差比熱容隨壓力的變化第三章海水的物理特性和世界第二節(jié)海冰定義：由海水凍結(jié)而成的冰成為海冰，但在海洋中也包括冰川、河流及湖流派溜滑入海水中的淡水冰。其不僅對(duì)船舶航行、海底采礦及極地海洋考察等形成嚴(yán)重障礙，甚至造成災(zāi)害，且對(duì)海洋水文狀況自身也有較大影響，因而需要對(duì)其進(jìn)行研究。第三章海水的物理特性和世界海冰形成的必要條件是，海水溫度降至冰點(diǎn)并繼續(xù)失熱、相對(duì)冰點(diǎn)稍有過冷卻現(xiàn)象并有凝結(jié)核存在。第三章海水的物理特性和世界海水的結(jié)冰，主要是純水的凍結(jié)，會(huì)將鹽分大部排出冰外，而增大了冰下海水的鹽度，加強(qiáng)了冰下海水的對(duì)流和進(jìn)一步降低了冰點(diǎn)，又兼冰層阻礙了其下海水熱量的散失，因而大大地減緩了冰下海水繼續(xù)凍結(jié)的速度。第三章海水的物理特性和世界海冰的分類按結(jié)冰過程的發(fā)展階段可將其分為：初生冰尼羅冰餅狀冰初期冰一年冰老年冰第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界按海冰的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為固定冰和流冰兩類。固定冰：與海岸、島嶼或海底凍結(jié)在一起的冰。當(dāng)潮位變化時(shí)，能隨之發(fā)生升降運(yùn)動(dòng)。其寬度可從海岸向外延伸數(shù)米甚至數(shù)百千米。海面以上高于2m的固定冰稱為冰架；而附在海岸上狹窄的固定冰帶，不能隨潮汐升降，是固定冰流走的殘留部分，稱為冰腳。擱淺冰也是固定冰的一種。流（?。┍鹤杂筛≡诤Ｃ嫔?，能隨風(fēng)、流漂移的冰稱為流冰。它可由大小不一、厚度各異的冰塊形成，但由大陸冰川或冰架斷裂后滑入海洋且高出海面5m以上的巨大冰體——冰山，不在其列。第三章海水的物理特性和世界冰山和流冰的漂移方向主要受風(fēng)和海流共同制約。無風(fēng)時(shí)，其漂移方向與速率大致與海流相同；單純由風(fēng)引起的漂移速度約為風(fēng)速的1/50～1/40；方向則偏風(fēng)矢量之左（南半球）或右方（北半球）；在強(qiáng)潮流區(qū)，主要受潮流制約。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界3.2.2海冰的物理性質(zhì)海冰的鹽度1.海冰的鹽度是指其融化后海水的鹽度，一般為3～7左右。2.海冰鹽度的高低取決于凍結(jié)前海水的鹽度、凍結(jié)的速度和冰齡等因素。海冰的密度（與S有關(guān)，冰內(nèi)氣泡有關(guān)）純水冰0℃時(shí)的密度一般為917kg.m-3，新冰的密度大致為（914～915）kg.m-3。冰齡越長，由于冰中鹵汁滲出，密度則越小。夏末時(shí)的海冰密度可降至860kg.m-3左右。1/10在水上，9/10在水下。第三章海水的物理特性和世界比熱：比純水冰大，且隨鹽度增大而增大。受鹵水的影響，隨溫度有較大的變化，因其鹽度值有很大差異。低鹽比熱小，高鹽比純水冰大數(shù)倍。熱傳導(dǎo)系數(shù)：比純水冰小，受氣泡影響大大減小，天然保溫層。海冰的溶解潛熱比純水冰大海冰的熱膨脹系數(shù)隨海冰的溫度和鹽度而變化海冰的抗壓強(qiáng)度約為純水冰的3/4海冰對(duì)太陽輻射的反射率遠(yuǎn)比海水的大。第三章海水的物理特性和世界3.2.3海冰與海況對(duì)海洋水文要素鉛直分布的影響

密度躍層、鹽度躍層對(duì)海洋動(dòng)力現(xiàn)象的影響：潮汐、海浪對(duì)海水熱狀況的影響：輻射、水溫極地海區(qū)形成大洋底層水總之，海冰不僅對(duì)海洋水文狀況自身，對(duì)大氣環(huán)流和氣候變化會(huì)產(chǎn)生巨大的影響，而且會(huì)直接影響人類的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。

第三章海水的物理特性和世界第三節(jié)世界大洋的熱量與水量平衡

世界大洋中的溫度、鹽度和密度是海洋學(xué)中極為重要的三個(gè)基本物理參量，海洋中的一切現(xiàn)象幾乎都與他它們有密切的關(guān)系。而海洋中熱量與水量的收支情況則是制約其分布與變化的最重要因素。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界3.3.1、海面熱收支海洋學(xué)家研究表明，在幾十年至幾百年的時(shí)間尺度內(nèi)，整個(gè)世界大洋平均溫度未發(fā)現(xiàn)有變化。海洋中獲得的熱量應(yīng)與支出的熱量相同。（主要通過海面進(jìn)行）通過海面熱收支的主要因子有，太陽輻射（Qs)、海面有效回輻射（Qb）、蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱（Qe）以及海氣之間的感熱交換（Qh）

QW=Qs-Qb±Qe±QhQW為通過海面的熱收支余項(xiàng)第三章海水的物理特性和世界1、太陽輻射（Qs)輻射定律斯蒂芬-波爾茲曼定律任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都以輻射的形式向外釋放能量，它與絕對(duì)溫度Tk的4次方成正比。E=FσTk4第三章海水的物理特性和世界恩維定律輻射能量的最大波長與輻射體表面的絕對(duì)溫度成反比。?=C/Tk第三章海水的物理特性和世界太陽常數(shù)：地球在地日平均距離處，和太陽光線垂直的大氣上界的單位面積、單位時(shí)間接受的總輻射能稱為太陽常數(shù)，記為S0，其值為：S0=1367±7W·m-2。第三章海水的物理特性和世界太陽輻射的總輻射能=直達(dá)輻射+散射輻射-海面反射影響因素太陽高度H大氣透明度天空中的云量、云狀Qs=Qso(1-0.7C)(1-As)第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界Qs總輻射能分布緯度隨緯度升高而減小除赤道地區(qū)外，夏半年均高于冬半年且差值隨緯度升高而增大經(jīng)向梯度夏半年小于冬半年第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界2、海面有效回輻射Qb主要被表層海水吸收，隨深度增加指數(shù)衰減。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界海面有效回輻射Qb

：指海面的長波輻射與大氣回輻射（長波）之差。

大氣回輻射：海面向大氣的長波輻射，大部分為大氣中的水汽和CO2所吸收，連同大氣直接從太陽輻射中吸收的能量，同時(shí)也以長波的形式向四周輻射，向上部分進(jìn)入太空，向下的部分叫大氣回輻射。第三章海水的物理特性和世界

影響因素海面水溫空氣中的濕度（海面上的水汽含量）云量、云狀

分布表面水溫和海洋上層的相對(duì)濕度的日變化和年變化相對(duì)較小，因此Qb隨緯度及季節(jié)變化小。Qs-Qb>0，這部分熱盈余稱為輻射平衡。第三章海水的物理特性和世界3、蒸發(fā)耗熱Qe（對(duì)海氣之間熱交換起重要作用）1.海面上部氣層中在鉛直方向上的水汽壓差，是維持海水蒸發(fā)的先決條件。2.海面水溫（tW）與近海面氣層的溫度（ta）差與蒸發(fā)的速率有著密切關(guān)系。3.在實(shí)際海洋的蒸發(fā)過程中，風(fēng)對(duì)上述蒸發(fā)的物理過程起著巨大促進(jìn)作用。第三章海水的物理特性和世界分布及變化經(jīng)向（南北）赤道蒸發(fā)量小（相對(duì)濕度大，風(fēng)速?。└呔暥群^(qū)?。囟鹊?，水汽含量少）副熱帶和信風(fēng)帶海區(qū)大氣流下沉，空氣干燥，氣溫高，風(fēng)大,蒸發(fā)量大季節(jié)變化冬季最強(qiáng)（風(fēng)速大，水汽壓差大，水溫高于氣溫，空氣層結(jié)不穩(wěn)）第三章海水的物理特性和世界4、感熱交換Qh原因：海氣溫度不等，通過熱傳導(dǎo)也有熱量傳遞影響因素：海面風(fēng)速和海氣溫差分布：寒暖流區(qū)較強(qiáng)季節(jié)變化：冬季強(qiáng)，夏季較小第三章海水的物理特性和世界5.世界大洋海面年平均熱收支隨緯度變化第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界3.3.2、海洋內(nèi)部熱交換1、鉛直方向上的熱輸運(yùn)Qz2、水平方向上的熱輸運(yùn)Qa3、海洋中全熱量平衡Qt第三章海水的物理特性和世界鉛直方向上的熱輸運(yùn)Qz

主要是通過湍流進(jìn)行的，它是通過海面上的風(fēng)、浪和流等引起的渦動(dòng)混合，把海面的熱量向下輸送的,另有對(duì)流混合水平方向上的熱輸運(yùn)QA

主要是通過海流來完成的。在海洋內(nèi)部水平方向上的熱輸運(yùn)是相當(dāng)可觀的。單位時(shí)間內(nèi)通過與海流方向垂直的單位面積上所輸送的熱量。

q=cpρVt

式中V為流速，cp、ρ、t分別為海水的定壓比熱、密度和溫度。第三章海水的物理特性和世界海洋中的全熱量平衡方程

Qt=QS-Qb±Qe±Qh±Qz±QA

一天中水溫最高值出現(xiàn)的時(shí)間不是中午太陽高度最大的時(shí)刻，而是出現(xiàn)在午后1～3時(shí)左右。同理，可討論水溫極小值出現(xiàn)的時(shí)刻是發(fā)生在Qt值由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值的時(shí)刻，海洋中一般發(fā)生在凌晨。研究海洋熱平衡的重要意義在于使我們分析海洋水溫的時(shí)空變化時(shí)，能把握住主要矛盾。在對(duì)局部海域研究時(shí)，可以通過計(jì)算熱平衡的各分量，弄清制約該海域熱狀況的主要因子。如果計(jì)算后發(fā)現(xiàn)Qt≠0，且又排除了計(jì)算的誤差，那就提醒我們必須去研究和發(fā)現(xiàn)新的問題。第三章海水的物理特性和世界3.3.2海洋中的水平衡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)和結(jié)冰。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界一、影響因子1、蒸發(fā)熱量、水量消耗的過程。44萬立方千米。124-126cm/a。第三章海水的物理特性和世界2、降水41萬立方千米，113.7cm/a，各個(gè)大洋分布不均勻。與大氣環(huán)流有關(guān)。第三章海水的物理特性和世界3、大陸徑流、地下水2.92萬立方千米，大西洋最多，亞馬遜（第一徑流），密西西比（北美第一大河），剛果（第二大徑流），全部注入大西洋，可以使海面上升23cm/a。印度洋次之，太平洋最少。長江（第三大河）只及亞馬遜18.9%。全部注入，使太平洋海面上升7cm/a。第三章海水的物理特性和世界4、結(jié)冰與融冰：局地影響。5、海流：整個(gè)大洋是可逆的，局部海區(qū)有影響。第三章海水的物理特性和世界二、水平衡方程1、水量平衡方程

q=P+R+M+Ui-E-F-Uo

式中P為降水，R為陸地經(jīng)流，M（Melt）為融冰，Ui（In）為海流及混合使海域獲得的水量，E（Evapotation）為蒸發(fā)，F(xiàn)（Freeze）為結(jié)冰，Uo（Out）為海流及混合使海洋失去的水量，余項(xiàng)q為研究海域在某時(shí)段內(nèi)水量交換的盈余（q＞0）或虧損（q＜0）。第三章海水的物理特性和世界對(duì)于整個(gè)世界大洋，全年或多年平均為：

Q=P-E+R=0第三章海水的物理特性和世界2、水平衡對(duì)鹽度的影響世界大洋表層鹽度分布絕大部分取決于蒸發(fā)和降水量之差。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界低緯度海區(qū)：降水大于蒸發(fā)，P-E>0，S低。副熱帶海區(qū)：蒸發(fā)大于降水，P-E>0，S高。副極地海區(qū)：多云帶，蒸發(fā)少，S低。第三章海水的物理特性和世界局部地區(qū)各個(gè)大洋的情況北冰洋：徑流大，蒸發(fā)量小，水量盈余，鹽度低，冰點(diǎn)升高，易結(jié)冰。太平洋：降水最多，降水+徑流>蒸發(fā)，水量盈余，平均鹽度低。大西洋：降水少，蒸發(fā)>降水+徑流，導(dǎo)致水位損失12cm/a，平均鹽度高。第三章海水的物理特性和世界第四節(jié)世界大洋溫度、鹽度、密度的

分布和水團(tuán)3.4.1海洋溫度、鹽度和密度的分步與變化海洋溫度的分布與變化一、概述1、對(duì)整個(gè)世界大洋

75%的水體溫度在0-6度，50%在1.3-3.8度，整體水溫平均3.8度。其中太平洋3.7度，大西洋4.0度，印度洋3.8度。表層海水平均溫度17.4度，其中太平洋19.1度，大西洋16.9度，印度洋17.0度。（太陽輻射入海的光能被表層海水吸收，因此表層海水溫度高于海洋內(nèi)部）第三章海水的物理特性和世界2、大西洋表層水低于太平洋的原因

a.兩個(gè)大洋擁有的熱帶海域面積

b.與北冰洋水交換第三章海水的物理特性和世界3、熱赤緯:

最高溫出現(xiàn)的位置。平均在7度N左右。熱赤緯不是在赤道的原因：

a.大洋環(huán)流系統(tǒng)的配置

b.與兩極水交換第三章海水的物理特性和世界二、分布1、水平分布表層：等溫線成條帶狀，沿緯向逐漸減小，東西邊界等溫線彎曲方向相反，寒暖流交匯處等溫線密集，經(jīng)向溫度梯度冬季大于夏季第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界深層：表層以下太陽輻射直接影響減弱，環(huán)流情況與表層不同，所以水溫分布與表層不同。

500m，水溫經(jīng)向梯度減小，南北溫差減小。西邊界出現(xiàn)明顯高溫區(qū)。

1000m，經(jīng)向變化更小，大西洋、印度洋高溫區(qū)是高溫高鹽地中海水溢出形成高鹽中層水。

4000m，溫度分布均勻，整個(gè)大洋溫差不過3度。底層：南極底層水影響，性質(zhì)均勻，約0度左右。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界2、垂直分布

表層高，隨深度增加而降低

第三章海水的物理特性和世界低緯度：表層溫高的均勻?qū)樱?00m左右），下面強(qiáng)大溫躍層（主溫躍層）。主溫躍層（永久性溫躍層）：不隨季節(jié)變化。在緯向上，赤道附近的主溫躍層較強(qiáng)、較薄，深度大約在300m左右；在副熱帶海域下降，深度加深，厚度加大。高緯度區(qū)域，強(qiáng)度增大，厚度減小，水層變淺。極地水域不出現(xiàn)永久性躍層。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界中緯度上為均勻混合層，其下季節(jié)性溫躍層。高緯度極鋒向極一側(cè)，不存在永久性躍層，冬季在上層出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象（暖中間水），深度100m左右；夏季冷中間水。第三章海水的物理特性和世界季節(jié)性溫躍層生消規(guī)律第三章海水的物理特性和世界三、水溫變化1、日變化：很小，變幅不超過0.3度。日較差：最高溫與最低溫之差。影響因素：太陽輻射、內(nèi)波等。表層：相比之下，晴天比多云大；無風(fēng)比有風(fēng)大；低緯比高緯大；夏季比冬季大；近岸比外海大。主要受云、風(fēng)、潮流影響。深層：表層水溫的日變化通過海水內(nèi)部的熱交換向深層傳播。變幅隨深度增加而減小，位相則落后。第三章海水的物理特性和世界2、年變化表層受制太陽輻射年變化。最高溫與最低溫為年較差赤道和極地海域年變幅小于1度，最大值出現(xiàn)副熱帶海域8-9度，寒暖流交匯處可達(dá)14、15度。北半球變幅大。近海大于大洋。第三章海水的物理特性和世界3、非規(guī)則變化：西班牙圣嬰ELNino現(xiàn)象。第三章海水的物理特性和世界ELNINO

厄爾尼諾指每年圣誕節(jié)前后（西斑牙語的厄爾尼諾為圣嬰），沿厄瓜多爾和秘魯沿岸，出現(xiàn)一弱的暖洋流，它代替了通常對(duì)應(yīng)的冷水。不過，近年來厄爾尼諾的名稱已傾向于用來指一種更大尺度的海面異常（升溫）現(xiàn)象，它不是每年而是3～7年發(fā)生一次。海面異常（升溫）現(xiàn)象：整個(gè)赤道東太平洋表現(xiàn)振幅達(dá)幾攝氏度的增暖。與此相聯(lián)系，海洋和大氣環(huán)流發(fā)生很大的異常。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界ElNino:熱帶太平洋水溫圖第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界鹽度分布及變化

一、概述世界大洋鹽度平均值以大西洋最高，為34.90，印度洋次之，為34.76，太平洋最低，為34.62。第三章海水的物理特性和世界二、空間分布空間分布不均勻1、水平分布表層總特征：基本上具有緯線方向的帶狀分布特征。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界經(jīng)向分布呈鞍馬狀第三章海水的物理特性和世界寒暖流交匯區(qū)和徑流沖淡海區(qū)等鹽線密集；某些海域達(dá)0.2/km。鹽度的最高與最低值多出現(xiàn)在大洋邊緣的海盆中；地中海、波斯灣、紅海達(dá)39-43，波羅的海北部最低時(shí)只有3。冬季鹽度分布特征與夏季相似。平均各個(gè)大洋表層鹽度，北大西洋最高35.5，南大西洋、南太平洋次之35.2，北太平洋最低34.2。大西洋鹽度高于太平洋鹽度的原因：大西洋沿岸無高大山脈；洋流影響；第三章海水的物理特性和世界太平洋準(zhǔn)經(jīng)向斷面上的鹽度分布第三章海水的物理特性和世界大西洋準(zhǔn)經(jīng)向斷面上的鹽度分布第三章海水的物理特性和世界在赤道海區(qū)鹽度較低的海水只涉及不大的深度。其下便是由南北半球副熱帶海區(qū)下沉后向赤道方向擴(kuò)展的高鹽水，它分布在表層之下，故稱為大洋次表層水，具有大洋沿鉛直方向上最高的鹽度。南半球次表層水的高鹽水舌在大西洋和太平洋可越過赤道達(dá)北緯五度。次表層水下是發(fā)源于中高緯度表層下沉的低鹽水層，成為大洋中層水。“高鹽中層水”第三章海水的物理特性和世界深層鹽度差異隨深度的增加而減小。在500m，整個(gè)大洋鹽度水平差異約為2.3，高鹽中心移往大洋西部。1000m約1.7，至2000m，0.6，深處幾近均勻。第三章海水的物理特性和世界鉛直方向上海水鹽度層狀分布的原因大洋表層以下的海水都是從不同海區(qū)表層輻聚下沉而來的，由于其源地的鹽度性質(zhì)各異，因而必然將其帶入各深層中去，并憑借它們密度的大小，在不同深度上水平散布。當(dāng)然，也受到大洋環(huán)流的制約。第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界2、垂直分布赤道區(qū)均勻低鹽層、鹽度最大層-鹽度躍層-鹽度最小層，后緩慢增加。第三章海水的物理特性和世界副熱帶海區(qū)：均勻高鹽層、鹽度最小層，后緩慢增加。極地海區(qū)：表層低鹽度，隨深度升高，至2000m以深，其分布與中低緯度相似，所以沒有鹽度最小值出現(xiàn)。第三章海水的物理特性和世界三、鹽度的變化1、日變化表層很小，變幅通常小于0.05。下層，受內(nèi)波的影響，常有大于表層的。日較差：一天中最高、最低鹽度之差。第三章海水的物理特性和世界2、季節(jié)變化由蒸發(fā)、降水、徑流、融冰、結(jié)冰及大洋環(huán)流等因素制約。有年變化的周期。但是各個(gè)海區(qū)不同，無普遍規(guī)律可循。第三章海水的物理特性和世界3、不規(guī)則變化徑流地震第三章海水的物理特性和世界密度分布及變化

一、分布1、水平分布密度是溫度、鹽度、壓力的函數(shù)。表層：取決于溫度和鹽度，沿經(jīng)向從赤道向兩極逐漸增大。深層：密度水平差異減小第三章海水的物理特性和世界大洋表層密度分布圖第三章海水的物理特性和世界大西洋每2°緯度帶的年平均表層溫度、鹽度和密度分布第三章海水的物理特性和世界2、垂直分布主要取決于溫度隨深度增加而不均勻的增加。低緯與主溫躍層對(duì)應(yīng)，出現(xiàn)密度躍層。沿各個(gè)緯度分布與主溫躍層相應(yīng)。熱帶表面密度小，密度躍層強(qiáng)度大，副熱帶表面密度增大，密度躍層強(qiáng)度相對(duì)減弱。隨著季節(jié)性溫躍層的生消也會(huì)存在密度躍層的生消過程。第三章海水的物理特性和世界大洋中典型的密度鉛直向分布第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界第三章海水的物理特性和世界二、變化1、日變化微不足道。深層有密度躍層存在時(shí)，受內(nèi)波影響會(huì)有波動(dòng)，但無規(guī)律。2、年變化與溫度、鹽度年變化有關(guān)，綜合作用也導(dǎo)致了密度年變化的復(fù)雜。第三章海水的物理特性和世界3.4.2海洋水團(tuán)一、水團(tuán)（watermass）的定義源地和形成機(jī)制相近，具有相對(duì)均勻的物理、化學(xué)和生物特征及大體一致的變化趨勢，而與周圍海水存在明顯差異的宏大水體。溫-鹽特性作為分析水團(tuán)的主要指標(biāo)。第三章海水的物理特性和世界二、水團(tuán)的分析方法1）定性的綜合分析方法（經(jīng)驗(yàn)法）：定性描述

繪制研究海區(qū)中各種特性的分布變化圖及溫-鹽圖解等圖表，據(jù)此進(jìn)行綜合分析，通過比較，用邏輯推理方法，定性地進(jìn)行描述，亦稱為經(jīng)驗(yàn)法。2）濃度混合分析方法：定量地確定水團(tuán)邊界和混合區(qū)

根據(jù)濃度混合理論，導(dǎo)出水團(tuán)分析的t-S圖解幾何學(xué)方法，比較定量地確定出水團(tuán)邊界的位置及水團(tuán)之間的混合區(qū)。即依混合組成百分比等于50%處為水團(tuán)的邊界，小于50%者為混合區(qū)。第三章海水的物理特性和世界3）概率統(tǒng)計(jì)分析法：

目前已被應(yīng)用的主要有海水特征頻率分析法，判別分析法、聚類分析法等

4）模糊數(shù)學(xué)分析方法：

利用模糊集合理論對(duì)水團(tuán)的有關(guān)概念進(jìn)行了討論與定義，并將模糊數(shù)學(xué)的多種方法應(yīng)用于海洋水團(tuán)的分析。第三章海水的物理特性和世界三、水型和水系（watertype&waterseries）

1）水型(watertype)：性質(zhì)完全相同的水體元的集合

2）水系(waterseries)：符合一個(gè)給定條件的水團(tuán)的集合。即只考慮一種性質(zhì)相近即可?！把匕端怠保巴夂Ｋ怠?，“暖水系”，“冷水系”。第三章海水的物理特性和世界3.4.3海洋混合及溫度、鹽度、密度的

細(xì)微結(jié)構(gòu)一、海洋湍流與混合在海洋中的各種動(dòng)力因素的綜合作用下，導(dǎo)致海水各種特性（t、C、動(dòng)量）逐漸趨向均勻的過程。形式有：分子混合：分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的，渦動(dòng)混合：湍流引起的，對(duì)流混合：熱鹽作用引起的。

第三章海水的物理特性和世界海洋湍流的基本特征與其生消規(guī)律（一）、基本特征隨機(jī)性擴(kuò)散性耗散性（二）、生消規(guī)律切變生成與浮力生成粘滯消耗與動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能如何考慮層結(jié)穩(wěn)定的海洋中，湍流產(chǎn)生的條件？平均流速梯度和海水靜力穩(wěn)定度是制約湍流生消的主要因子。

第三章海水的物理特性和世界（三）、海水混合的區(qū)域性1.海-氣界面：混合最強(qiáng)烈的區(qū)域2.海底混合：潮流、海流等動(dòng)力因子引起。3.海洋內(nèi)部混合：海洋內(nèi)波4.“雙擴(kuò)散”效應(yīng)引起的海洋內(nèi)部混合什么是“雙擴(kuò)散”冷而淡的海水位于暖而咸的海水之上暖而咸的海水位于冷而淡的海水之上-”鹽指”例證,如直布羅陀海峽,極地等.第三章海水的物理特性和世界(四)、海洋混合效應(yīng)及其分布變化1.海洋上層的混合效應(yīng)海洋上層是海洋中混合最強(qiáng)烈的區(qū)域，包括由動(dòng)力因子引起的渦動(dòng)混合。第三章海水的物理特性和世界由熱鹽因子引起的對(duì)流混合第三章海水的物理特性和世界2.海洋底層的混合效應(yīng)海洋底層的混合主要由潮流和海流引起，與海洋上層類似，在海底摩擦的作用下，使流動(dòng)產(chǎn)生速度剪切而造成湍流混合，往往形成一性質(zhì)均勻的下混合層。在淺水或近岸海區(qū)，自下向上發(fā)展的底層混合效應(yīng)有時(shí)可與海洋上層貫通，致使底層低溫水?dāng)U散到海面，于夏季在那里形成低溫區(qū)，如中國成山頭外。第三章海水的物理特性和世界3.由混合形成的躍層對(duì)海況的影響

由混合形成的躍層，特別在春季后的增溫季節(jié)中，表面增溫強(qiáng)烈，往往形成密度梯度很大的躍層，成為上下海水交換的屏障。一方面阻礙著熱量的向下傳送，另一方面又阻礙著下層高營養(yǎng)鹽的海水向上補(bǔ)充，此時(shí)淺海海洋的初級(jí)生產(chǎn)力將明顯降低。什么是