1、第三章 海水的物理特性及其表征3.1 海水的物理特性3.2 海水的热量与水量平衡3.3 海洋温度、盐度和密度的分布3.4 海洋水团3.5 海洋湍流混合与细微结构*思考题?海洋科学导论第三章 海水的物理特性及其表征3.1 海水的物理特性 海水及其盐度 海水的热性质 海水的力学性质 海水密度l 海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的混合液体，迄今已测定海水中含有80 余种元素。l 海水中的含盐量是海水浓度的标志，海洋中的许多现象和过程都与其分布和变化息息相关。但要精确地测定海水中的绝对盐量是一件十分困难的事情。长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨论，引进了“盐度”以近似地
2、表示海水的含盐量。海水及其盐度3.1 海水的物理特性l 1982年联合国教科文组织定义实用盐度：l“水温15、1个大气压状态下，与1kg水中含有氯化钾32.4356g 的溶液具有相同电传导率的海水盐度作为35，其他盐度依据水温15、1个大气压状态下与氯化钾溶液的电传导率之比(k)由下式求出。”l S=-0.080-0.1692k1/2+25.3851k+14.0941k3/2-7.0261k2+2.7081k5/2l 无单位、或用psu(practical salinity unit)表示之。海水及其盐度3.1 海水的物理特性l 包括：海水的热容、比热容、绝热温度、位温、热膨胀及压缩性、热导率
3、与比蒸发潜热等，是海水的固有性质，是温度、盐度、压力的函数。它们与纯水的热性质多有差异，这是造成海洋中诸多特异的原因之一。海水的热性质3.1 海水的物理特性l 海水温度升高1K(或1)时所吸收的热量称为热容，单位是J/K或J/；单位质量海水的热容称为比热容，单位为Jkg-1-1。l海水比热容约为3.89103Jkg-1-1，其密度为1025kgm-3；空气比热容为1103Jkg-1-1，密度为1.29kgm-3。即1m3 海水降低1放出的热量可使3100m3空气升高1。地球表面积近71为海水，故海洋对气候的影响不可忽视。也正因为此，海水温度变化缓慢，而大气温度变化相对激烈。热容和比热容海水的热
4、性质3.1 海水的物理特性l 热膨胀系数：温度升高1K(1)时，单位体积海水的增量，以h表示，在恒压、定盐情况下h=1/V(V/T)|P,S，h的单位为-1。l 海水热膨胀系数 h随T、S和P的增大而增大。在大气压下，低温低盐海水的h0，海水有净的热收入；南北中、高纬海域Qt0.2/km。3.3 海洋温度、盐度和密度的分布盐度的分布变化 平面分布3)最高与最低盐度值多出现在大洋边缘海盆。如红海北部达42.8蒸发强、降水与径流小、与大洋交换不畅；黑海为1523降水量和径流量蒸发量。4)冬季分布特征与夏季相似，但季风影响显著海域如孟加拉湾有较大差异。夏季因降水量大，盐度降低；冬季降水少、蒸发加强，
5、盐度增大。l 因盐度制约因子的影响随深度而减弱，故表层以下盐度水平差异也随深度而减小。水深500m 处，整个大洋的盐度水平差异约为2.3，高盐中心移往大洋西部。1000m 深层约1.7，至2000m 深层则只有0.6。大洋深处盐度分布几近均匀。3.3 海洋温度、盐度和密度的分布盐度的分布变化 平面分布3.3 海洋温度、盐度和密度的分布密度的分布变化 水平分布l 海水密度是温度、盐度和压力的函数。大洋上层特别是表层，取决于水温和盐度。l 赤道区温度最高，盐度也较低，故表层海水密度最小，密度超量g约23kg.m-3，由此向两极方向，密度逐渐增大。l 副热带海域，虽然盐度最大，但因水温仍很高，故密度
6、虽有增大，但未出现极大值，密度超量g约26kg.m-3。l 随着纬度增高，盐度剧降，但因水温降低引起的增密效应比降盐减密效应更大，故密度继续增大。最大密度出现在寒冷的极地海区，如格陵兰海的密度超量g28kg.m-3，南极威德尔海27.9kg.m-3。l 随着深度增加，密度的水平差异如温度和盐度一样，不断减小，至大洋底层则已相当均匀。3.4 海洋水团 水团的定义 水团的形成与划分 水团的分析方法 水型和水系第三章 海水的物理特性及其表征l 1916 年海兰-汉森将水团(watermass)这一术语引入海洋学中。中国大百科全书(海洋卷，1987)定义水团为：“源地和形成机制相近，具有相对均匀的物理
7、、化学和生物特征及大体一致的变化趋势，而与周围海水存在明显差异的宏大水体。”l 即水团内部的特征不要求绝对相同，只是“相近”、“相对均匀”、“大体一致”，但与周围水体差异必须是“明显”的。l 实际工作中，对水团的划分有相对的灵活性。如大洋水团的划分，对水团内部特征的“相近”应从严要求，而对浅海水团则可适当放宽。水团的定义3.4 海洋水团l 水团从其源地所获的各种特性，在运动过程中受环境影响或与周围海水交换、混合，会发生不同程度的变化，此即水团的变性，显然，浅海水团容易变性而大洋水团比较保守。l 长期以来，人们习惯于把温盐特性作为分析水团的主要指标。1916 年由海兰-汉森首创的温-盐图解(T-
8、S图解)至今仍被广泛应用。l 所谓T-S图解，系指以温度为纵坐标、以盐度为横坐标，将测站上不同层次的实测温、盐值对应地点在T-S坐标系中，然后自表至底有序地把各点联结起来的曲线(或折线)图。T-S图解在应用中不断发展，如T-S点聚图，T-S关系图等也成了常用的分析工具图。l 当水团内部的T、S值完全相同时，则T-S图解中的一个点就代表一个水团，若水团内部的T、S相对均匀(稍有差异)，则一个密集的点簇代表一个水团。因此，可根据T-S图解中点或者点簇的个数来判定水团的数目。图5-18b 便是各大洋的温-盐图解。水团的定义3.4 海洋水团水团的形成与划分3.4 海洋水团l 由于热盐和动力等引起的湍流
9、、对流混合作用是大洋水团的形成机制。l 大洋水团可以按水平和垂直两种结构划分。l 水平结构：按热力性质划分，包括低纬度暖水团和高纬度冷水团，两者大致以主温跃层为界。l 垂直结构：分为五个基本水层(水团)，即表层水、次表层水、中层水、深层水及低层水。l 中国近海的水团：1)东中国海水团包括外海水团、沿岸水团和黄海水团；2)南海水团包括外海水团和沿岸水团。l 水团分析，首先是对研究海区的水团予以识别并进行划分，然后再对不同水团的特征与强度、源地与形成机制、消长与变性等规律进一步分析。故水团的划分是基础工作，长期以来为许多学者所致力。现有主要分析方法有：l 定性综合法：绘制海区中各种要素的分布变化图
10、及T-S图解等，据此综合分析，通过比较，用逻辑推理方法，定性地进行描述，故亦称经验法。此法简单易行，充分运用分析者的经验，是进一步进行定量分析的重要参考。l 浓度混合法：根据浓度混合理论，导出水团分析的T-S图解几何学方法，比较定量地确定出水团边界位置及水团间的混合区。即依混合组成百分比等于50处为水团的边界，小于50者为混合区。l 概率统计法：已应用的有海水特征频率分析法、判别分析法、聚类分析法、对应分析法、场分解分析法等。l 模糊数学法：随着模糊数学在各个领域的应用，中国海洋工作者率先用模糊集合理论对水团有关概念进行了讨论与定义，并将模糊数学的多种方法应用于海洋水团分析。水团的分析方法3.
11、4 海洋水团l 水型(watertype)：斯维尔德鲁普1942年首次定义水型，其后广为引用。通常指温、盐度均匀，在温-盐图解上仅用一个单点表示的水体。由于性质完全相同的水样，其观测值皆对应于温-盐图解中的一个点，故水型实质上是“性质完全相同的水体元的集合”。由此引伸，即可给出水团的集合论定义：“水团是性质相近的水型的集合”。l 水系(watersystem)：水系原为陆地水文学术语，在海洋学中水系定义为“符合一个给定条件的水团的集合”。换言之，水系的划分只考虑一种性质相近即可。在浅海水团分析中，经常提到的沿岸水系和外海水系，就是只考虑盐度而划分的。前者指沿岸低盐水团的集合，后者是指外海(受大
12、陆径流影响较小的)高盐水团的集合。水型和水系3.4 海洋水团3.5 海洋混合与细微结构 海洋湍流与混合 海洋细微结构第三章 海水的物理特性及其表征l 湍流：海水运动过程中，任一水质点的运动速度大小和方向随时空变化而无规则变化，这种海水运动称为海洋湍流。l 湍流是相对于层流而言的，所谓层流是海洋中流速大小和方向相对恒定的层状海水运动。l 层流中相邻水层之间仅通过水分子热运动进行动量和物质的交换，而湍流中主要通过海水微团不规则运动进行动量和物质的交换。l 湍流可看作由平均运动与流体微团不规则脉动叠加而成。l 湍流的基本特征：1)随机性；2)扩散性；3)能量耗散性。海洋湍流与混合3.5 海洋混合与细
13、微结构 海洋湍流l 混合：在动力和热盐等因素作用下，具有不同水文特征的海水不断地相互交换、混杂，从而使一定范围内海水水文要素的分布逐渐趋向均匀，这类海水运动称为海水混合。l 影响混合的主要因素：风、及其产生的波浪和海流，热盐效应，潮汐，内波等。l 两个或更多水团之间叠置相交时产生混合效应，它们的交界面即水团边界，或称混合区、交汇区、过渡带、锋面、跃层等。海洋湍流与混合3.5 海洋混合与细微结构 海洋混合海洋湍流与混合3.5 海洋混合与细微结构 海洋混合l 混合形式有分子混合、湍流混合、对流混合。l 分子混合：由海水分子及其中溶质分子的不规则热运动产生的混合。其混合强度取决于海水性质、及海水动量
14、、热量和溶质浓度的分布，通常以分子粘性系数、分子热扩散系数及溶质分子扩散系数来表示。由于分子热扩散系数约为分子盐扩散系数的100倍，因此在稳定海洋中会出现所谓的双扩散现象。l 湍流混合：由海水湍流运动而产生的海水混合，又称涡动混合。l 对流混合：由海水对流运动而产生的海水混合。l 海洋细微结构：包括细结构(铅直尺度1-100m)和微结构(铅直尺度小于1m)的海洋物理要素场结构。l 60年代以来，随着各种海洋精密仪器的开发，观测发现到海水温、盐、密度等要素的时空分布并非传统概念的光滑连续结构，而是存在着许多时空尺度较小的复杂结构，呈异常切变的形状，具有大量的垂直尺度为几厘米至几十米的结构细节，这
15、种现象在跃层、深层和上混合层大都有发现。l 细微结构的寿命从几小时到几昼夜，并在重复多次观测时能很好地再现。海洋细微结构3.5 海洋混合与细微结构 基本情况l 海洋细微结构的形成机制较复杂，如内波破碎作用说、双扩散对流说、侧向双扩散侵入说、边界混合作用说、海水混合增密说、斜压涡动说等。l 双扩散(对流)：因水温和盐度的分子扩散系数不同(水温大2个数量级)而发生的热盐对流现象。分盐指(salt finger)和稳定过剩(over-stabilizing)2类。l 盐指发生于上层高温高盐、下层低温低盐的海水界面处。当界面存在扰动时，由于水温的分子扩散系数大于盐度，所以进入上层后的低盐水迅速被加热从
16、而变轻，而进入下层的高盐水由于快速失去热量而降温并因此变重。这样，进入上层的高温低盐水呈指状突入、进入下层的低温高盐水同样呈指状落进，从而形成对流。盐指形成后，在原来的温、盐、密度垂直结构（跃层）上产生了细微结构。l稳定过剩发生于上层低温低盐、下层高温高盐的海水界面处。与下层相连的上层底部低盐水快速加热升温而变轻，而与上层相连的下层顶部高盐水迅速降温变重，结果在界面上层的高温低盐水上升，界面下层的低温高盐水下降，形成对流。3.5 海洋混合与细微结构海洋细微结构 形成机制思考题思考题1.何谓海水盐度？何谓海水盐度？2.何谓海水的位温？有何实用价值？何谓海水的位温？有何实用价值？3.何谓海水状态方
17、程？何谓海水状态方程？4.海洋热平衡方程中各项的物理含义是什么？海洋热平衡方程中各项的物理含义是什么？5.世界大洋热平衡的分布与变化规律如何？世界大洋热平衡的分布与变化规律如何？6.简述世界大洋中温度、盐度和密度的空间分布基本特征。简述世界大洋中温度、盐度和密度的空间分布基本特征。7.何谓大洋主温跃层和季节性温跃层？何谓大洋主温跃层和季节性温跃层？8.何谓海洋水团？它和水型、水系有什么关系？何谓海洋水团？它和水型、水系有什么关系？9.何谓海洋混合？引起混合的主要原因有哪些？何谓海洋混合？引起混合的主要原因有哪些？10.海洋中温度、盐度与密度细微结构的基本特征如何？海洋中温度、盐度与密度细微结构的基本特征如何？第三章 海水的物理特性及其表征
