1、Introduction to Oceanography李海艳中科院研究生院地学院Email:(海洋科学概论课件）第四章海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-182海水中的热收支和水平衡海水中的热收支和水平衡-纲要n第一节第一节 海洋中的热收支海洋中的热收支n（一）海面热收支（一）海面热收支n 一、太阳辐射一、太阳辐射Qsn 二、海面有效回辐射二、海面有效回辐射Qbn 三、蒸发潜热三、蒸发潜热Qen 四、感热交换四、感热交换Qhn 五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化n（二）海洋内部热交换（二）海洋内部热交换
2、n 一、铅直方向上的热输运一、铅直方向上的热输运Qzn 二、水平方向热输送二、水平方向热输送QAn 三、海洋中全热量平衡三、海洋中全热量平衡n第二节第二节 海洋中的水平衡海洋中的水平衡n 一、影响因子一、影响因子n 二、水平衡方程二、水平衡方程n 三、水平衡对盐度的影响三、水平衡对盐度的影响 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-183第一节第一节 海洋热收支海洋热收支(Heat Budget in the Ocean)海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-184About half the sunlight reaching Earth is
3、absorbed by the ocean and land,where it is temporarily stored near the surface.Only about a fifth of the available sunlight is directly absorbed by the atmosphere.Of the heat stored by the ocean,most is released locally to the atmosphere,mostly by evaporation and infrared radiation.The remainder is
4、transported by currents to other areas especially mid latitudes.Heat lost by the tropical ocean is the major source of heat needed to drive the atmospheric circulation.And,solar radiation stored in the ocean from summer to winter helps ameliorate Earths climate.The heat transported by ocean currents
5、 is not steady,and significant changes in heat transport,particularly in the Atlantic,may have been important for the development of the ice ages.For these reasons,oceanic heat budgets and transports are important for understanding Earths climate and its short and long term variability.海洋中的热收支和水平衡海洋
6、中的热收支和水平衡 2022-12-185（一）海面热收支（一）海面热收支(Heat budget of the sea surface)太阳辐射海面有效回辐射蒸发潜热感热交换海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-186一一 太阳辐射太阳辐射Qs(Solar radiation)n6000k6000kn每年每年5.5X105.5X102424J J，8.78.7万倍万倍n99%0.2-10.099%0.2-10.0mmn44%44%可见光可见光 0.4-0.760.4-0.76mmn47%47%红外红外 0.760.76mmn9%9%紫外紫外 0.40.4mm总辐射能总
7、辐射能=直达辐射直达辐射+散射辐射散射辐射 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-187一一 太阳辐射太阳辐射Qs(Solar radiation)n1 1 太阳常数：太阳常数：n地球在地日平均距离处，和太阳光线垂直的大气地球在地日平均距离处，和太阳光线垂直的大气上界面的单位面积、单位时间上界面的单位面积、单位时间接受接受的总辐射能。的总辐射能。海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1882 2 辐射定律辐射定律(law of radiation)(law of radiation)：1 1）斯蒂芬）斯蒂芬波尔兹曼定律：波尔兹曼定律：任何温度高于
8、绝对零度的物体都能以辐射的形式向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，它与绝对温度外释放能量，它与绝对温度T Tk k的的4 4次方成正比。次方成正比。F F为辐射体的透明系数，为辐射体的透明系数，F=0F=0，绝对透明体，绝对透明体，F=1F=1，绝对黑体。，绝对黑体。海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1892 2 辐射定律辐射定律(law of radiation)(law of radiation)：2 2）维恩定律）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。辐射能量的最大波长与辐射体表面的绝对温度成反比。C=2898C=28
9、98（m mk k）太阳辐射能量最强的波长为太阳辐射能量最强的波长为？0.4750.475m m，称为称为短波辐射短波辐射，对应于可见光中的对应于可见光中的青光波青光波段段海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-18103、影响因素、影响因素(influencing factors)：nA A、太阳高度太阳高度h h：nB、大气透明度大气透明度nC C、天空中的云量、云状、不同纬度和季节、天空中的云量、云状、不同纬度和季节nD D、真正进入海洋的太阳辐射、真正进入海洋的太阳辐射海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-18113 3、总辐射能分布总辐射
10、能分布(The distribution of total radiant energy)：n1 1）纬度）纬度(latitude)(latitude)：nA A、随纬度升高而减小、随纬度升高而减小 nB B、除赤道地区外，夏半年均、除赤道地区外，夏半年均n高于冬半年且差值随纬度升高于冬半年且差值随纬度升n高而增大。高而增大。nC C、经向梯度夏半年小于冬半年。、经向梯度夏半年小于冬半年。海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-18123 总辐射能分布总辐射能分布(The distribution of total radiant energy)：n2 2）进入海水中的辐
11、射能：）进入海水中的辐射能：n主要被表层海水吸收，随深度增加指数衰减主要被表层海水吸收，随深度增加指数衰减。海洋透光层（真光层）是指自然光穿过海水时达到光能衰减至海洋透光层（真光层）是指自然光穿过海水时达到光能衰减至1的水层深度的水层深度 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1813二、海面有效回辐射二、海面有效回辐射Q Qb b(significant reradiation of(significant reradiation of the sea surface)the sea surface)n1 1、定义：海面向大气的长波辐射与大气向海洋的、定义：海面向大气
12、的长波辐射与大气向海洋的长波辐射之差。长波辐射之差。n世界大洋表层的平均温度为世界大洋表层的平均温度为17.417.4（13.713.7）o oC C，它向，它向大气辐射最强的波长大气辐射最强的波长？n90%90%的辐射能集中在的辐射能集中在480480mmn海面长波辐射与大气长波辐射交换的结果：总是海海面长波辐射与大气长波辐射交换的结果：总是海洋失去热量洋失去热量？海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1814二、海面有效回辐射二、海面有效回辐射Q Qb b(significant reradiation of(significant reradiation of t
13、he sea surface)the sea surface)n2 2、影响因素、影响因素(influencing factors)(influencing factors)：nA A、海面水温、海面水温(sea surface temperature)(sea surface temperature)nB B、空气中的湿度、空气中的湿度(humidity)(humidity)P76P76图图 湿度一定，湿度一定，Q Qb b随温度的升高而减少；温度一定，随湿随温度的升高而减少；温度一定，随湿度的增加而减少。度的增加而减少。nC C、云量、云状、云量、云状(cloud)(cloud)冬季早晨阴
14、天比晴天时冬季早晨阴天比晴天时？海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1815二、海面有效回辐射二、海面有效回辐射Q Qb b(significant reradiation of(significant reradiation of the sea surface)the sea surface)n3 3、分布、分布(distribution)(distribution)：n表面水温和海洋上层的相对湿度的日变化和年度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，则变化相对较小，则Q Qb b的地理变化和季节变化小。的地理变化和季节变化小。海洋中的热收支和水平
15、衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1816nSatellitebased long-wave radiation estimates(Surface Radiation Budget Program at NASA)also use a bulk formula similar to(5.11),but with different cloudiness and emittance parameterizations.Maximum outgoing long-wave radiation dominates the mid-latitudes in all ocean regions
16、 broken only by equatorial minima that are clearly related to adjacent land.In the Atlantic,this equatorial long-wave minimum extends northeastward from South America.In the Indian Ocean,there is a weak equatorial minimum in the western and central Indian.A strong equatorial minimum occurs in the In
17、donesian region and extends into the western Pacific.Maxima are found in the off-equatorial tropical Indian and Atlantic Oceans and eastern South Pacific.The North Pacific exhibits a small minimum band at these latitudes.ERBE(Earth Radiation Budget Experiment)Long-wave Radiation for April,1985http:/
18、asd-www.larc.nasa.gov/erbe/ASDerbe.html海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1817nFig.5.10 Day-time Cloudiness for January 7,2000 from MODIS High clouds are indicated by the white,pink and red colors while minimum cloud levels are indicated by the dark blue tones海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1818nFig.5.11
19、 Nighttime Cloudiness for January 3,2000 from MODIS海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1819三、蒸发潜热三、蒸发潜热Q Qe e(latent heat of evaporation)latent heat of evaporation)n1 1、对海气间热交换起重要作用、对海气间热交换起重要作用n大气的热源之一；大气的热源之一；n使海洋失去巨额热量；使海洋失去巨额热量；n大洋不同海域蒸发速率不同，大洋不同海域蒸发速率不同，？n赤道蒸发量较小赤道蒸发量较小，空气中相对湿度大而风速又小；，空气中相对湿度大而风速又小；
20、n高纬海区蒸发量也小高纬海区蒸发量也小，气温低，大气容纳的水汽量小；，气温低，大气容纳的水汽量小；n副热带海区和信风带蒸发量大副热带海区和信风带蒸发量大，特别在，特别在大西洋湾流区大西洋湾流区和太和太平洋平洋黑潮区黑潮区出现极大值，暖流北上到中纬海域，水温远高出现极大值，暖流北上到中纬海域，水温远高于气温，尤其冬季又盛行偏北风，空气干燥、气温高，风于气温，尤其冬季又盛行偏北风，空气干燥、气温高，风速大。速大。海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1820三、蒸发潜热三、蒸发潜热Q Qe e(latent heat of evaporation)latent heat o
21、f evaporation)n2 2、影响因素、影响因素(influencing factors)(influencing factors)：nA.A.水汽温差：水汽温差：n海面水温海面水温t tw w与近海面气层的温度与近海面气层的温度t ta a差与蒸发的速率差与蒸发的速率有着密切关系；有着密切关系；t tw wt ta a所引起的海气中的热力对流过程使蒸发不断所引起的海气中的热力对流过程使蒸发不断的进行；的进行；t tw wtta a所引起的稳定层结导致蒸发停止；所引起的稳定层结导致蒸发停止；海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1821三、蒸发潜热三、蒸发潜热Q
22、 Qe e(latent heat of evaporation)latent heat of evaporation)n2 2、影响因素、影响因素(influencing factors)(influencing factors)：nB.B.大气中水汽垂直分布大气中水汽垂直分布n蒸发的速率与近海面空气层中水汽的铅直梯度蒸发的速率与近海面空气层中水汽的铅直梯度成正比；成正比；n海面上部气层中铅直方向上的水汽压差是维持海面上部气层中铅直方向上的水汽压差是维持海水蒸发的先决条件；海水蒸发的先决条件；nC.C.风风海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1822三、蒸发潜热三、
23、蒸发潜热Q Qe e(latent heat of evaporation)latent heat of evaporation)n3、分布及变化分布及变化(distribution and changes)：n(a)(a)经向（南北）：经向（南北）：n赤道蒸发量小（相对湿度大，风速小）高纬度海赤道蒸发量小（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小（温度低，水汽含量少）副热带和信风带海区大区大(气流下沉，空气干燥，气温高，风大气流下沉，空气干燥，气温高，风大)n(b)(b)季节变化：季节变化：n冬季最强冬季最强n（风速大，水汽压差大，水温高于气温，空气层（风速
24、大，水汽压差大，水温高于气温，空气层结不稳）结不稳）海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1823四、感热交换四、感热交换Q Qh hn1 1、海气温度不等，通过热传导也有热量传递。、海气温度不等，通过热传导也有热量传递。n2 2、有两个影响因素：海面风速和海气温差。、有两个影响因素：海面风速和海气温差。n3 3、分布：寒暖流区较强、分布：寒暖流区较强 n4 4、季节变化：冬季强，夏季较小、季节变化：冬季强，夏季较小 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1824五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化(ann
25、ual average heat budget of the worlds ocean changes with latitud 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1825五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化五、世界大洋海面年平均热收支随纬度变化(annual average heat budget of the worlds ocean changes with latitud 海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1826（二）海洋内部热交换（二）海洋内部热交换（Heat exchange in the ocean）n一、铅直方向上的热
26、输运一、铅直方向上的热输运Qz(vertical)n主要通过湍流进行的，通过海面上的风、浪、流主要通过湍流进行的，通过海面上的风、浪、流等引起的涡动混合，把海面的热量向下输送等引起的涡动混合，把海面的热量向下输送n埃克曼抽吸和大风卷吸埃克曼抽吸和大风卷吸海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1827海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1828海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1829http:/ 2022-12-1830海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1831（二）海洋内部热交换（二）海
27、洋内部热交换（Heat exchange in the ocean）一、铅直方向上的热输运一、铅直方向上的热输运Qz(vertical)n升降流升降流:由于海洋表层的辅散或辅聚，会使表层以由于海洋表层的辅散或辅聚，会使表层以下的水形成铅直向上或向下的流动。下的水形成铅直向上或向下的流动。n 流速流速 10-6 10-4m/s北美加利福尼亚上升流北美加利福尼亚上升流-20m/day，南美西岸上升流，南美西岸上升流-200m/day不同水深处人造海洋上升流和海洋渔场及相关技术研究不同水深处人造海洋上升流和海洋渔场及相关技术研究李冠成 王秉坤 李明 范喆 王莉 王淑军 卢佃清 刊：刊：海洋科学 IS
28、TICPKU Journal：MARINE SCIENCES 年，年，卷卷(期期)：2004,28(11)分类号：分类号：P716.2海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1832（二）海洋内部热交换（二）海洋内部热交换（Heat exchange in the ocean）一、铅直方向上的热输运一、铅直方向上的热输运Qz(vertical)n升降流升降流不同水深处人造海洋上升流和海洋渔场及相关技术研究不同水深处人造海洋上升流和海洋渔场及相关技术研究李冠成 王秉坤 李明 范喆 王莉 王淑军 卢佃清 刊：刊：海洋科学 ISTICPKU Journal：MARINE SCI
29、ENCES 年，卷年，卷(期期)：2004,28(11)分类号：分类号：P716.2介绍了国内外在不同水深海域实施人造海洋上升流工程的现状介绍了国内外在不同水深海域实施人造海洋上升流工程的现状;分析并研究分析并研究了形成人造海洋上升流的机理及与渔业资源增值和海洋生态环境改善之间了形成人造海洋上升流的机理及与渔业资源增值和海洋生态环境改善之间的关系的关系;分析并研究了不同水深人造海洋上升流工程的建筑和投放技术分析并研究了不同水深人造海洋上升流工程的建筑和投放技术;分分析并研究了与人造海洋上升流工程相关的一些问题及解决这些问题的途径析并研究了与人造海洋上升流工程相关的一些问题及解决这些问题的途径.
30、结论是结论是:人造海洋上升流工程在增值渔业资源和改善海洋生态环境方面是很人造海洋上升流工程在增值渔业资源和改善海洋生态环境方面是很有发展前景的有发展前景的.海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1833（二）海洋内部热交换二）海洋内部热交换（Heat exchange in the ocean）n二、水平方向热输送二、水平方向热输送Q QA A(advect)n1 主要通过海流来完成，且相当可观。主要通过海流来完成，且相当可观。n黑潮黑潮 输送的水量为输送的水量为2.22X107m3/sn湾流湾流 3.25X107m3/sn2 沿流向海域的水平温度梯度有关沿流向海域的水
31、平温度梯度有关海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1834海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1835三、海洋中全热量平衡三、海洋中全热量平衡(equilibrium)海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1836第二节第二节 海洋中的水平衡（循环）海洋中的水平衡（循环）(Hydrological Cycle in the Ocean)海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1837一、海洋中的水量平衡与热量平衡的区别一、海洋中的水量平衡与热量平衡的区别n1、相似之处相似之处n1）都有收入与支出）
32、都有收入与支出（水交换），（水交换），并可达成某种平衡；并可达成某种平衡；n2）影响水温的分布或）影响水温的分布或制约盐度制约盐度的变化。的变化。n2、差别：差别：平衡与循环平衡与循环n水循环：水循环：n水的来源几乎完全靠地球自身，又在地球系统自身之水的来源几乎完全靠地球自身，又在地球系统自身之内周游循环，称为水循环。内周游循环，称为水循环。n热量平衡：热量平衡：n蒸发与凝结；辐射与逆辐射蒸发与凝结；辐射与逆辐射海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1838二、影响因子（二、影响因子（Influencing factorsInfluencing factors）：）：n
33、收入：降水、陆地径流、融冰收入：降水、陆地径流、融冰n支出：蒸发、结冰支出：蒸发、结冰33429737376299海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1839二、影响因子（二、影响因子（Influencing factorsInfluencing factors）：）：n1 1、蒸发蒸发（evaporationevaporation）：）：n热量、水量消耗过程；热量、水量消耗过程；44X1044X104 4KMKM3 3/a/a；124-126cm/a124-126cm/a；南南北亚热带北亚热带140cm140cm，热赤道热赤道110cm110cm，两极，两极10cm
34、0,SP-E0,S低。低。n4)4)副热带海区（副热带海区（subtropical regionsubtropical region）蒸发大于降水，）蒸发大于降水，P-E0,SP-E0,S高。高。n5 5）副极地海区（）副极地海区（subpolar regionsubpolar region）多云带，蒸发少，）多云带，蒸发少，S S低低.海洋中的热收支和水平衡海洋中的热收支和水平衡 2022-12-1847复习题复习题n1.提出海洋热平衡概念的意义。提出海洋热平衡概念的意义。n2.影影响响海洋热收支因素海洋热收支因素.n3.海水水温与海面气温之差与蒸发速度之间的关海水水温与海面气温之差与蒸发速度之间的关系系。n4.海面热收支海面热收支方程及其各项的物理意义。方程及其各项的物理意义。n5.世界大洋热平衡的分布与变化规律世界大洋热平衡的分布与变化规律n6.海洋内部热交换。海洋内部热交换。n7.水系平衡水系平衡方程，并描述各大洋的情况。方程，并描述各大洋的情况。n8.水平衡对盐度的影响。水平衡对盐度的影响。
