032熱與水收支平衡40

1、13.2 3.2 海洋的熱量與水量平衡海洋的熱量與水量平衡 海面熱收支海面熱收支 海洋內(nèi)部的熱交換海洋內(nèi)部的熱交換 海洋中的水平衡海洋中的水平衡第三章 海水的物理特性及其表征2l 海洋熱量來(lái)自海洋熱量來(lái)自太陽(yáng)輻射能太陽(yáng)輻射能，幾乎全部通過(guò)，幾乎全部通過(guò)海海- -氣界面氣界面到達(dá)海洋。到達(dá)海洋。l 通過(guò)海底向大洋輸送的熱量，除個(gè)別熱活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域外，影響不大；通過(guò)海底向大洋輸送的熱量，除個(gè)別熱活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域外，影響不大；海洋內(nèi)部放射性物質(zhì)裂變、生物化學(xué)過(guò)程及海水運(yùn)動(dòng)所釋放的熱能更是微海洋內(nèi)部放射性物質(zhì)裂變、生物化學(xué)過(guò)程及海水運(yùn)動(dòng)所釋放的熱能更是微不足道，故對(duì)整個(gè)海洋而言，在考慮其熱平衡時(shí)都可忽略不計(jì)

2、。當(dāng)然，在不足道，故對(duì)整個(gè)海洋而言，在考慮其熱平衡時(shí)都可忽略不計(jì)。當(dāng)然，在研究極小尺度的海洋空間時(shí)則另當(dāng)別論。研究極小尺度的海洋空間時(shí)則另當(dāng)別論。l 世界大洋世界大洋的平均溫度在幾十的平均溫度在幾十 幾百年的時(shí)間尺度內(nèi)并未變化，可認(rèn)為海幾百年的時(shí)間尺度內(nèi)并未變化，可認(rèn)為海洋獲得的熱量與失去的熱量相同，這種洋獲得的熱量與失去的熱量相同，這種收支平衡收支平衡主要通過(guò)海面進(jìn)行。主要通過(guò)海面進(jìn)行。l 通過(guò)海面熱收支的主要因子有通過(guò)海面熱收支的主要因子有：太陽(yáng)輻射：太陽(yáng)輻射( (qsqs) )、海面有效回輻射海面有效回輻射( (qbqb) )、蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱( (qeqe) )及海氣間的感

3、熱交換及海氣間的感熱交換( (qhqh) )，即，即 qwqw=qs-=qs-qbqbqeqeqhqh l qwqw 為通過(guò)海面的熱收支余項(xiàng)為通過(guò)海面的熱收支余項(xiàng)，整體、長(zhǎng)期而言應(yīng)，整體、長(zhǎng)期而言應(yīng)qwqw=0=0，但局部，但局部、短時(shí)、短時(shí)則則qw0qw0。qwqw0 0，海水獲熱；，海水獲熱；qwqw0 0，海洋失熱。，海洋失熱。海面熱收支海面熱收支 海面熱平衡方程3 太陽(yáng)輻射qs海面熱收支l太陽(yáng)輻射能太陽(yáng)輻射能qsqs：地球每年從太陽(yáng)地球每年從太陽(yáng)接受的輻射能量接受的輻射能量約為約為5.55.510102424j j，相當(dāng)于人類(lèi)全年相當(dāng)于人類(lèi)全年消耗各種能源的消耗各種能源的8.78.7萬(wàn)

4、倍。萬(wàn)倍。l 太陽(yáng)輻射能的太陽(yáng)輻射能的99.999.9集中在集中在0.20.210.0mm10.0mm波段內(nèi)，波段內(nèi)，其中可見(jiàn)光其中可見(jiàn)光(0.40(0.400.76mm)0.76mm)占占4444，紅外線紅外線( (0.76m)0.76m)占占4747，紫外線，紫外線( (0.40mm)0.40mm)占占9 9。4 4105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12long-wave radiostandard am radio short-wave radiomicrowa

5、vesinfraredultravioletx-raysgamma raysred orangeyellowgreenblueviolet49%7%43%波長(zhǎng)(米)波長(zhǎng)波谷波峰56海面熱平衡方程vhebsqqqqqq 式中 sq為到達(dá)并進(jìn)入海面的太陽(yáng)總輻射（又稱(chēng)有效太陽(yáng)輻射）bq為海面有效回輻射（又稱(chēng)海面凈長(zhǎng)波輻射）eq為蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱hq為海氣間感熱交換q為海面熱量收支平衡余項(xiàng)2mw各項(xiàng)單位均為vq為平流熱輸送7地表吸收qs=51太陽(yáng)散射30大氣散射6地球熱輻射70潛熱qe=23顯熱qh=7大氣吸收16大氣和云吸收112大氣和云向上輻射64大氣和云向下輻射qa=97地表反射4地表熱輻射qw=

6、118對(duì)流輸運(yùn)30太陽(yáng)總輻射100云反射20云吸收3穿透大氣和云層6有效回輻射qb=qw-qa=21h2o, co2, o3海面熱收支8太陽(yáng)輻射又稱(chēng)短波輻射，又稱(chēng)短波輻射，99.9%的輻射能集中在的輻射能集中在0.210.0 可見(jiàn)光可見(jiàn)光0.400.76 ，占，占44%紅外部分（紅外部分（0.76 ），占），占47%紫外部分紫外部分(0qt0，海水有凈的熱收入；海水有凈的熱收入；南北中、高緯海域南北中、高緯海域qt0qt0，海水有凈的熱，海水有凈的熱支出。支出。海面熱收支l 海海- -氣感熱交換氣感熱交換qhqh 隨緯度變化不大，且量值較小。隨緯度變化不大，且量值較小。24on the rea

7、l earth:warm (air)cold (air)convection !equatornorth polepoleequatora single cell 25a hypothetical model of earths air circulation if uneven solar heating were the only factor to be considered.26equatornorth pole30o60ohadley cells (1935)equator60o n60o s30o n30o snorthpolesouthpole27global air circu

8、lation as described in the six-cell circulation model.28海面熱收支年平均總熱通量l 全年平均熱凈收入海域，因熱量積累，水溫應(yīng)不斷升高，反之熱凈支出海域全年平均熱凈收入海域，因熱量積累，水溫應(yīng)不斷升高，反之熱凈支出海域水溫應(yīng)不斷降低，但事實(shí)并非如此。雖然熱帶海區(qū)表溫比中高緯溫帶與寒帶海水溫應(yīng)不斷降低，但事實(shí)并非如此。雖然熱帶海區(qū)表溫比中高緯溫帶與寒帶海域明顯高，但它們的年際變化卻不大。這說(shuō)明大洋內(nèi)部必然存在自低緯向中高域明顯高，但它們的年際變化卻不大。這說(shuō)明大洋內(nèi)部必然存在自低緯向中高緯的熱量輸送緯的熱量輸送 大洋徑向環(huán)流大洋徑向環(huán)流 完成

9、。完成。29 鉛直方向熱輸運(yùn)qzl 世界大洋整體的熱收支應(yīng)該相等，但局部海域、不同時(shí)段，其熱世界大洋整體的熱收支應(yīng)該相等，但局部海域、不同時(shí)段，其熱收支并不一定平衡。故海收支并不一定平衡。故海- -氣熱交換余額勢(shì)必在海洋內(nèi)部重新分配。氣熱交換余額勢(shì)必在海洋內(nèi)部重新分配。l 海洋內(nèi)部的熱交換方式由諸多因素引起，其表現(xiàn)形式是鉛直和水海洋內(nèi)部的熱交換方式由諸多因素引起，其表現(xiàn)形式是鉛直和水平方向上的熱量輸運(yùn)。平方向上的熱量輸運(yùn)。l 鉛直方向上的熱輸運(yùn)主要通過(guò)湍流進(jìn)行，即通過(guò)海面上風(fēng)、浪和鉛直方向上的熱輸運(yùn)主要通過(guò)湍流進(jìn)行，即通過(guò)海面上風(fēng)、浪和流等引起的流等引起的攪動(dòng)攪動(dòng)混合混合，把海面熱量向下輸送。

10、，把海面熱量向下輸送。l 湍流混合一年四季在任何海域都能發(fā)生，故它是海洋內(nèi)部鉛直熱湍流混合一年四季在任何海域都能發(fā)生，故它是海洋內(nèi)部鉛直熱交換的主要途徑。通常其作用多為將海水表層吸收的輻射能向海洋交換的主要途徑。通常其作用多為將海水表層吸收的輻射能向海洋深層輸送。而海面有凈熱量支出的海域，往往由于深層輸送。而海面有凈熱量支出的海域，往往由于降溫增密降溫增密作用引作用引起對(duì)流，結(jié)果使熱量向上輸送。起對(duì)流，結(jié)果使熱量向上輸送。l 海洋中的鉛直熱交換還起因于其它因素，如海洋中的鉛直熱交換還起因于其它因素，如?？寺槲？寺槲痛箫L(fēng)卷和大風(fēng)卷吸作用導(dǎo)致下層冷水上涌；在吸作用導(dǎo)致下層冷水上涌；在升、降

11、流升、降流海域，盡管速度很慢，僅海域，盡管速度很慢，僅1010- -6 61010-4-4m/sm/s，但因常年存在，故其輸運(yùn)熱量也相當(dāng)可觀，使升、降流，但因常年存在，故其輸運(yùn)熱量也相當(dāng)可觀，使升、降流區(qū)水溫出現(xiàn)異常，等等。在研究局部海域熱平衡時(shí)，不可輕易忽視。區(qū)水溫出現(xiàn)異常，等等。在研究局部海域熱平衡時(shí)，不可輕易忽視。海洋內(nèi)部熱交換30 水平方向熱輸運(yùn)qal 水平方向上的熱輸送主要通過(guò)水平方向上的熱輸送主要通過(guò)海流海流完成，其熱輸運(yùn)量相完成，其熱輸運(yùn)量相當(dāng)可觀。當(dāng)可觀。l 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)海流垂直方向單位面積所輸送的熱量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)海流垂直方向單位面積所輸送的熱量q=cpr rut，即海流輸

12、送的熱量除流速外，還與水溫高低，即海流輸送的熱量除流速外，還與水溫高低有關(guān)。但影響海流經(jīng)過(guò)海區(qū)熱狀況變化的關(guān)鍵不是水溫絕有關(guān)。但影響海流經(jīng)過(guò)海區(qū)熱狀況變化的關(guān)鍵不是水溫絕對(duì)值之高低，而是海流方向上的水溫梯度，即對(duì)值之高低，而是海流方向上的水溫梯度，即qa=-cpr rut/n，負(fù)號(hào)說(shuō)明熱量輸送與溫度梯度方向相反。，負(fù)號(hào)說(shuō)明熱量輸送與溫度梯度方向相反。l 整個(gè)世界大洋的海面熱平衡呈緯向帶狀分布，從而水溫整個(gè)世界大洋的海面熱平衡呈緯向帶狀分布，從而水溫分布亦相似。因此，海流在大洋中水平方向的熱輸送，沿分布亦相似。因此，海流在大洋中水平方向的熱輸送，沿經(jīng)向最為明顯。經(jīng)向最為明顯。海洋內(nèi)部熱交換31

13、海洋全熱平衡l 在海面熱平衡方程基礎(chǔ)上再考慮海洋內(nèi)部的熱交換，即有在海面熱平衡方程基礎(chǔ)上再考慮海洋內(nèi)部的熱交換，即有qt=qs-qbqeqhqzqa海洋全熱量平衡方程，適用于任何時(shí)段和局部海區(qū)的熱平衡計(jì)算。海洋全熱量平衡方程，適用于任何時(shí)段和局部海區(qū)的熱平衡計(jì)算。l 通常，方程右端各項(xiàng)之代數(shù)和通常，方程右端各項(xiàng)之代數(shù)和qt0。qt0時(shí)，海水凈吸熱，水溫升高；時(shí)，海水凈吸熱，水溫升高；qt0時(shí)，海水凈放熱，水溫降低。時(shí)，海水凈放熱，水溫降低。|qt|越大，升溫或降溫速率越快。越大，升溫或降溫速率越快。qt 由正轉(zhuǎn)為負(fù)時(shí)的由正轉(zhuǎn)為負(fù)時(shí)的qt=0，對(duì)應(yīng)于水溫極大值；，對(duì)應(yīng)于水溫極大值；qt 由負(fù)轉(zhuǎn)為

14、正時(shí)的由負(fù)轉(zhuǎn)為正時(shí)的qt=0，則，則對(duì)應(yīng)于水溫極小值。對(duì)應(yīng)于水溫極小值。l 設(shè)一天中的設(shè)一天中的qb、qe、qh、qz 和和qa為常量，則為常量，則qt值變化取決于值變化取決于qs變化。變化。通常通常qs值在中午達(dá)到最大值在中午達(dá)到最大(因太陽(yáng)高度大因太陽(yáng)高度大)，此時(shí)，此時(shí)qt0，且達(dá)最大值，水，且達(dá)最大值，水溫升高速率此時(shí)也最大；午后因太陽(yáng)高度減低，溫升高速率此時(shí)也最大；午后因太陽(yáng)高度減低，qs值減小到與方程右邊其值減小到與方程右邊其他項(xiàng)代數(shù)和相等時(shí)，有他項(xiàng)代數(shù)和相等時(shí)，有qt0，水溫達(dá)到極大值而停止上升。然后，太陽(yáng)，水溫達(dá)到極大值而停止上升。然后，太陽(yáng)高度進(jìn)一步降低，高度進(jìn)一步降低，qt

15、轉(zhuǎn)為負(fù)值，水溫開(kāi)始降低。因此，一天中水溫最高值轉(zhuǎn)為負(fù)值，水溫開(kāi)始降低。因此，一天中水溫最高值時(shí)間不是中午太陽(yáng)高度最大時(shí)刻，而是時(shí)間不是中午太陽(yáng)高度最大時(shí)刻，而是午后午后13 時(shí)時(shí)左右。同理，水溫極小左右。同理，水溫極小值時(shí)刻發(fā)生在值時(shí)刻發(fā)生在qt值由負(fù)轉(zhuǎn)正之際，海洋中一般發(fā)生在值由負(fù)轉(zhuǎn)正之際，海洋中一般發(fā)生在凌晨凌晨。海洋內(nèi)部熱交換32 海洋全熱平衡l 同樣，一年中水溫極大值不在太陽(yáng)高度最大月同樣，一年中水溫極大值不在太陽(yáng)高度最大月份份( (北半球北半球6 6月月) )，而是，而是8 8 月份月份左右，最低值則出左右，最低值則出現(xiàn)在現(xiàn)在1212月份月份。l 研究海洋熱平衡的重要意義在于分析海洋

16、水溫研究海洋熱平衡的重要意義在于分析海洋水溫時(shí)空變化時(shí)，能把握主要矛盾。研究局部海域時(shí)，時(shí)空變化時(shí)，能把握主要矛盾。研究局部海域時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算熱平衡各分量，弄清制約該海域熱可以通過(guò)計(jì)算熱平衡各分量，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)狀況的主要因子。如果計(jì)算后發(fā)現(xiàn)qt0qt0，且又，且又排除了計(jì)算的誤差，那就提醒我們必須去研究和排除了計(jì)算的誤差，那就提醒我們必須去研究和發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題。海洋內(nèi)部熱交換33l 海洋與外界還不斷進(jìn)行水交換，整體上，水量收支平衡，不過(guò)它與熱平衡存在質(zhì)的差異。海洋中的水平衡l 海洋熱量由外部熱源的太陽(yáng)輻射輸入、并受各種過(guò)程制約達(dá)成平衡。而海洋中的

17、水量平衡則不然，其來(lái)源及支出都在地球系統(tǒng)自身之內(nèi)進(jìn)行，故又稱(chēng)水循環(huán)(海洋熱平衡不能稱(chēng)為熱循環(huán))。l 海洋中的水量收支影響著鹽度的分布與變化。34 影響因子l 水收入 ：降水、徑流、融冰；水支出：蒸發(fā)、結(jié)冰。海洋中的水平衡35 影響因子l 水收入 ：降水、徑流、融冰；水支出：蒸發(fā)、結(jié)冰。海洋中的水平衡36 影響因子l 蒸發(fā)蒸發(fā)：使海洋失去熱：使海洋失去熱量的同時(shí)又失去水量。量的同時(shí)又失去水量。海洋每年失去水量海洋每年失去水量450103km3，蒸發(fā)水層，蒸發(fā)水層厚約厚約125cm。海洋中的水平衡l 各海區(qū)蒸發(fā)很不均。各海區(qū)蒸發(fā)很不均。赤道附近小，南、北副赤道附近小，南、北副熱帶最大，蒸發(fā)量達(dá)熱帶

18、最大，蒸發(fā)量達(dá)140cm，之后向高緯迅速，之后向高緯迅速減小，至兩極海海域不減小，至兩極海海域不足足10cm。37 影響因子l 降水降水：每年約：每年約415103km3，分，分布不均。赤道附近熱帶海域降水量布不均。赤道附近熱帶海域降水量最大，年平均最大，年平均180cm以上，副熱帶以上，副熱帶海域降至海域降至60cm左右，而南北兩半左右，而南北兩半球極鋒附近又顯著增多，然后向極球極鋒附近又顯著增多，然后向極方向迅速減少。方向迅速減少。l 降水量與蒸發(fā)量之間，除大于降水量與蒸發(fā)量之間，除大于50高緯海域外，其變化曲線幾乎高緯海域外，其變化曲線幾乎反位相。因?yàn)樗鼈兪呛Ｑ笏恐С龇次幌?。因?yàn)樗鼈兪?/p>

19、海洋水量支出與收入的主要影響因子，故必對(duì)海與收入的主要影響因子，故必對(duì)海洋表層鹽度的分布產(chǎn)生巨大影響。洋表層鹽度的分布產(chǎn)生巨大影響。海洋中的水平衡3.2 海水的熱量與水量平衡38影響因子l 徑流徑流：包括地下水入海，各大洋中分布也極不均勻。注入徑：包括地下水入海，各大洋中分布也極不均勻。注入徑流量最大的是大西洋，僅亞馬孫河就占全世界徑流量的流量最大的是大西洋，僅亞馬孫河就占全世界徑流量的20，另還有剛果河、密西西比河及歐洲許多河流，它們使大西洋面另還有剛果河、密西西比河及歐洲許多河流，它們使大西洋面上升上升23cm/a。印度洋次之。太平洋的最大注入河流是長(zhǎng)江，但。印度洋次之。太平洋的最大注入河

20、流是長(zhǎng)江，但不到亞馬孫河的不到亞馬孫河的1/5，因太平洋寬廣，故所有陸地徑流只使其水，因太平洋寬廣，故所有陸地徑流只使其水面上升面上升7cm/a。l 結(jié)冰與融冰結(jié)冰與融冰：是海洋水平衡中的可逆過(guò)程。海冰被海水沖擊：是海洋水平衡中的可逆過(guò)程。海冰被海水沖擊到陸地上使海洋失去水量，相反，陸地凍結(jié)冰的融化會(huì)使海洋到陸地上使海洋失去水量，相反，陸地凍結(jié)冰的融化會(huì)使海洋水量增加。若陸地凍結(jié)冰全部融化流入海洋，將使海面上升水量增加。若陸地凍結(jié)冰全部融化流入海洋，將使海面上升66m。l 結(jié)冰與融冰量目前基本平衡，但個(gè)別海域的季節(jié)不平衡情況結(jié)冰與融冰量目前基本平衡，但個(gè)別海域的季節(jié)不平衡情況仍存在。如南極大陸冰川以仍存在。如南極大陸冰川以1m/d速度向海洋推進(jìn)，斷裂入海后速度向海洋推進(jìn)，斷裂入海后形成巨大冰山；北極海域格陵蘭島也是冰山發(fā)源地，這些冰山形成巨大冰山；北極海域格