第3章海水性質(zhì)

1、海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海冰海冰大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布海水的物理特性海水的物理特性 溫度溫度 表示物體冷熱程度的物理量，微觀(guān)上來(lái)講是物表示物體冷熱程度的物理量，微觀(guān)上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度 單位：?jiǎn)挝唬?K， K = + 273.15 壓強(qiáng)壓強(qiáng) 物體所受壓力的大小與受力面積的比物體所受壓力的大小與受力面積的比 單位：?jiǎn)挝唬篜a，hPa，bar，dbar（分巴）（分巴） 深度為深度為1 m的海水，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)約為的海水，所產(chǎn)生的壓強(qiáng)約為1 dbar5310 Pa10 hPa1bar10dbar

2、 1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 絕對(duì)鹽度絕對(duì)鹽度SA 海水中溶解物質(zhì)質(zhì)量與海水質(zhì)量的比值，海水中溶解物質(zhì)質(zhì)量與海水質(zhì)量的比值，絕對(duì)鹽度無(wú)法直接測(cè)量絕對(duì)鹽度無(wú)法直接測(cè)量 鹽度鹽度 1kg海水中，將碳酸鹽轉(zhuǎn)換成氧化物，海水中，將碳酸鹽轉(zhuǎn)換成氧化物，將溴和碘化物轉(zhuǎn)化為氯化物，將有機(jī)物全將溴和碘化物轉(zhuǎn)化為氯化物，將有機(jī)物全部氧化之后，所剩固體物質(zhì)的總克數(shù)部氧化之后，所剩固體物質(zhì)的總克數(shù)1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 氯度氯度 通過(guò)測(cè)量海水氯含量，計(jì)算鹽度通過(guò)測(cè)量海水氯含量，計(jì)算鹽度 實(shí)用鹽度實(shí)用鹽度 根據(jù)海水的根據(jù)海水的電導(dǎo)率電導(dǎo)率、溫度、壓強(qiáng)，計(jì)算、溫度、壓強(qiáng)，計(jì)算

3、鹽度鹽度 單位單位 g/kg，psu0.030+1.805ClS1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 海水狀態(tài)方程海水狀態(tài)方程 海水狀態(tài)參數(shù)密度與溫度、鹽度、壓力海水狀態(tài)參數(shù)密度與溫度、鹽度、壓力之間的相互關(guān)系之間的相互關(guān)系 密度超量密度超量 密度減去密度減去1000, ,S t pS增加，增加， 增加增加t 增加，增加， 減小減小1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)熱容、比熱容熱容、比熱容熱容熱容：海水溫度每升高：海水溫度每升高 1 1 所吸收的熱量。所吸收的熱量。單位：?jiǎn)挝唬篔/J/ 比熱容比熱容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量海水的熱容：?jiǎn)挝毁|(zhì)量海水的熱容。單位：?jiǎn)挝唬篔/(kgJ/(kg

4、) ) 定壓比熱定壓比熱Cp:Cp:在一定壓力下測(cè)定的比熱容。在一定壓力下測(cè)定的比熱容。 定容比熱定容比熱Cv:Cv:在一定體積下測(cè)定的比熱容。在一定體積下測(cè)定的比熱容。 pqmct1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)33.89 10 JkgC海海水水的的比比熱熱容容約約為為31 10 JkgC空空氣氣的的比比熱熱容容約約為為1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 相同質(zhì)量下，海水每升高（或降低）相同質(zhì)量下，海水每升高（或降低）1，所吸收（或釋放）的熱量更大，所吸收（或釋放）的熱量更大 比容比容 a a 密度的倒數(shù)，密度的倒數(shù)，a1/a1/ 沸點(diǎn)沸點(diǎn) 海水沸騰時(shí)的臨界溫度，海

5、水沸點(diǎn)隨海海水沸騰時(shí)的臨界溫度，海水沸點(diǎn)隨海水鹽度升高而升高水鹽度升高而升高1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 冰點(diǎn)冰點(diǎn) 海水結(jié)冰時(shí)的溫度，海水冰點(diǎn)隨著鹽度海水結(jié)冰時(shí)的溫度，海水冰點(diǎn)隨著鹽度的增加而降低的增加而降低1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)撒鹽防凍撒鹽防凍 絕熱過(guò)程絕熱過(guò)程 是指與周?chē)h(huán)境之間沒(méi)有熱量交換并且沒(méi)有是指與周?chē)h(huán)境之間沒(méi)有熱量交換并且沒(méi)有質(zhì)量交換質(zhì)量交換 位溫位溫 q q 海洋中某一深度的海水微團(tuán)，絕熱上升到海海洋中某一深度的海水微團(tuán)，絕熱上升到海面時(shí)所具有的溫度面時(shí)所具有的溫度 由于溫度受壓強(qiáng)影響，因此需要將溫度放在由于溫度受壓強(qiáng)影響，因此需要將溫

6、度放在同一參考面上進(jìn)行比較同一參考面上進(jìn)行比較 位密位密 q q 海水微團(tuán)絕熱上升到海面時(shí)的密度海水微團(tuán)絕熱上升到海面時(shí)的密度1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo) 相鄰海水溫度不同時(shí)，由于海水分子或海水塊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)移體的交換，會(huì)使熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移tqn 1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 熱傳導(dǎo)分類(lèi)熱傳導(dǎo)分類(lèi) 由分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的熱傳導(dǎo)，稱(chēng)為分子熱傳由分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的熱傳導(dǎo)，稱(chēng)為分子熱傳導(dǎo)。導(dǎo)。 主要與海水的性質(zhì)有關(guān)，主要與海水的性質(zhì)有關(guān)， 由海水塊體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起，則稱(chēng)為渦動(dòng)

7、熱傳由海水塊體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所引起，則稱(chēng)為渦動(dòng)熱傳導(dǎo)或湍流熱傳導(dǎo)。導(dǎo)或湍流熱傳導(dǎo)。 取決于海水的運(yùn)動(dòng)狀況，取決于海水的運(yùn)動(dòng)狀況， 類(lèi)似于熱量的傳導(dǎo)，鹽量也能擴(kuò)散傳輸，也有分類(lèi)似于熱量的傳導(dǎo)，鹽量也能擴(kuò)散傳輸，也有分子鹽擴(kuò)散和渦動(dòng)鹽擴(kuò)散。子鹽擴(kuò)散和渦動(dòng)鹽擴(kuò)散。1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)110.6 W mC 231110 10 W mC 海水的粘滯性海水的粘滯性 當(dāng)相鄰兩層海水當(dāng)相鄰兩層海水相對(duì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于水分時(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)子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)或者海水塊體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，在兩層海水之間便有動(dòng)量傳遞，從動(dòng)，在兩層海水之間便有動(dòng)量傳遞，從而產(chǎn)生而產(chǎn)生切應(yīng)力

8、切應(yīng)力。vn 為動(dòng)力學(xué)粘滯系數(shù)，為動(dòng)力學(xué)粘滯系數(shù)，n為兩層海水界面的法為兩層海水界面的法線(xiàn)方向線(xiàn)方向/ / 為運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)為運(yùn)動(dòng)學(xué)粘滯系數(shù)1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)SeaWater toolbox by Matlab 1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)如何計(jì)算海水的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)如何計(jì)算海水的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)Matlab位溫函數(shù)位溫函數(shù)1. 海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì)海水的熱學(xué)和力學(xué)性質(zhì) 海冰分類(lèi)海冰分類(lèi) 按發(fā)展階段，可分為初生冰、尼羅冰、按發(fā)展階段，可分為初生冰、尼羅冰、餅狀冰、初期冰、一年冰和老年冰餅狀冰、初期冰、一年冰和老年冰 按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為固定冰和?。鳎┍?/p>

9、按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為固定冰和?。鳎┍鶅纱箢?lèi)兩大類(lèi) 鹽析鹽析 海水形成海冰的過(guò)程中，有大量的鹽分海水形成海冰的過(guò)程中，有大量的鹽分釋放出來(lái)排入海洋，造成局地海水密度釋放出來(lái)排入海洋，造成局地海水密度增大增大2. 海冰海冰海冰反照率正反饋海冰面積減少無(wú)冰海水增加平均反照率減小吸收的輻射增加2. 海冰海冰太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射7%85%海水海水海冰海冰溫度升高溫度升高大氣大氣海洋海洋9月份海冰范圍的年際變化1997年后夏季海冰范圍加速縮小，2007年達(dá)到極小 2. 海冰海冰北冰洋北冰洋海冰減少的速度超過(guò)了模式的預(yù)期海冰減少的速度超過(guò)了模式的預(yù)期2. 海冰海冰太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射海海 面面蒸發(fā)或凝結(jié)蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱

10、潛熱感熱交換感熱交換海面有效回輻射海面有效回輻射海面熱收支：海面熱收支：3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射海面有效海面有效回輻射回輻射蒸發(fā)或凝蒸發(fā)或凝結(jié)潛熱結(jié)潛熱感熱交換感熱交換海面熱收支：海面熱收支：tSbehQQQQQ Qt0 海面得到熱量海面得到熱量 Qt0 海面失去熱量海面失去熱量 Qt=0 海面熱收支平衡海面熱收支平衡3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射 Q QS S太陽(yáng)表面溫度高達(dá)太陽(yáng)表面溫度高達(dá)6000K6000K以上，它以電磁波的形以上，它以電磁波的形式向太空輻射巨大的能量式向太空輻射巨大的能量44% 44% 可見(jiàn)光可見(jiàn)光4

11、7% 47% 紅外紅外9% 9% 紫外紫外0.40 0.76 m0.76 m0.40m3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 1 1）斯蒂芬）斯蒂芬波爾茲曼定律（輻射定律）：波爾茲曼定律（輻射定律）： 任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能以輻射的形式向任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都能以輻射的形式向外釋放能量，它與絕對(duì)溫度外釋放能量，它與絕對(duì)溫度T Tk k的的4 4次方成正比。次方成正比。 其中，其中，E E為輻射量，為輻射量，s s為為斯蒂芬斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，F(xiàn) F為輻射體的透明系數(shù)。為輻射體的透明系數(shù)。對(duì)透明體，對(duì)透明體，F(xiàn)=0F=0；對(duì)絕對(duì)黑體，；對(duì)絕對(duì)黑體，F(xiàn)=1F=1

12、3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 2 2）維恩定律）維恩定律: : 輻射能量的最大波長(zhǎng)與輻射體表面的絕對(duì)溫度成反比。輻射能量的最大波長(zhǎng)與輻射體表面的絕對(duì)溫度成反比。 其中，其中，C=2898C=2898（ m mk k）太陽(yáng)的溫度高，波長(zhǎng)小，因此被稱(chēng)為太陽(yáng)的溫度高，波長(zhǎng)小，因此被稱(chēng)為短波輻射短波輻射大氣或海洋的溫度相對(duì)較低，波長(zhǎng)大，被稱(chēng)為大氣或海洋的溫度相對(duì)較低，波長(zhǎng)大，被稱(chēng)為長(zhǎng)長(zhǎng)波輻射波輻射3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 3 3）影響因素）影響因素: :A A、大氣透明度、大氣透明度B、天空中的云量、云狀天空中的云量、云狀C C、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)高度角 太陽(yáng)光線(xiàn)

13、與地球觀(guān)測(cè)太陽(yáng)光線(xiàn)與地球觀(guān)測(cè) 點(diǎn)的切線(xiàn)之間的夾角點(diǎn)的切線(xiàn)之間的夾角3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡4) 4) 海面太陽(yáng)輻射分布圖海面太陽(yáng)輻射分布圖熱帶短波輻射強(qiáng)，向兩極方向遞減熱帶短波輻射強(qiáng)，向兩極方向遞減3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡2.2.海面有效回輻射海面有效回輻射 Q Qb b 定義：海面向大氣的長(zhǎng)波輻射與大氣向海定義：海面向大氣的長(zhǎng)波輻射與大氣向海洋的長(zhǎng)波輻射之差。洋的長(zhǎng)波輻射之差。 3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 大氣的平均溫度（大氣的平均溫度（13.7 13.7 ）比海面溫度）比海面溫度（17.4 17.4 ）低；大氣為半透明體）低；

14、大氣為半透明體 F1F0 海水得到熱量海水得到熱量 Qt0 海水失去熱量海水失去熱量 Qt=0 海水熱收支平衡海水熱收支平衡垂向熱垂向熱輸運(yùn)輸運(yùn)水平熱水平熱輸運(yùn)輸運(yùn)3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 海洋中的水平衡海洋中的水平衡 海洋與外界長(zhǎng)期進(jìn)行水量交換，水量收支海洋與外界長(zhǎng)期進(jìn)行水量交換，水量收支存在著平衡關(guān)系存在著平衡關(guān)系 水循環(huán)水循環(huán) 水的來(lái)源幾乎完全靠地球自身，又在地球水的來(lái)源幾乎完全靠地球自身，又在地球系統(tǒng)自身之內(nèi)周游循環(huán)，稱(chēng)為水循環(huán)。系統(tǒng)自身之內(nèi)周游循環(huán)，稱(chēng)為水循環(huán)。3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 收入：降水、陸地徑流、融冰收入：降水、陸地徑流、融冰

15、支出：蒸發(fā)、結(jié)冰支出：蒸發(fā)、結(jié)冰3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡1 1、蒸發(fā)、蒸發(fā) 蒸發(fā)不僅使海洋失去熱量，同時(shí)又使海洋失蒸發(fā)不僅使海洋失去熱量，同時(shí)又使海洋失去水量去水量2 2、降水、降水 降水是海洋水收入的最重要因子降水是海洋水收入的最重要因子3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡3 3、大陸徑流、大陸徑流 大陸徑流，包括地下水入海是海洋水量收入大陸徑流，包括地下水入海是海洋水量收入的另一重要因子的另一重要因子4 4、結(jié)冰與融冰、結(jié)冰與融冰 海冰被海水沖擊到陸地上使海洋失去水量，海冰被海水沖擊到陸地上使海洋失去水量，相反，凍結(jié)在陸地上冰的融化會(huì)使海洋水量相反，凍結(jié)在陸

16、地上冰的融化會(huì)使海洋水量增加增加5 5、海流、海流 海水的流入和流出會(huì)影響水量海水的流入和流出會(huì)影響水量3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 水量平衡方程水量平衡方程 其中，其中，q q為水量收支，為水量收支，P P為降水，為降水，E E為蒸發(fā)，為蒸發(fā)，R R為陸為陸地徑流，地徑流，M M為融冰，為融冰，F(xiàn) F為結(jié)冰，為結(jié)冰，U Ui i海流流入，海流流入，U Uo o為為海流流出海流流出 對(duì)整個(gè)世界大洋、全年或多年平均：對(duì)整個(gè)世界大洋、全年或多年平均： 降水降水、蒸發(fā)蒸發(fā)、大陸徑流，基本決定了世界、大陸徑流，基本決定了世界大洋的水平衡。大洋的水平衡。q=P-E+R+M-F+Ui-U

17、o q=P-E+R=03. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 緯度與蒸發(fā)降水圖緯度與蒸發(fā)降水圖3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡(1) (1) 低緯度海區(qū)低緯度海區(qū): :降水大于蒸發(fā)，降水大于蒸發(fā)，E-P0, E-P0, E-P0, 鹽鹽度較高。度較高。(3(3）副極地海區(qū)）副極地海區(qū): :降水大于蒸發(fā)，降水大于蒸發(fā)，E-P0, E-P0, 鹽鹽度較低。度較低。(4) (4) 世界大洋表層鹽度分布取決于蒸發(fā)和降水世界大洋表層鹽度分布取決于蒸發(fā)和降水量之差。量之差。3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡 海表溫度（海表溫度（Sea Surface Temperatur

18、e，SST）4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布海表水溫分布海表水溫分布4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布經(jīng)線(xiàn)方向斷面上的溫度分布經(jīng)線(xiàn)方向斷面上的溫度分布4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布溫度廓線(xiàn)溫度廓線(xiàn)4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布t / 海表混合層海表混合層 由于受動(dòng)力及熱力因素的作用，引起強(qiáng)由于受動(dòng)力及熱力因素的作用，引起強(qiáng)烈混合，在海表形成一個(gè)烈混合，在海表形成一個(gè)溫度垂直梯度溫度垂直梯度很小很小的均勻水層的均勻水層4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布 溫躍層溫躍層 溫度垂直梯度較大的水層溫度垂直梯度較大的水層垂直方向上等溫線(xiàn)密集的區(qū)域垂直方向上等溫線(xiàn)密集的區(qū)域4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布 主溫躍層主溫躍層 不隨季節(jié)變化的溫躍層不隨季節(jié)變化的溫躍層 季節(jié)性溫躍層季節(jié)性溫躍層 隨季節(jié)生消的溫躍層隨季節(jié)生消的溫躍層4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布 海表鹽度海表鹽度4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布 經(jīng)線(xiàn)方向斷面經(jīng)線(xiàn)方向斷面4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布鹽躍層：鹽度垂直梯度較大的水層鹽躍層：鹽度垂直梯度較大的水層4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分