第13章海洋輸運(yùn)過程ppt課件

1、第13章海洋輸運(yùn)過程第13章內(nèi)容海水中存在各種各樣的流動過程，海水中的物質(zhì)隨著海水的流動而遷移，稱為輸運(yùn)過程transportation process），也稱為輸送過程。物質(zhì)在海水中的存在狀況是各種各樣的，有的融解于海水，有的懸浮在海水之中，有的漂浮在海面之上，有的時(shí)而懸浮時(shí)而沉降。這些物質(zhì)與海水運(yùn)動相聯(lián)系，形成了海水的輸運(yùn)能力。不同物質(zhì)的輸運(yùn)過程可以很不相同，同一流場中也可以發(fā)生多種物質(zhì)輸運(yùn)過程。廣義的物質(zhì)濃度變化都是用濃度方程來表達(dá)的，求解濃度方程的過程可以獲得濃度的空間分布和時(shí)間變化，這些變化已經(jīng)體現(xiàn)了流動對濃度分布的貢獻(xiàn)。然而，求解濃度方程并不能直接給出物質(zhì)輸運(yùn)量，物質(zhì)輸運(yùn)還是要用流

2、場和濃度場的結(jié)果另行計(jì)算。本章將分析各種輸運(yùn)過程，明確輸運(yùn)過程的表達(dá)方法，介紹輸運(yùn)過程在物理海洋學(xué)中的作用。 第13章內(nèi)容13-1 融解物質(zhì)輸運(yùn)融解物質(zhì)輸運(yùn)13-2 淡水輸運(yùn)淡水輸運(yùn)13-3 動力沉積動力沉積13-4 中尺度渦輸運(yùn)中尺度渦輸運(yùn)13-5 物質(zhì)輸運(yùn)對環(huán)境的影響物質(zhì)輸運(yùn)對環(huán)境的影響13-6 物質(zhì)輸運(yùn)的若干問題物質(zhì)輸運(yùn)的若干問題13-1 融解物質(zhì)輸運(yùn)海水體積的輸運(yùn)海水體積的輸運(yùn)如果把海水看做一種物質(zhì)，則物質(zhì)輸運(yùn)過程包括對海水的輸運(yùn)。描寫海如果把海水看做一種物質(zhì)，則物質(zhì)輸運(yùn)過程包括對海水的輸運(yùn)。描寫海水輸運(yùn)的物理量就是海水通量，定義為通過某一斷面的體積通量流水輸運(yùn)的物理量就是海水通量，定

3、義為通過某一斷面的體積通量流量或質(zhì)量通量，量或質(zhì)量通量， 體積通量體積通量 質(zhì)量通量質(zhì)量通量 （單位：（單位：m3/s） （單位：（單位：kg/s）其中，其中，為海水密度，為海水密度，vn為垂直于斷面的流速分量，為垂直于斷面的流速分量，A為斷面的面積。海為斷面的面積。海水的流量非常大，例如，太平洋西邊界流黑潮的流量達(dá)到水的流量非常大，例如，太平洋西邊界流黑潮的流量達(dá)到50Sv以上，以上，比長江的流量大比長江的流量大1600倍。海水的流動形成的海水的輸運(yùn)能力，形成倍。海水的流動形成的海水的輸運(yùn)能力，形成各種尺度的海水循環(huán)。各種尺度的海水循環(huán)。如果不考慮海水密度的差異，對海水循環(huán)的描述主要用體積通

4、量，因?yàn)槿绻豢紤]海水密度的差異，對海水循環(huán)的描述主要用體積通量，因?yàn)閺捏w積通量可以輕易地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量通量。海水密度的變化主要發(fā)生在從體積通量可以輕易地轉(zhuǎn)換為質(zhì)量通量。海水密度的變化主要發(fā)生在千分位，對估算海洋質(zhì)量通量的影響很小。千分位，對估算海洋質(zhì)量通量的影響很小。 dAvFnvdAvFnm海水熱量的輸運(yùn)海水熱量的輸運(yùn)具有一定溫度的水體攜帶特定的熱量，水體的輸運(yùn)過程導(dǎo)致具有一定溫度的水體攜帶特定的熱量，水體的輸運(yùn)過程導(dǎo)致了熱量的輸運(yùn)。熱量的輸運(yùn)是海洋溫度分布的基礎(chǔ)運(yùn)動形了熱量的輸運(yùn)。熱量的輸運(yùn)是海洋溫度分布的基礎(chǔ)運(yùn)動形式，對全球海洋的水團(tuán)結(jié)構(gòu)及其對氣候系統(tǒng)的形成發(fā)揮了式，對全球海洋的水團(tuán)結(jié)構(gòu)及

5、其對氣候系統(tǒng)的形成發(fā)揮了重要作用。重要作用。與體積輸運(yùn)的形式相似，用熱通量來描述海水熱量的輸運(yùn)，與體積輸運(yùn)的形式相似，用熱通量來描述海水熱量的輸運(yùn)， 熱通量熱通量 （單位：（單位：J/s或者或者W）熱量是一種特殊的物質(zhì)，是以熱形式存在于海水中的能量，熱量是一種特殊的物質(zhì)，是以熱形式存在于海水中的能量，本身沒有質(zhì)量，因此沒有質(zhì)量通量。熱量是不保守的物質(zhì)本身沒有質(zhì)量，因此沒有質(zhì)量通量。熱量是不保守的物質(zhì)，在輸運(yùn)過程中會與周邊海水和海氣界面交換熱量。，在輸運(yùn)過程中會與周邊海水和海氣界面交換熱量。dATvcFnph海水鹽度的輸運(yùn)海水鹽度的輸運(yùn)另一個(gè)典型的融解物質(zhì)是鹽分，以離子形式存在于海水中。另一個(gè)典

6、型的融解物質(zhì)是鹽分，以離子形式存在于海水中。鹽度的定義為每千克海水中溶解無機(jī)鹽類的克數(shù)，鹽度與鹽度的定義為每千克海水中溶解無機(jī)鹽類的克數(shù)，鹽度與密度的乘積表達(dá)了單位體積水體中無機(jī)鹽類的公斤數(shù)。水密度的乘積表達(dá)了單位體積水體中無機(jī)鹽類的公斤數(shù)。水體的輸運(yùn)過程也形成了鹽度通量，表達(dá)為體的輸運(yùn)過程也形成了鹽度通量，表達(dá)為 鹽度通量鹽度通量 （單位：（單位：kg/s）可見，鹽度通量是物質(zhì)的質(zhì)量通量。如果不用密度，則鹽度可見，鹽度通量是物質(zhì)的質(zhì)量通量。如果不用密度，則鹽度通量為鹽分體積的通量。由于無法知道鹽分的密度，得到通量為鹽分體積的通量。由于無法知道鹽分的密度，得到鹽分的體積通量是沒有意義的。因此，

7、物質(zhì)輸運(yùn)用單位時(shí)鹽分的體積通量是沒有意義的。因此，物質(zhì)輸運(yùn)用單位時(shí)間通過的質(zhì)量是很有應(yīng)用價(jià)值的定義。間通過的質(zhì)量是很有應(yīng)用價(jià)值的定義。 dASvFns其他融解物質(zhì)的輸運(yùn)其他融解物質(zhì)的輸運(yùn)除了鹽度之外，海水中各種溶解物質(zhì)，其輸運(yùn)特性與鹽度的除了鹽度之外，海水中各種溶解物質(zhì)，其輸運(yùn)特性與鹽度的表達(dá)方式一致，即需要知道物質(zhì)的濃度。表達(dá)方式一致，即需要知道物質(zhì)的濃度。物質(zhì)在溶液中的濃度有多種定義，物理海洋學(xué)中常用的有兩物質(zhì)在溶液中的濃度有多種定義，物理海洋學(xué)中常用的有兩類：類：“質(zhì)量濃度質(zhì)量濃度Cm）”是指溶質(zhì)的質(zhì)量占全部溶液質(zhì)是指溶質(zhì)的質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的百分比，單位用量的百分比，單位用%表示，鹽度

8、的表達(dá)方式就是鹽分的表示，鹽度的表達(dá)方式就是鹽分的質(zhì)量濃度。質(zhì)量濃度?！百|(zhì)量質(zhì)量-體積濃度體積濃度Cv）”指單位體積溶液中指單位體積溶液中所含的溶質(zhì)質(zhì)量，單位為所含的溶質(zhì)質(zhì)量，單位為kg/m3。為了將物質(zhì)通量表達(dá)為單位時(shí)間通過的質(zhì)量，相對于這兩種為了將物質(zhì)通量表達(dá)為單位時(shí)間通過的質(zhì)量，相對于這兩種濃度定義，物質(zhì)輸運(yùn)的質(zhì)量通量定義為濃度定義，物質(zhì)輸運(yùn)的質(zhì)量通量定義為 物質(zhì)通量物質(zhì)通量 （單位：（單位：kg/s） dAvCFnmcdAvCFnvc融解物質(zhì)的垂向輸運(yùn)融解物質(zhì)的垂向輸運(yùn)海洋中的融解物質(zhì)除了在水平方向上輸運(yùn)之外，還發(fā)生垂直海洋中的融解物質(zhì)除了在水平方向上輸運(yùn)之外，還發(fā)生垂直方向的輸運(yùn)，融

9、解物質(zhì)的垂向輸運(yùn)由海洋的上升流和下降方向的輸運(yùn)，融解物質(zhì)的垂向輸運(yùn)由海洋的上升流和下降流來實(shí)現(xiàn)。上層海洋中的營養(yǎng)物質(zhì)供養(yǎng)著海洋中龐大的生流來實(shí)現(xiàn)。上層海洋中的營養(yǎng)物質(zhì)供養(yǎng)著海洋中龐大的生物系統(tǒng)，生物的繁殖導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，因而上層海洋物系統(tǒng)，生物的繁殖導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的消耗，因而上層海洋的營養(yǎng)物質(zhì)含量總是很低。而在深海，營養(yǎng)物質(zhì)豐富。海的營養(yǎng)物質(zhì)含量總是很低。而在深海，營養(yǎng)物質(zhì)豐富。海洋上升流將深層海水帶到海洋表面，同時(shí)將營養(yǎng)物質(zhì)輸送洋上升流將深層海水帶到海洋表面，同時(shí)將營養(yǎng)物質(zhì)輸送到海面，增加了海洋中營養(yǎng)物質(zhì)的豐度，供養(yǎng)更大的生物到海面，增加了海洋中營養(yǎng)物質(zhì)的豐度，供養(yǎng)更大的生物種群。因此，存

10、在上升流的海域通常都是重要的漁場。種群。因此，存在上升流的海域通常都是重要的漁場。 營養(yǎng)鹽垂向通量營養(yǎng)鹽垂向通量 （單位：（單位：kg/s）其中，其中，w為流速的垂向分量，為流速的垂向分量，A為水平范圍的面積。為水平范圍的面積。wdACFmn13-2 淡水輸運(yùn)如果將入海淡水看做是一種特殊的物質(zhì)，淡水輸運(yùn)是一種特殊的輸運(yùn)方式。在海洋中，淡水的密度小，往往只存在于海洋表面和次表層，受風(fēng)浪的作用混合到一定的深度，又受風(fēng)的輸運(yùn)作用向遠(yuǎn)處移動。世界上的淡水90%以上封閉于大陸冰川和地下水，只有不到10%的淡水資源成為江河湖海中可用的淡水源。進(jìn)入海洋中的淡水主要有三個(gè)來源：徑流、降雨和海冰融化。其中，直接

11、降到海面的降雨由海面進(jìn)入海洋，河流的徑流由海洋的邊界進(jìn)入海洋，而海冰的融化也增加了淡水的含量。在兩級海域，冬季海面結(jié)冰，一部分淡水轉(zhuǎn)化為固體，夏季又有部分海冰融解為淡水。另外，海面在夏季的蒸發(fā)將減少海洋的淡水含量，在中緯度海域，一個(gè)夏季海洋表面的蒸發(fā)量可以達(dá)到1m以上，對海洋的鹽度影響很大。在熱帶，由于蒸發(fā)強(qiáng)烈，海表的鹽度可以高達(dá)36以上。而在大陸附近，由于有河流徑流注入，形成大范圍的沖淡水，近岸海域海水的鹽度較低。海洋中的淡水的兩種定義 絕對淡水，定義海水是由純水H2O）+海水中的鹽分S組成的。鹽度S部分是由海鹽構(gòu)成的，而(1-S)部分是由淡水組成的。這種定義被用于通過垂直斷面的淡水通量的計(jì)

12、算。淡水通量為 絕對淡水通量 （單位：m3/s） 相對淡水的定義要求給定一個(gè)參考鹽度，將高于參考鹽度的水視為海水，低于參考鹽度的海水中包含部分淡水。設(shè)海水的鹽度為S，參考海水的鹽度為Sref，則海水的比例為S/Sref，淡水的比例為(Sref - S)/Sref。參考鹽度實(shí)際上定義了一個(gè)區(qū)域海水的最低鹽度，低于這個(gè)鹽度就認(rèn)為有淡水摻混到海水中。在垂直斷面上對鹽度大于參考鹽度的水體進(jìn)行積分，得到的淡水通量為： 相對淡水通量 （單位：m3/s）其中，在垂直方向的積分為從海面積分到鹽度等于參考鹽度所在的深度。dAvSSFnrefrf)1 (dAvSFnaf)1 ( 絕對淡水通量相當(dāng)于將海水中的鹽分去

13、除后的體積通量，計(jì)算的淡水實(shí)際上絕大部分是海水，故而在計(jì)算混合在海水中的淡水時(shí)不能采用絕對淡水的定義，而是要采用相對淡水的定義。如果參考鹽度選取合理，相對淡水通量比較可靠地代表了混合到海水中的淡水通量，即淡水輸運(yùn)量，用于區(qū)域性淡水收支的計(jì)算。海冰的淡水輸運(yùn)一種特殊的淡水通量是海冰的體積通量。計(jì)算海冰的淡水通量需要用絕對淡水的定義，將其中的鹽度換為海冰的鹽度。海冰的鹽度不大，夏季通常低于3。需要注意的是，上式只能表達(dá)海冰密集度Ci為1的情況，當(dāng)海冰密集度小于1的時(shí)候，厚度為h的海冰的體積通量為 海冰淡水通量 （單位：m3/s）雖然海冰的厚度遠(yuǎn)小于海洋上層海洋的厚度，但由于海冰的鹽度小，2m厚的海

14、冰輸運(yùn)的淡水相當(dāng)于上層數(shù)十米厚度的海水層輸運(yùn)的淡水量。dAvSFnaf)1 (dlvShCFniii)1 (13-3 動力沉積海洋中有些顆粒狀物質(zhì)一方面受海水運(yùn)動的影響而發(fā)生輸運(yùn)，另一方面在適宜的條件下會脫離水體，這些物質(zhì)的運(yùn)動過程稱為動力沉積過程，是海洋中物質(zhì)輸運(yùn)過程的重要組成部分。世界海洋的海底有著厚厚的沉積層，是來自大陸和空氣中的物質(zhì)沉降積聚的結(jié)果。海洋沉積物的來源主要有來自陸地的物質(zhì)和來自海洋的物質(zhì)。陸源物質(zhì)主要是陸地巖石風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物，如礫石、砂、粉砂和粘土等，還有火山噴發(fā)形成的塵埃和氣溶膠。海洋物質(zhì)主要是海水中由生物作用和化學(xué)作用形成的各種沉積物，如海洋生物的遺體和排泄物等。此外，

15、還有來自宇宙的塵埃等。人類活動進(jìn)入海洋的物質(zhì)也在增加，如污染物質(zhì)和投放的養(yǎng)殖餌料等。在這些物質(zhì)進(jìn)入海洋之前，有各種不同的過程將其運(yùn)送到海洋。為了區(qū)別于海洋的輸運(yùn)過程，我們將進(jìn)入海洋之前的過程稱為搬運(yùn)過程。搬運(yùn)過程主要有三種：陸源物質(zhì)主要由河流搬運(yùn)入海；風(fēng)攜帶大量的微小顆粒物質(zhì)遠(yuǎn)距離搬運(yùn)到世界各地的海洋，通過海面進(jìn)入海洋；在海冰覆蓋的區(qū)域，陸緣冰和河冰會凍結(jié)較大的石塊和其他陸源物質(zhì)進(jìn)入海洋，并搬運(yùn)到遠(yuǎn)處的冰區(qū)，當(dāng)海冰融化時(shí)進(jìn)入海洋。進(jìn)入海洋中的顆粒大、重量大的物質(zhì)將直接就近沉積到海底，幾乎不受海洋動力條件的影響。而細(xì)顆粒物質(zhì)到達(dá)海中將受到海洋動力條件的作用，向遠(yuǎn)方輸運(yùn)。河口附近的沉積河口附近的沉

16、積由河流搬運(yùn)入海的陸源物質(zhì)主要是泥沙，絕大多數(shù)在河口區(qū)附近沉積下來。海水由河流搬運(yùn)入海的陸源物質(zhì)主要是泥沙，絕大多數(shù)在河口區(qū)附近沉積下來。海水的攜沙能力與流速有關(guān)，流速越大，攜沙能力越大。河流在流動過程中流速的攜沙能力與流速有關(guān)，流速越大，攜沙能力越大。河流在流動過程中流速高，具有很強(qiáng)大攜帶泥沙的能力，使大量泥沙隨流而下。到達(dá)河口后，受海高，具有很強(qiáng)大攜帶泥沙的能力，使大量泥沙隨流而下。到達(dá)河口后，受海洋的阻攔，河流速度驟減，攜沙能力大幅下降，泥沙迅速沉積下來。河流入洋的阻攔，河流速度驟減，攜沙能力大幅下降，泥沙迅速沉積下來。河流入海的泥沙密度大，進(jìn)入海洋后迅速下沉，到達(dá)河口附近的海底。高密度

17、的泥海的泥沙密度大，進(jìn)入海洋后迅速下沉，到達(dá)河口附近的海底。高密度的泥沙在河口附近形成密度流，也稱異重流，沿海底向更深的水域流動，呈扇形沙在河口附近形成密度流，也稱異重流，沿海底向更深的水域流動，呈扇形向河口之外的海域擴(kuò)展。向河口之外的海域擴(kuò)展。河口入海的泥沙短時(shí)間內(nèi)并不能形成穩(wěn)定沉積，而是很容易受潮流的影響而發(fā)生河口入海的泥沙短時(shí)間內(nèi)并不能形成穩(wěn)定沉積，而是很容易受潮流的影響而發(fā)生移動。潮流的流速呈現(xiàn)周期性變化，在淺水水域，潮流強(qiáng)時(shí)攜沙能力增大，移動。潮流的流速呈現(xiàn)周期性變化，在淺水水域，潮流強(qiáng)時(shí)攜沙能力增大，可以使不穩(wěn)定沉積的泥沙再懸浮起來，隨潮流輸運(yùn)；當(dāng)潮流減弱時(shí)，海水中可以使不穩(wěn)定沉積

18、的泥沙再懸浮起來，隨潮流輸運(yùn)；當(dāng)潮流減弱時(shí)，海水中的泥沙就會沉降到海底。潮流的周期性變化形成了未穩(wěn)定沉積底質(zhì)的間歇式的泥沙就會沉降到海底。潮流的周期性變化形成了未穩(wěn)定沉積底質(zhì)的間歇式輸運(yùn)。這種在海底附近隨潮流間歇式移動的沉積物質(zhì)在工程上稱為推移質(zhì)。輸運(yùn)。這種在海底附近隨潮流間歇式移動的沉積物質(zhì)在工程上稱為推移質(zhì)。隨著進(jìn)入海底物質(zhì)量的增大，推移質(zhì)厚度加大，不穩(wěn)定沉積層底部的水逐漸隨著進(jìn)入海底物質(zhì)量的增大，推移質(zhì)厚度加大，不穩(wěn)定沉積層底部的水逐漸排出，形成穩(wěn)定的沉積層，長久沉積下來。在夏季豐水期入海物質(zhì)多，可以排出，形成穩(wěn)定的沉積層，長久沉積下來。在夏季豐水期入海物質(zhì)多，可以迅速形成穩(wěn)定沉積，成為

19、河流造陸過程的重要組成部分。象黃河這樣的高泥迅速形成穩(wěn)定沉積，成為河流造陸過程的重要組成部分。象黃河這樣的高泥沙河流，每年都會由于泥沙的快速沉積形成新的陸地，使海岸線向外移動。沙河流，每年都會由于泥沙的快速沉積形成新的陸地，使海岸線向外移動。 風(fēng)暴是影響穩(wěn)定沉積的重要因素。 （1風(fēng)暴將更大的能量輸入海洋，通過風(fēng)暴的壓力擾動將穩(wěn)定沉積一段時(shí)間的沉積物再次掀起，使之重新回到不穩(wěn)定沉積狀況，這種情況通常稱為風(fēng)暴沖刷。 （2風(fēng)暴引起的巨浪作用在海岸上，會使岸線附近穩(wěn)定沉積破壞掉，使一些穩(wěn)定沉積的泥沙回到海洋，這個(gè)過程成為岸線侵蝕。 沖刷和侵蝕是近岸海域沉積過程的破壞性因素。影響沉積的其他因素懸浮在海水

20、中的泥沙稱為懸移質(zhì)。一些密度低的細(xì)小泥沙顆?？梢蚤L期懸浮在海水中，隨海水的運(yùn)動而移動。更多的懸移質(zhì)是細(xì)顆粒的泥沙，能夠使這些泥沙懸浮的最小流速為啟動流速。當(dāng)潮流速度達(dá)到啟動流速后，這些泥沙懸浮到海水中；而當(dāng)潮流速度低于啟動流速后，這些泥沙再次沉降到海底。因此，懸移質(zhì)和推移質(zhì)頻繁發(fā)生物質(zhì)交換，沉積泥沙在懸移質(zhì)和推移質(zhì)之間依潮周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換。近岸海域的潮流呈現(xiàn)往復(fù)式運(yùn)動，懸浮泥沙隨往復(fù)式潮流在沿岸水域運(yùn)動，并沿著余流的方向向遠(yuǎn)離河口的方向輸運(yùn)，形成沿岸的渾濁水帶，稱為沖淡水。沖淡水可以運(yùn)移到遠(yuǎn)離河口的海域。流量大的江河沖淡水除了沿岸輸運(yùn)之外，還會向遠(yuǎn)海擴(kuò)展。長江沖淡水在沿岸方向可以擴(kuò)展300km以上

21、，在垂直于岸線的方向上也可以擴(kuò)展到濟(jì)州島海域，甚至進(jìn)入日本海。陸架海域的沉積陸架海域的沉積沒有在近岸海域沉積下來的泥沙由海洋中的潮流和沒有在近岸海域沉積下來的泥沙由海洋中的潮流和余流向遠(yuǎn)離海岸的方向輸運(yùn)。輸運(yùn)到遠(yuǎn)方的物質(zhì)余流向遠(yuǎn)離海岸的方向輸運(yùn)。輸運(yùn)到遠(yuǎn)方的物質(zhì)在沖淡水中以懸移質(zhì)的形式存在。沖淡水?dāng)y帶的在沖淡水中以懸移質(zhì)的形式存在。沖淡水?dāng)y帶的泥沙最終將在潮流較弱的海域結(jié)束懸浮狀態(tài)，沉泥沙最終將在潮流較弱的海域結(jié)束懸浮狀態(tài)，沉降到海底成為沉積物。遠(yuǎn)離海岸的海域水深較大，降到海底成為沉積物。遠(yuǎn)離海岸的海域水深較大，潮流較弱，為入海物質(zhì)在陸架海域沉積創(chuàng)造了條潮流較弱，為入海物質(zhì)在陸架海域沉積創(chuàng)造了

22、條件。泥沙顆粒越小，啟動流速越小，就可以輸送件。泥沙顆粒越小，啟動流速越小，就可以輸送到更遠(yuǎn)的地方。因此，陸架海域的沉積是一個(gè)篩到更遠(yuǎn)的地方。因此，陸架海域的沉積是一個(gè)篩選過程，顆粒越大的泥沙沉積的范圍越小，小顆選過程，顆粒越大的泥沙沉積的范圍越小，小顆粒泥沙的沉積范圍較大。粒泥沙的沉積范圍較大。在風(fēng)暴的強(qiáng)擾動情況下，陸架海域的沉積物也存在在風(fēng)暴的強(qiáng)擾動情況下，陸架海域的沉積物也存在再次懸浮等問題，但隨水深的增大，風(fēng)暴的影響再次懸浮等問題，但隨水深的增大，風(fēng)暴的影響逐漸減小，因而有利于形成穩(wěn)定的沉積層。逐漸減小，因而有利于形成穩(wěn)定的沉積層。 陸架海盆相互作用陸架海盆相互作用進(jìn)入大洋中的物質(zhì)主要

23、來自陸架海域，陸架上河流入海的物質(zhì)會向海盆進(jìn)入大洋中的物質(zhì)主要來自陸架海域，陸架上河流入海的物質(zhì)會向海盆中輸運(yùn)，稱為陸架海盆相互作用，也稱為陸海相互作用。陸架上的物中輸運(yùn)，稱為陸架海盆相互作用，也稱為陸海相互作用。陸架上的物質(zhì)有幾種方式進(jìn)入深海。一種是繼續(xù)以懸移質(zhì)的方式運(yùn)移，進(jìn)入深海質(zhì)有幾種方式進(jìn)入深海。一種是繼續(xù)以懸移質(zhì)的方式運(yùn)移，進(jìn)入深海水體。當(dāng)遇到強(qiáng)流時(shí)，加入強(qiáng)流向遠(yuǎn)方輸運(yùn)。離開強(qiáng)流帶后，由于大水體。當(dāng)遇到強(qiáng)流時(shí)，加入強(qiáng)流向遠(yuǎn)方輸運(yùn)。離開強(qiáng)流帶后，由于大洋海流流動弱，有利于懸移質(zhì)的沉降，形成大洋沉積物。因此，大洋洋海流流動弱，有利于懸移質(zhì)的沉降，形成大洋沉積物。因此，大洋沉積物里也體現(xiàn)了

24、洋流的運(yùn)動特點(diǎn)，在古海洋學(xué)中可以通過沉積物的沉積物里也體現(xiàn)了洋流的運(yùn)動特點(diǎn)，在古海洋學(xué)中可以通過沉積物的組分分析確認(rèn)其來源和流路。組分分析確認(rèn)其來源和流路。沉積在陸架上的不穩(wěn)定沉積物在遇到斜度較大的坡面、溝槽或海底峽谷沉積在陸架上的不穩(wěn)定沉積物在遇到斜度較大的坡面、溝槽或海底峽谷時(shí)會順坡而下，形成沿海底流動的密度流有時(shí)稱為濁流），直接進(jìn)時(shí)會順坡而下，形成沿海底流動的密度流有時(shí)稱為濁流），直接進(jìn)入深海，形成海底的陸源物質(zhì)沉積區(qū)。切割陸架外緣和陸坡的海底峽入深海，形成海底的陸源物質(zhì)沉積區(qū)。切割陸架外緣和陸坡的海底峽谷就是輸送沉積物的重要通道，在峽谷底部通常出現(xiàn)呈扇形的沉積區(qū)谷就是輸送沉積物的重要通

25、道，在峽谷底部通常出現(xiàn)呈扇形的沉積區(qū)域，稱為深海沖積扇。密度流是將沉積物從陸架邊緣搬運(yùn)到深海區(qū)的域，稱為深海沖積扇。密度流是將沉積物從陸架邊緣搬運(yùn)到深海區(qū)的主要機(jī)制。主要機(jī)制。陸架向海盆輸送的不僅是泥沙，還有大量水體，含有來自陸源的豐富營陸架向海盆輸送的不僅是泥沙，還有大量水體，含有來自陸源的豐富營養(yǎng)物質(zhì)，成為大洋營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。浩瀚的海洋中除了其內(nèi)部生養(yǎng)物質(zhì)，成為大洋營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源。浩瀚的海洋中除了其內(nèi)部生物量的轉(zhuǎn)化之外，沒有其他的營養(yǎng)物質(zhì)來源，大洋中新增的營養(yǎng)物質(zhì)物量的轉(zhuǎn)化之外，沒有其他的營養(yǎng)物質(zhì)來源，大洋中新增的營養(yǎng)物質(zhì)幾乎全部來自陸地。因此，陸架海盆相互作用是供養(yǎng)大洋的重要物質(zhì)

26、幾乎全部來自陸地。因此，陸架海盆相互作用是供養(yǎng)大洋的重要物質(zhì)輸運(yùn)過程。輸運(yùn)過程。來自海洋表面的沉積來自海洋表面的沉積除了來自陸源的沉積物之外，主要的沉積物質(zhì)來自大氣，大除了來自陸源的沉積物之外，主要的沉積物質(zhì)來自大氣，大氣可以搬運(yùn)各種細(xì)小顆粒進(jìn)入海洋。來自陸地上的塵土、氣可以搬運(yùn)各種細(xì)小顆粒進(jìn)入海洋。來自陸地上的塵土、來自沙漠的巖石碎屑、來自火山的火山灰和氣溶膠、來自來自沙漠的巖石碎屑、來自火山的火山灰和氣溶膠、來自人類活動的炭黑顆粒等，都可以進(jìn)入大氣層，隨風(fēng)搬運(yùn)到人類活動的炭黑顆粒等，都可以進(jìn)入大氣層，隨風(fēng)搬運(yùn)到海洋上空。在適宜的氣象條件下，大氣攜帶的顆粒物質(zhì)發(fā)海洋上空。在適宜的氣象條件下，

27、大氣攜帶的顆粒物質(zhì)發(fā)生沉降，到達(dá)海面并進(jìn)入海洋。生沉降，到達(dá)海面并進(jìn)入海洋。能夠由大氣攜帶的物質(zhì)都具有顆粒小的特點(diǎn)，在海洋中通常能夠由大氣攜帶的物質(zhì)都具有顆粒小的特點(diǎn)，在海洋中通常不會很快沉積下來，而是會隨著洋流加入海洋循環(huán)。離開不會很快沉積下來，而是會隨著洋流加入海洋循環(huán)。離開洋流之后，在相對平靜的海洋條件下，逐漸下沉到達(dá)海底，洋流之后，在相對平靜的海洋條件下，逐漸下沉到達(dá)海底，形成海底的沉積層。因此，海底沉積物記錄著歷史上發(fā)生形成海底的沉積層。因此，海底沉積物記錄著歷史上發(fā)生的重要大氣過程，是我們研究古海洋學(xué)和古氣候的重要數(shù)的重要大氣過程，是我們研究古海洋學(xué)和古氣候的重要數(shù)據(jù)源。據(jù)源。海洋

28、生物物質(zhì)的沉積海洋生物物質(zhì)的沉積海洋中生物繁殖過程產(chǎn)生大量物質(zhì)，包括動植物的殘骸，動物的糞便，海洋中生物繁殖過程產(chǎn)生大量物質(zhì)，包括動植物的殘骸，動物的糞便，植物的種子等。這些物質(zhì)在海流較弱的時(shí)候也會向下沉降，到達(dá)海底植物的種子等。這些物質(zhì)在海流較弱的時(shí)候也會向下沉降，到達(dá)海底形成沉積物。這些沉積物表征了不同種類海洋生物的生存區(qū)域，是研形成沉積物。這些沉積物表征了不同種類海洋生物的生存區(qū)域，是研究歷史上海洋生態(tài)過程的重要信息。究歷史上海洋生態(tài)過程的重要信息。更為重要的是，海洋浮游植物在繁殖過程中吸收二氧化碳，使海洋成為更為重要的是，海洋浮游植物在繁殖過程中吸收二氧化碳，使海洋成為重要的碳匯，對減

29、輕大氣中二氧化碳含量發(fā)揮重要作用。浮游植物進(jìn)重要的碳匯，對減輕大氣中二氧化碳含量發(fā)揮重要作用。浮游植物進(jìn)入海洋生物的食物網(wǎng)，形成的海洋生態(tài)系統(tǒng)具有特定的固碳能力。然入海洋生物的食物網(wǎng)，形成的海洋生態(tài)系統(tǒng)具有特定的固碳能力。然而，不論是浮游動植物的殘骸還是海洋動物的糞便，一旦在海洋中被而，不論是浮游動植物的殘骸還是海洋動物的糞便，一旦在海洋中被分解，吸收的二氧化碳又會釋放出來，削弱海洋的碳吸收能力，稱為分解，吸收的二氧化碳又會釋放出來，削弱海洋的碳吸收能力，稱為生物地球化學(xué)循環(huán)。海洋沉積過程導(dǎo)致動植物殘骸以顆粒有機(jī)碳的形生物地球化學(xué)循環(huán)。海洋沉積過程導(dǎo)致動植物殘骸以顆粒有機(jī)碳的形式沉積到海底，長

30、期埋藏起來，真正形成了海洋對大氣二氧化碳的吸式沉積到海底，長期埋藏起來，真正形成了海洋對大氣二氧化碳的吸收。收。沉積過程的度量沉積過程的度量海洋動力沉積過程輸運(yùn)的是不融解于水的顆粒物質(zhì)。懸浮性顆粒物質(zhì)的海洋動力沉積過程輸運(yùn)的是不融解于水的顆粒物質(zhì)。懸浮性顆粒物質(zhì)的輸運(yùn)與溶解性物質(zhì)的輸運(yùn)一樣，也需要知道其輸運(yùn)與溶解性物質(zhì)的輸運(yùn)一樣，也需要知道其“濃度濃度”，單位為，單位為kg/m3，然后計(jì)算質(zhì)量通量。當(dāng)懸浮物與沉積物通過沉降與再懸浮過，然后計(jì)算質(zhì)量通量。當(dāng)懸浮物與沉積物通過沉降與再懸浮過程相互轉(zhuǎn)換時(shí)，懸浮性物質(zhì)不僅有水平輸運(yùn)通量，而且有垂向輸運(yùn)通程相互轉(zhuǎn)換時(shí)，懸浮性物質(zhì)不僅有水平輸運(yùn)通量，而且有

31、垂向輸運(yùn)通量。垂向輸運(yùn)通量表征了轉(zhuǎn)換效率。量。垂向輸運(yùn)通量表征了轉(zhuǎn)換效率。了解各種物質(zhì)在海洋中的沉積需要施放儀器到海底直接采集沉積物樣品，了解各種物質(zhì)在海洋中的沉積需要施放儀器到海底直接采集沉積物樣品，通過對樣品的分析，了解沉積物成分和結(jié)構(gòu)。然而，如果需要了解沉通過對樣品的分析，了解沉積物成分和結(jié)構(gòu)。然而，如果需要了解沉積速率，需要在海洋中布放帶有沉積物捕獲器的潛標(biāo)，直接采集下沉積速率，需要在海洋中布放帶有沉積物捕獲器的潛標(biāo)，直接采集下沉過程中的物質(zhì)，直接測量沉積率。過程中的物質(zhì)，直接測量沉積率。到達(dá)海底的不穩(wěn)定沉積物質(zhì)沿海底輸運(yùn)，形成推移輸運(yùn)和密度流輸運(yùn)。到達(dá)海底的不穩(wěn)定沉積物質(zhì)沿海底輸運(yùn)，

32、形成推移輸運(yùn)和密度流輸運(yùn)。這兩種輸運(yùn)方式還無法定量給出，因?yàn)槿狈τ行У挠^測手段和研究手這兩種輸運(yùn)方式還無法定量給出，因?yàn)槿狈τ行У挠^測手段和研究手段。海底沉積物質(zhì)不能融解于水，不能用海洋動力學(xué)方程組來描述。段。海底沉積物質(zhì)不能融解于水，不能用海洋動力學(xué)方程組來描述。因此，我們對推移運(yùn)動和密度流的了解很少。如果我們知道了近底流因此，我們對推移運(yùn)動和密度流的了解很少。如果我們知道了近底流動的流速、物質(zhì)濃度和流動的截面積，仍然可以計(jì)算這些物質(zhì)的輸運(yùn)動的流速、物質(zhì)濃度和流動的截面積，仍然可以計(jì)算這些物質(zhì)的輸運(yùn)量。量。各種沉積動力過程的差異 河口附近的沉積河口附近的沉積 陸架海域的沉積陸架海域的沉積 陸

33、架海盆相互作用陸架海盆相互作用 來自海洋表面的沉積來自海洋表面的沉積 海洋生物物質(zhì)的沉積海洋生物物質(zhì)的沉積 沉積過程的度量沉積過程的度量13-4 中尺度渦輸運(yùn)大洋中存在的各式各樣的中尺度渦，尺度在10-100km。中尺度渦的形態(tài)和產(chǎn)生機(jī)制在第7章做了介紹。這里，我們強(qiáng)調(diào)中尺度渦的輸送功能。中尺度渦產(chǎn)生于流動的不穩(wěn)定，從流動中分離出來。有的中尺度渦位置不變，這樣的中尺度渦不具有輸運(yùn)功能，而有些中尺度渦則離開主流，向其他海域運(yùn)動。中尺度渦在運(yùn)移過程中攜帶了大量水體，一個(gè)水平尺度為50km，垂直尺度為100m的中尺度渦可以攜帶5106m3的水體，形成了海水的大規(guī)模輸運(yùn)。 中尺度渦的主要能量是其轉(zhuǎn)動動

34、能。有的中尺度渦在產(chǎn)生之后繼續(xù)從主流擷取能量，維持自身的發(fā)展；而從主流分離出去的中尺度渦失去能量的持續(xù)供給，會逐漸走向消亡。 中尺度渦在輸送過程中與周圍的流體有顯著的流速梯度，加強(qiáng)了湍流運(yùn)動，中尺度渦的動能通過湍流運(yùn)動轉(zhuǎn)化為熱能，是中尺度渦的主要消亡機(jī)制。由于中尺度渦攜帶有大量動能，其消亡速度不會很快。有的中尺度渦在耗散性很強(qiáng)的環(huán)境中運(yùn)移，由于失去了能量供給會較快消亡，平均壽命只有幾天-十幾天。而發(fā)生在極區(qū)的渦旋由于海水的耗散很弱，中尺度渦的壽命很長，觀測到的最長壽命的渦大于半年。中尺度渦的運(yùn)移規(guī)律還不是非常清楚，各種不同種類的中尺度渦運(yùn)移機(jī)制很不相同。 中尺度渦對海洋中物質(zhì)的混合有重要貢獻(xiàn)。

35、然而，中尺度渦主要起到輸運(yùn)作用，其本身并不直接參與混合，而是通過兩種方式貢獻(xiàn)于混合，一是在其運(yùn)移過程中渦旋邊緣與周邊海水進(jìn)行混合，二是渦旋消亡后逐漸與周邊海水混合，改變了那里的海水性質(zhì)。 但是，從海洋整體運(yùn)動來看，中尺度渦的輸運(yùn)作用極大地?cái)U(kuò)大了不同水體相互聯(lián)系的尺度，相當(dāng)于形成了海水更大范圍的混合，因此，在理解上有人將中尺度渦輸運(yùn)的結(jié)果認(rèn)為是大尺度混合的結(jié)果。雖然這種比擬在數(shù)學(xué)方法上是可以接受的，但在物理上是有問題的，因?yàn)橹谐叨葴u不是隨處存在的，其運(yùn)移也不是各向同性的。在有些海域存在中尺度渦輸運(yùn)，有些海域沒有。中尺度渦的輸運(yùn)作用還是其主要作用方式。 中尺度渦輸運(yùn)的表達(dá)方式中尺度渦的輸運(yùn)特性決定

36、了這種輸運(yùn)是間歇性的，如果只有一個(gè)渦到達(dá)，只能產(chǎn)生一次性的輸運(yùn)。如果有持續(xù)到達(dá)的中尺度渦，才能徹底改變一個(gè)海域的水體結(jié)構(gòu)。對于連續(xù)輸運(yùn)的物質(zhì)采用通量描述，對于特定長度的時(shí)間可以得到輸運(yùn)的總量，單位是kg。而對于中尺度渦，攜帶的物質(zhì)總量可以直接通過濃度Cv對體積V的積分計(jì)算出來，即在一定的時(shí)間段，可以通過對每個(gè)中尺度渦輸運(yùn)量的積分來計(jì)算總輸運(yùn)量。 dVCMv渦旋引起的水體輸送渦旋引起的水體輸送13-5 物質(zhì)輸運(yùn)對環(huán)境的影響 海洋輸運(yùn)過程與海洋環(huán)境有密切關(guān)系。海洋中有各種各樣的污染物質(zhì)，主要包括：可溶性污染物以化學(xué)需氧量 (COD)或生化需氧量 (BOD)，重金屬的污染物，輕質(zhì)污染物如溢油等）。

37、海洋環(huán)境對污染物質(zhì)有最大容忍度稱為環(huán)境容量。環(huán)境容量定義為：在充分利用海洋的自凈能力和不造成污染損害的前提下，某一特定海域所能容納的污染物質(zhì)的最大負(fù)荷量。環(huán)境容量愈大，可接納的污染物就愈多。污染物質(zhì)的濃度超過環(huán)境容量的限制就形成海洋污染。環(huán)境容量的大小由海域的自凈能力確定。 決定海洋自凈能力的有兩個(gè)主要因素，一個(gè)是海域流動對污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)移能力，一個(gè)是生物過程對污染物質(zhì)的降解能力。流動對污染物質(zhì)的轉(zhuǎn)移能力主要由輸運(yùn)過程來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)有較強(qiáng)凈輸出能力的海域?qū)盐廴疚镔|(zhì)很快輸送到海域之外，形成比較大的環(huán)境容量。然而，一個(gè)區(qū)域較強(qiáng)的凈輸出能力對相鄰的區(qū)域就形成了較強(qiáng)的凈輸入能力，如果這個(gè)區(qū)域沒有能力將

38、這些輸入的污染物質(zhì)有效地排放出去，在該海域?qū)⑿纬晌廴炯訌?qiáng)的局面，使其環(huán)境容量減小。因此，輸運(yùn)過程只是將污染物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他地方，并不能減少海水中污染物質(zhì)的量。比較特殊的是，動力沉積過程本身就包含污染物質(zhì)的沉積，導(dǎo)致一部分污染物質(zhì)脫離海水，在海底沉淀下來，減少了海水中污染物質(zhì)的含量。但是，這種沉積也是污染物質(zhì)轉(zhuǎn)移的一種方式，暫時(shí)地減少了海水中的污染物，一旦遇到強(qiáng)風(fēng)攪拌，沉積的污染物質(zhì)會發(fā)生再懸浮，成為海域的重要污染源。而且，沉積到海底的污染物是潛在的危險(xiǎn)，發(fā)生特殊情況時(shí)，污染物質(zhì)還有可能再次釋放到海洋中。真正能減少污染物質(zhì)總量的是生物降解過程，可以將一些污染物還原成沒有毒性的化學(xué)元素或化合物。13

39、-6 物質(zhì)輸運(yùn)的若干問題 輸運(yùn)與平流的關(guān)系輸運(yùn)與平流的關(guān)系 輸運(yùn)與擴(kuò)散的關(guān)系輸運(yùn)與擴(kuò)散的關(guān)系 輸運(yùn)與分散的關(guān)系輸運(yùn)與分散的關(guān)系 歐拉輸運(yùn)與拉格朗日輸運(yùn)歐拉輸運(yùn)與拉格朗日輸運(yùn)輸運(yùn)與平流的關(guān)系輸運(yùn)與平流的關(guān)系對于融解物質(zhì)的輸運(yùn)是以流動為基本載體的，以體積通量或質(zhì)量通量為對于融解物質(zhì)的輸運(yùn)是以流動為基本載體的，以體積通量或質(zhì)量通量為參量。在海洋動力學(xué)方程組和各種守恒方程中，都存在非線性項(xiàng)，稱參量。在海洋動力學(xué)方程組和各種守恒方程中，都存在非線性項(xiàng)，稱為平流項(xiàng)。由于平流項(xiàng)首先與流動本身有關(guān)，是受流動影響的項(xiàng)。同為平流項(xiàng)。由于平流項(xiàng)首先與流動本身有關(guān)，是受流動影響的項(xiàng)。同時(shí)，平流項(xiàng)又包含物質(zhì)的梯度，如動

40、量分量梯度、溫度梯度、物質(zhì)梯時(shí)，平流項(xiàng)又包含物質(zhì)的梯度，如動量分量梯度、溫度梯度、物質(zhì)梯度等。平流項(xiàng)表達(dá)的是平流對廣義濃度變化的貢獻(xiàn)。例如：平流將溫度等。平流項(xiàng)表達(dá)的是平流對廣義濃度變化的貢獻(xiàn)。例如：平流將溫度不同的水體輸運(yùn)到某點(diǎn)，導(dǎo)致該點(diǎn)溫度的變化。度不同的水體輸運(yùn)到某點(diǎn)，導(dǎo)致該點(diǎn)溫度的變化。然而，如果物質(zhì)是均勻的，即沒有濃度的梯度，則平流項(xiàng)為零，意味著然而，如果物質(zhì)是均勻的，即沒有濃度的梯度，則平流項(xiàng)為零，意味著平流項(xiàng)對物質(zhì)濃度的變化沒有貢獻(xiàn)?？墒窃谶@種情況下，物質(zhì)輸運(yùn)仍平流項(xiàng)對物質(zhì)濃度的變化沒有貢獻(xiàn)。可是在這種情況下，物質(zhì)輸運(yùn)仍然是存在的。因此，物質(zhì)輸運(yùn)表達(dá)的是輸運(yùn)量或輸運(yùn)率，是平流的物然是存在的。因此，物質(zhì)輸運(yùn)表達(dá)的是輸運(yùn)量或輸運(yùn)率，是平流的物理基礎(chǔ)，而平流表達(dá)的是輸運(yùn)對濃度變化的影響。理基礎(chǔ)，而平流表達(dá)的是輸運(yùn)對濃度變化的影響。平流項(xiàng)是非線性項(xiàng)，是流動與濃度梯度的相互作用，對于動量情形，造平流項(xiàng)是非線性項(xiàng)，是流動與濃度梯度的相互作用，對于動量情形，造成了不均勻動量的遷移；對于溫度的情形，造成了不均勻熱量的遷移；成了不均勻動量的遷移；對于溫度的情形，造成了不均勻熱量的遷移；對于物質(zhì)的情形，造成了不均勻物質(zhì)的遷移。流動帶動不均勻的物質(zhì)對于物質(zhì)的情形，造成了不均勻物質(zhì)的遷移。流動帶動不均勻的物質(zhì)移動，改變了不均勻物質(zhì)的分布。移動，改變了不均勻物質(zhì)的分布