第3章海水性質(zhì)

1、海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(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，微觀上來講是物表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來講是物體分子熱運動的劇烈程度體分子熱運動的劇烈程度 單位：單位： K， K = + 273.15 壓強壓強 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：單位：Pa，hPa，bar，dbar（分巴）（分巴） 深度為深度為1 m的海水，所產(chǎn)生的壓強約為的海水，所產(chǎn)生的壓強約為1 dbar5310 Pa10 hPa1bar10dbar

2、 1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 絕對鹽度絕對鹽度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，絕對鹽度無法直接測量絕對鹽度無法直接測量 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，將有機物全將溴和碘化物轉(zhuǎn)化為氯化物，將有機物全部氧化之后，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. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 氯度氯度 通過測量海水氯含量，計算鹽度通過測量海水氯含量，計算鹽度 實用鹽度實用鹽度 根據(jù)海水的根據(jù)海水的電導率電導率、溫度、壓強，計算、溫度、壓強，計算

3、鹽度鹽度 單位單位 g/kg，psu0.030+1.805ClS1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(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. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(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：單位：J/J/ 比熱容比熱容：單位質(zhì)量海水的熱容：單位質(zhì)量海水的熱容。單位：單位：J/(kgJ/(kg

4、) ) 定壓比熱定壓比熱Cp:Cp:在一定壓力下測定的比熱容。在一定壓力下測定的比熱容。 定容比熱定容比熱Cv:Cv:在一定體積下測定的比熱容。在一定體積下測定的比熱容。 pqmct1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(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. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(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/ 沸點沸點 海水沸騰時的臨界溫度，海

5、水沸點隨海海水沸騰時的臨界溫度，海水沸點隨海水鹽度升高而升高水鹽度升高而升高1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 冰點冰點 海水結(jié)冰時的溫度，海水冰點隨著鹽度海水結(jié)冰時的溫度，海水冰點隨著鹽度的增加而降低的增加而降低1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì)撒鹽防凍撒鹽防凍 絕熱過程絕熱過程 是指與周圍環(huán)境之間沒有熱量交換并且沒有是指與周圍環(huán)境之間沒有熱量交換并且沒有質(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，絕熱上升到海海洋中某一深度的海水微團，絕熱上升到海面時所具有的溫度面時所具有的溫度 由于溫度受壓強影響，因此需要將溫度放在由于溫度受壓強影響，因此需要將溫

6、度放在同一參考面上進行比較同一參考面上進行比較 位密位密 q q 海水微團絕熱上升到海面時的密度海水微團絕熱上升到海面時的密度1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 熱傳導熱傳導 相鄰海水溫度不同時，由于海水分子或海水塊相鄰海水溫度不同時，由于海水分子或海水塊體的交換，會使熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移體的交換，會使熱量由高溫處向低溫處轉(zhuǎn)移tqn 1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 熱傳導分類熱傳導分類 由分子的隨機運動引起的熱傳導，稱為分子熱傳由分子的隨機運動引起的熱傳導，稱為分子熱傳導。導。 主要與海水的性質(zhì)有關(guān)，主要與海水的性質(zhì)有關(guān)， 由海水塊體的隨機運動所引起，則稱為渦動

7、熱傳由海水塊體的隨機運動所引起，則稱為渦動熱傳導或湍流熱傳導。導或湍流熱傳導。 取決于海水的運動狀況，取決于海水的運動狀況， 類似于熱量的傳導，鹽量也能擴散傳輸，也有分類似于熱量的傳導，鹽量也能擴散傳輸，也有分子鹽擴散和渦動鹽擴散。子鹽擴散和渦動鹽擴散。1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì)110.6 W mC 231110 10 W mC 海水的粘滯性海水的粘滯性 當相鄰兩層海水當相鄰兩層海水相對運動相對運動時，由于水分時，由于水分子的不規(guī)則運動或者海水塊體的隨機運子的不規(guī)則運動或者海水塊體的隨機運動，在兩層海水之間便有動量傳遞，從動，在兩層海水之間便有動量傳遞，從而產(chǎn)生而產(chǎn)生切應力

8、切應力。vn 為動力學粘滯系數(shù)，為動力學粘滯系數(shù)，n為兩層海水界面的法為兩層海水界面的法線方向線方向/ / 為運動學粘滯系數(shù)為運動學粘滯系數(shù)1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì)SeaWater toolbox by Matlab 1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì)如何計算海水的熱學和力學參數(shù)如何計算海水的熱學和力學參數(shù)Matlab位溫函數(shù)位溫函數(shù)1. 海水的熱學和力學性質(zhì)海水的熱學和力學性質(zhì) 海冰分類海冰分類 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 按運動狀態(tài)可分為固定冰和?。鳎┍?/p>

9、按運動狀態(tài)可分為固定冰和浮（流）冰兩大類兩大類 鹽析鹽析 海水形成海冰的過程中，有大量的鹽分海水形成海冰的過程中，有大量的鹽分釋放出來排入海洋，造成局地海水密度釋放出來排入海洋，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. 海冰海冰太陽輻射太陽輻射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年達到極小 2. 海冰海冰北冰洋北冰洋海冰減少的速度超過了模式的預期海冰減少的速度超過了模式的預期2. 海冰海冰太陽輻射太陽輻射海海 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輻射太陽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輻射太陽輻射 Q QS S太陽表面溫度高達太陽表面溫度高達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% 可見光可見光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）： 任何溫度高于絕對零度的物體都能以輻射的形式向任何溫度高于絕對零度的物體都能以輻射的形式向外釋放能量，它與絕對溫度外釋放能量，它與絕對溫度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)。對透明體，對透明體，F(xiàn)=0F=0；對絕對黑體，；對絕對黑體，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與輻射體表面的絕對溫度成反比。輻射能量的最大波長與輻射體表面的絕對溫度成反比。 其中，其中，C=2898C=2898（ m mk k）太陽的溫度高，波長小，因此被稱為太陽的溫度高，波長小，因此被稱為短波輻射短波輻射大氣或海洋的溫度相對較低，波長大，被稱為大氣或海洋的溫度相對較低，波長大，被稱為長長波輻射波輻射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、太陽高度角、太陽高度角 太陽光線

13、與地球觀測太陽光線與地球觀測 點的切線之間的夾角點的切線之間的夾角3. 大洋的熱量與水量平衡大洋的熱量與水量平衡4) 4) 海面太陽輻射分布圖海面太陽輻射分布圖熱帶短波輻射強，向兩極方向遞減熱帶短波輻射強，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：海面向大氣的長波輻射與大氣向海定義：海面向大氣的長波輻射與大氣向海洋的長波輻射之差。洋的長波輻射之差。 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輸運水平熱水平熱輸運輸運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 海洋與外界長期進行水量交換，水量收支海洋與外界長期進行水量交換，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) 水的來源幾乎完全靠地球自身，又在地球水的來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)，稱為水循環(huán)。系統(tǒng)自身之內(nèi)周游循環(huán)，稱為水循環(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，同時又使海洋失蒸發(fā)不僅使海洋失去熱量，同時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使海洋水量相反，凍結(jié)在陸

16、地上冰的融化會使海洋水量增加增加5 5、海流、海流 海水的流入和流出會影響水量海水的流入和流出會影響水量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 對整個世界大洋、全年或多年平均：對整個世界大洋、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)線方向斷面上的溫度分布經(jīng)線方向斷面上的溫度分布4. 大洋溫、鹽、密的分布大洋溫、鹽、密的分布溫度廓線溫度廓線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 由于受動力及熱力因素的作用，引起強由于受動力及熱力因素的作用，引起強烈混合，在海表形成一個烈混合，在海表形成一個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密集的區(qū)域垂直方向上等溫線密集的區(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)線方向斷面經(jīng)線方向斷面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