《海洋科学导论》第四章 海洋中的热收支和水平衡

1、第四章 海洋中的热收支和水平衡大气海洋相互作用D.Zhao,OUC1大气海洋的热收支平衡万物生长靠太阳，干革命靠。大气可直接吸收1/5的太阳辐射，1/5被大气反射太阳辐射的1/2被陆地和海洋吸收，暂时储存在地球表面被海洋吸收的热量，大部分通过蒸发和红外辐射传递给大气海洋剩余的热量通过海流传递到其他地方，特别是中纬度地区D.Zhao,OUC2大气海洋的热收支平衡热带海洋是驱动大气环流的主要热源海洋夏天吸收热量、冬天放出热量对气候起到调节作用由海流传递的热量不稳定，传递过程中会发生剧烈的变化，从而引发气候变化D.Zhao,OUC3海-气界面热收支通过海-气界面的各种能量通量之和必须为0，否则会海洋

2、会被加热或冷却热收支：进入和逸出某水体的各种热通量之和海面热收支的主要因子有：太阳辐射、海面有效回辐射（红外）、蒸发或凝结潜热和感热交换热通量的单位为watts/m2，乘以海面面积即为能量焦耳joulesD.Zhao,OUC4物体的辐射辐射：自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式，称为辐射辐射能：物体通过辐射所放出的能量不论物体(气体)温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。辐射能被物体吸收时发生热的效应，物体吸收的辐射能不同，所产生的温度也不同。因此，辐射是能量转换为热量的重要方式。D.Zhao,OU

3、C5各种辐射的波长范围可见光：0.400.76m 红外线：0.76400m1666 年，牛顿第一个揭示了光的色学性质和颜色的秘密 D.Zhao,OUC6辐射定律一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、有反射,黑颜色的物体吸收能力大于白颜色的物体。 如果物体可将全部能量吸收而没有反射，称为绝对黑体。 Stefan-Boltzmann定律 任何高于0K的物体都能以辐射的形式向外释放能量，黑体辐射能与绝对温度的4次方成正比（F为辐射体的透明系数，绝对黑体为1）D.Zhao,OUC7辐射定律维恩位移定律 黑体辐射能量最大的波长与辐射体表面的绝对温度成反比太阳表面温度约为6273K， 对应的波长为0.

4、46m根据恒星发光的颜色可 判断其表面温度D.Zhao,OUC8太阳辐射能太阳辐射波长主要为0.15-4微米，其中最大辐射波长平均为0.5微米，故称短波辐射 太阳表面温度高达6000K以上，地球每年接受太阳辐射能量约为5.5X1024J，相当于人类全年消耗各种能源的8.7万倍！D.Zhao,OUC9太阳辐射强度太阳辐射强度:太阳在单位时间内，垂直投射到单位面积地表上的辐射能量。影响太阳辐射强度的因素：日地距离大气透明度（晴天、阴天）地势高低（地势越高辐射越强？）纬度高低太阳活动的强度D.Zhao,OUC10太阳常数和太阳高度角在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的单位面积上，

5、单位时间内所接受的太阳辐射能量，称为太阳常数。 S0 = 13677w m-2太阳相对于水平面的角度，称为太阳高度（角）D.Zhao,OUC11太阳高度辐射能与太阳高度太阳高度取决于纬度、季节和一天中的时刻夜间有太阳辐射吗？一天的长短取决于纬度D.Zhao,OUC12到达海面的太阳辐射到达海面的太阳辐射与大气透明度和天空中的云量、云状以及太阳高度H有关D.Zhao,OUC13到达海面的太阳辐射Qs0 无云时达海面的总辐射，C为云覆盖率，h为太阳高度As为海面反射率。均值为7%，低纬海区小，高纬海区大吸收太阳辐射能的截面面积取决于太阳高度D.Zhao,OUC14进入海水中的辐射能到达海面的总辐射

6、能，并未完全进入海水中，其中有一部分被海面反射回天空进入海水中的辐射能随深度迅速减小太阳辐射在水深10m处降为16%，仅有1%可达100m水深处1米深处剩45%10米深处剩16%100米深处剩1%D.Zhao,OUC15进入海面的太阳辐射进入海面的太阳辐射能的年平均值在30260W/m2之间晴天时进入海洋辐射能的月平均值D.Zhao,OUC16到达海面的太阳辐射能随时间和纬度的变化总辐射能由太阳高度和日照时间共同确定纬度越高，总辐射能随季节变化越剧烈D.Zhao,OUC17到达海面的太阳辐射夏半年各纬度上的太阳高度均高于冬半年，夏半年的日照时间也随着纬度的增高而延长冬半年则完全相反总辐射能为何

7、夏季随纬度变化远没有冬季剧烈？导致北半球大洋水温南北方向的梯度冬季大于夏季的原因是什么？D.Zhao,OUC18海面有效回辐射Qb世界大洋表层的平均温度为17.4C，由恩维定律，海洋向大气辐射最强的波长为10m，故称长波辐射海洋向大气的长波辐射，大部分被大气中的水汽和二氧化碳所吸收大气的平均温度为13.7C，也以长波辐射的方式向四周辐射，向下的部分称为大气回辐射，几乎全部被海洋吸收海面的长波辐射与大气回辐射之差称为海面有效回辐射，其值一般为正值，说明海洋失去能量D.Zhao,OUC19海面有效回辐射海面有效回辐射主要取决于海面水温、海上水汽含量和云的特征当海面温度一定时，海面有效回辐射随相对湿

8、度增大而减小（？）当相对湿度一定时，海面有效回辐射随海面温度升高而减小（？）为什么冬季早晨阴天时比晴天时暖和？当天空有云时，大气回辐射强，海面有效回辐射减小 炎热的热带比寒冷的极地损失的红外辐射相对要少（？）D.Zhao,OUC20海面有效回辐射由于海面水温和海面上方的相对湿度的日变化和年变化相对较小，使得海面有效回辐射的变化较小，年平均有效回辐射大约在30-60w/m2之间平均而言，海洋吸收的太阳短波辐射大于红外辐射所损失的热量，称为辐射平衡热盈余海洋通过辐射获得了热量！盈余的热量以蒸发和热传导交换的形式返回到大气中图中点线为辐射热盈余D.Zhao,OUC21太阳短波辐射、海面有效回辐射和热

9、盈余海洋在辐射过程中获得热量D.Zhao,OUC22地球的温室效应太阳的短波辐射进入海洋，海洋长波辐射加热了大气D.Zhao,OUC23海洋的蒸发潜热海洋每年蒸发掉约126cm厚的海水海面上部气层中在铅直方向上的水汽压差，是维持水蒸发的先决条件通常认为紧贴水面的空气是饱和的，如果海面以上空气层的水汽含量较贴水面空气小，水汽将向上输送，蒸发得以进行海面上方达到饱和时，蒸发停止，甚至产生凝结D.Zhao,OUC24海洋的蒸发蒸发潜热主要受海上风速和相对湿度的影响相对湿度指相同温度下的水汽压与饱和水汽压之比（百分率）海上湿度越大，越利于蒸发吗？海面水温高于近海面大气温度时，有利于热力对流和蒸发进行，

10、反之，则不利于蒸发进行（？）海上风速越大，越利于蒸发进行（？）D.Zhao,OUC25世界大洋的蒸发蒸发潜热公式年平均蒸发潜热为10到130w/m2，海洋失去热量大洋上的蒸发速率是不均匀的，随纬度和季节变化为何赤道海区蒸发量并不是最大？冬季比夏季蒸发量大？图中长划线为QeL为蒸发潜热CE为潜热交换系数q0和qz为海面和高度z处的比湿U10为风速D.Zhao,OUC26海洋的蒸发影响海洋蒸发的因素： A. 海面汽压差 B. 风速 C. 水气温差赤道海区的蒸发量较小（空气中的相对湿度大，风速小）高纬度海区蒸发量小（气温低，大气容纳水汽的能力小）副热带海区（中纬度）蒸发量大（气流下沉区、空气干燥、气

11、温高、风速较大）蒸发量最大的海区在大洋西北部的湾流和黑潮区D.Zhao,OUC27大洋环流示意图黑潮湾流D.Zhao,OUC28海洋蒸发的季节变化海面蒸发有明显的季节变化冬季的蒸发速率最大，几乎到处都大于夏季因为冬季的风速和海面以上的水汽压差比夏季大、水温高于气温、空气层结不稳定所致冬季湾流上方蒸发可达3465 J cm-2d-1,黑潮上方可达2305 J cm-2d-1夏季风从海上吹来，空气湿润，水汽压差较小D.Zhao,OUC29海洋与大气的感热交换感热交换主要取决于海面风速和海-气温差。一般冬季比夏季交换量大（？）年平均的感热通量为2到42w/m2，海洋失去热量世界大洋通过感热交换向大气

12、输送热量，仅相当于辐射平衡热盈余的10%感热通量潜热通量感热通量潜热通量感热通量潜热通量D.Zhao,OUC30D.Zhao,OUC31D.Zhao,OUC32感热、潜热、净辐射和净热通量D.Zhao,OUC33世界大洋的热收支示意图Qs =168 W/m2Qb =390-324=66Qe =78Qh =24 D.Zhao,OUC34海洋热收支随纬度的变化总体上赤道海区得到热量，高纬度海区失去热量赤道海温为何不持续上升而高纬海域海温持续降低？D.Zhao,OUC35子午热量输送从整体上看，地球在热带得到热量，在极地失去热量大气和海洋环流必须从低纬度向高纬度输送热量以补偿热量的得失，这种南北输送

13、称为子午热量输送海洋环流将热量从赤道输送到中纬度海区，大气环流将热量从中纬度输送到高纬度海区D.Zhao,OUC36海洋热收支随纬度的变化用向极热通量（PHF: polarward heat flux）来描述热量的经向输运D.Zhao,OUC37利用GODAS数据得到的年平均海表净热通量（PW）的空间分布和PHF 河海大学博士论文南北方向的热量输送由大气和海洋共同完成D.Zhao,OUC38海洋内部热交换赤道极地D.Zhao,OUC39海洋内部热交换海洋热机问题 赤道和极地间的水平温差能否驱动深海环流？海面加热效率低？水平方向的热量输送主要通过海流来完成赤道极地D.Zhao,OUC40海洋内部

14、热交换湍流：通过海面上的风、浪和流等引起的湍流混合将海面上的热量向下输送。中尺度冷涡和暖涡引起垂向输送上下对流引起的输送赤道极地D.Zhao,OUC41世界大洋的热量海洋中的全热量平衡 的绝对值越大时，则相应地升温或降温的速率越快， 为零时，对应于温度的极大值或极小值一天中水温最大值出现在午后13时左右，一年中水温最大值出现在8月，而不是6月（北半球）Qs：短波辐射Qb：长波回辐射Qe：蒸发潜热Qh：感热交换QZ：铅直方向的热输送QA：水平方向的热输送D.Zhao,OUC42D.Zhao,OUC4344中国海的海面热平衡中国近海的热量收入来自太阳辐射和海-气界面感热的向下输送，以前者为主海面失

15、热主要是蒸发耗热和海面有效回辐射，感热的向上输送可以忽略蒸发耗热是秋冬季失热的主要途径，海面有效回辐射则为春夏季失热的主要途径全年而言，中国近海海面热通量代数和为负，即海洋失热。所损失的热量主要靠黑潮平流输送热量来补充D.Zhao,OUC海洋中的水量平衡水循环是在地球系统内部进行的海洋中水的收入主要靠降水（Precipitation）、陆地径流（Runoff）和融冰；支出则主要是蒸发（Evaporation）和结冰。结冰和融冰基本达到平衡D.Zhao,OUC45海洋蒸发蒸发使海洋每年平均下降126cm左右蒸发在南、北副热带海区出现两个极大值，可达140cm，赤道海区相对较小，向高纬度海区迅速减

16、小，两极海域不足10cmD.Zhao,OUC46降水降水是海洋水收入的最重要因子赤道附近降水最大，年降水量可达180cm，副热带海区降至60cm，高纬度海域又增多，向极地方向又减小除高纬度和极地海区，降水和蒸发几乎是反相的副热带地区蒸发强烈，但降水相对较小D.Zhao,OUC47大陆径流大陆径流，包括地下水入海是海洋水量收入的另一重要因子进入大西洋的径流最大，可使大西洋海面上升23cm，其中亚马逊河占全球径流量的20%，流经南美7个国家，世界第二长河进入印度洋的径流次之D.Zhao,OUC48大陆径流进入太平洋的最大河流为长江，其径流量仅为亚马逊河的18.9%所有径流量可使太平洋上升7cm三峡

17、大坝D.Zhao,OUC49结冰与融冰结冰与融冰是海洋水平衡中的可逆过程海冰被海水冲击到陆地上使海洋失去水量冻结在陆地上冰的融化使海洋水量增加如果陆地冰全部融化流入海洋，可使海平面上升66m！结冰和融冰的量基本上达到平衡然而，气候变暖后。D.Zhao,OUC50积雪和冰川正在消融！1984200220041875Melted water runs over the Greenlandic icecap D.Zhao,OUC51马尔代夫会消失吗?2009年10月17日，马尔代夫 内阁会议在水下召开，呼吁 大国重视气候变暖问题马尔代夫平均高出海面仅2.1 m！预计50年后会消失 D.Zhao,OU

18、C52世界大洋的水量平衡世界大洋水量平衡方程世界大洋平均而言，R=12cm/a, P=114cm/a, E=126cm/a太平洋的降水和径流之和大于蒸发，水量有盈余大西洋的降水和径流之和小于蒸发，水量有损失北冰洋的蒸发少、径流多，水量有盈余D.Zhao,OUC53全球的蒸发、降水、径流和地下水D.Zhao,OUC54水收支对盐度的影响海洋中水量盈余将使盐度减小，反之使盐度增大蒸发和结冰使海水盐度增大，降雨、径流和融冰使海水盐度减小蒸发和降雨直接影响着海表面盐度的变化，可用下式描述S=34.6+0.0175（E-P） E、P的单位为cm/a在大洋中部，大洋表面盐度分布与E-P的经向分布十分相似D.Zhao,OUC55第四章 回顾（1）影响海面热收支的4个主要因素：太阳辐射、海面有效回辐射、潜热和感热交换任何温度大于绝对零度的物体均向外辐射电磁能量。为何太阳辐射称为短波辐射、海洋和大气辐射称为长波辐射？太阳辐射的1/5被大气吸