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1 海洋科学导论海洋科学导论 复习提纲复习提纲 第一节第一节 1 地球限度 地球限度 Planetary boundariesPlanetary boundaries safe operating space for humanity 是指 地球是有限的 人类活动安全运作的空间只能在此限度内 地球限度指的是引发不可逆 突发环境变化的临界值 超过这个环境变化的临界值 将造成地球系统的不稳定 行成当 前和未来社会的风险 2009 年科学家指出 9 大地球限度 气候变迁 生物多样性的丧失 物 种灭绝或生物圈完整性的改变 臭氧破坏 海洋酸化 生物地球化学循环的改变 N P 循环的改变 土地系统的改变 全球淡水的使用 化学污染 悬浮微粒污染 大气中气 溶胶浓度及影响气候和生物的微粒 2 据科学家判断人类可能跨越的四项地球限度科学家判断人类可能跨越的四项地球限度 气候变迁 climate change 生物 多样性 biodiversity loss 氮磷循环 nitrogen cycle and phosphorus cycle 森 林砍伐与土地使用变更 deforestation and other land use changes 3 人类世人类世 AnthropoceneAnthropocene 从地质年代上看 目前所处的年代属于 全新世 Holocene 大约已经有 11000 年的历史 许多证据都表明 在 1950 年以后的几十年中 包括人口的增加 环境污染 大都市的急剧扩张 化石燃料的使用 矿山开采等在内的人 类的活动 都给我们的地球带来了前所未有的改变 50 年来 地球的风化率 大气中二氧 化碳含量 全球气温和海平面都发生了显著变化 臭氧层也遭到难以修复的损坏 地球的 生物多样性也遭到严重破坏 这一切都与全新世 10000 多年来变化的趋势截然不同 2000 年 诺贝尔化学奖得主保罗 克鲁岑首次提出 人类世 Anthropocene 的概念 他认 为 人类已经生活在新的地质时期 其对环境的影响远大于自然循环 成为地球环境变化 最重要的影响因素 4 结合自己所学的海洋基础科学知识谈谈海洋对地球限度的影响 如气候变化 生物 地球化学循环 海洋酸化等 第一章第一章 绪论绪论 1 地球科学 以地球为研究对象的科学体系 包括自地心至地球外层空间十分广阔的 范围的一个开放的复杂巨系统的一门科学 2 地球科学的特点和研究方法 1 地球系统过程具有明显的全球性 全球范围的调查研究和观察测试方法 国际岩石圈计划 深海钻探计划 大洋钻探计划 世界气候计划 国际地圈生物圈计划 等 2 地球系统内地学过程发生的时间和空间尺度差别极大 研究方法 将今论古 的 现实主义原则和方法 3 地理学 研究地球表面自然现象 人文现象以及他们之间的相互关系和区域分异的 学科 地球表面 大气圈 岩石圈 生物圈 智能圈相互交接的界面 4 地质学 关于地球的物质组成 内部结构 外部特征 各圈层间的相互作用和演变 历史的知识体系 研究对象包括 地球的内 外圈层 矿物和岩石 地层和古生物 地质 构造和地质作用 此外涉及到大气圈 水圈 生物圈 地幔物质 地外物质等 5 大气科学 研究大气的各种现象及人类活动对他的影响 这些现象的演变规律 以 及如何利用这些规律为人类服务的一门综合性学科 2 6 水文科学 关于地球上水的起源 存在 分布 循环 运动等变化规律和运用这些 规律为人类服务的知识体系 7 海洋科学 研究地球上海洋的自然现象 性质以及其变化规律 以及和开发与利用 海洋有关的知识体系 海洋科学的研究对象 海洋 海水 海水的组成 海洋生物以及海洋的边界 海洋 沉积 海底岩石圈 河口 海岸带 海面上的大气等 研究内容 海水的运动规律 海洋中的物理 化学 生物和地质过程及其相互作用的 基础理论 海洋资源的开发 利用 海洋军事活动应用研究等 8 海洋科学研究对象的特点 1 海洋科学研究对象具有特殊性和复杂性 2 作为 一个物理系统 海洋中水 汽 冰的转化时刻都在进行 3 海洋作为一个自然体系 具有多层次耦合的特点 9 海洋科学研究的特点 1 海洋科学研究明显依赖于直接观测 2 信息论 控制 论 系统论等方法在海洋学研究中的作用显著 3 学科分支细化且相互交叉和渗透 综 合与整体化研究日趋明显 10 斯韦尔德鲁普 约翰逊和福来明合著的 海洋 一书 对海洋科学的发展和研究 全面而系统地进行了总结 被誉为海洋科学建立的标志被誉为海洋科学建立的标志 第二章第二章 地球系统与海底科学地球系统与海底科学 1 大地水准面 在海洋中不考虑波浪 潮汐和海流的存在 海水完全静止时的海面 在大陆是静止海面向大陆之下延伸的假象面 2 地球固体表面以上 根据物质性状可以分为大气圈 水圈和生物圈 3 地球外部圈层与内部圈层是怎样划分的 它们之间的内在联系和区别 以地球固体表面为界的 联系 外圈与内圈通过地表进行着能量与物质的交换 4 根据温度 密度等大气物理特征自下而上分为 对流层 平流层 中间层 暖层 和散逸层 5 根据地震波传播方向和速度变化 可将地球分为地壳 地幔和地核 6 莫霍面 M 面 7 古登堡界面 G 面 8 软流圈 60 250km 之间地震波速度减低的地带 平均密度为 3 5g Cm3 其物质 成分与石陨石相当 软流圈内因温度增高 接近岩石熔点 岩石呈塑性 降低了 地震波速度 9 洋 10 海 11 海洋和陆地在地表的分布是不均匀的 65 的陆地集中在北半球 陆地占北半球 3 面积的 39 在南半球陆地面积只占 19 12 以经度 0 N38 和经度 180 S47 为极点分割地球 则海陆面积比达到 最大 称 陆半球 和 水半球 陆半球中心位于西班牙东南沿海 水半球中心 位于新西兰东北 13 根据海洋的盐度 温度等要素的特点和形态特征 可将海洋分为主要部分和附属 部分 主要部分为洋 附属部分为海 海湾和海峡 14 洋 大洋 是海洋的主体 远离大陆 面积广阔 约占海洋面积的 90 3 深度 一般大于 2000m 其盐度 温度等不受大陆影响 盐度平均为 35 年变化小 具 有独立的潮汐系统和强大的洋流系统 15 南大洋 南极海域 联合国教科文组织 UNESCO 下属的政府间海洋学委员会 IOC 1970 年的定义 从南极大陆到南纬 40 为止的海域 或从南极大陆起 到亚热带 辐合线明显的连续海域 16 南大洋的特点 1 自成体系的环流系统 2 独特的水团结构 3 世界大洋 底层水团的主要形成区 4 对世界大洋环流起重要作用 17 海 海洋的边缘部分 全世界共有 54 个海 面积占世界海洋面积的 9 7 海的特 点 1 深度较浅 一般在 2000m 以内 2 海洋水文要素受大陆影响 有明显 的季节变化 3 水色低 透明度小 无独立的潮汐和洋流系统 潮汐由大洋传 入 潮差显著 4 有自己的海流环流形式 18 按照海所处的位置可将海分为 陆间海 内海 边缘海 19 陆间海 位于大陆之间的海 其面积和深度较大 有狭窄水道与大洋相通 其物 理化学性质与大洋有明显区别 地中海 加勒比海 20 内海 伸入大陆内部的海 面积较小 水文特征受大陆影响 渤海 波罗的海 21 边缘海 位于大陆边缘 以半岛 岛屿 群岛与大洋分隔 水流交换通畅 东海 日本海 白令海等 22 海湾 大洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域 以入口处海角的连线或入口 处的等深线作为与洋或海的分界 海湾中海水可与毗邻海洋自由沟通 海洋状况 与邻接海洋相似 常出现最大潮差 如我国的杭州湾 最大潮差达 8 9m 23 海水的形成 海水是地球内部物质排气作用的产物 水汽及其它气体通过岩浆活 动和火山作用不断从地球内部排出的 现代火山排出的气体中水汽占 75 24 海水的化学成分 一是来源于大气圈或火山排出的可溶气体 CO2 NH3 Cl2 H2S SO2等 二是来源于陆地或海底岩石的侵蚀 为海水提供 Na Mg2 K Ca2 Li 等阳离子 海水中盐类阴离子 Cl F SO42 HCO3 等是火山排气作用 的产物 岩石侵蚀为海水提供了部分可溶性盐 25 海岸带是海陆交互的地带 水位升高 降低 包括海岸 海滩 水下岸坡三部分 26 海岸 潮上带 是高潮线以上狭窄的陆上地带 大部分时间裸露于海水面上 仅 在特大风暴或暴风浪时才被淹没 又称潮上带 27 海滩 高低潮之间的地带 又称潮间带 4 28 水下岸坡 低潮线以下到波浪作用所能达到的海底部分 潮下带 下限 1 2 波 长水深处 约 10 20m 29 中国海岸带和海涂资源综合调查 简明规程 将中国海岸分为 河口岸 基岩海 岸 砂砾质海岸 淤泥质海岸 珊瑚礁海岸和红树林海岸六种基本类型 30 海滨 从低潮线向上直至波浪所能作用到的陆上最远处之间的海岸范围 包括前 滨和后滨 前滨 介于一般高潮线与低潮线之间的地带 后滨 从大潮平均高潮 位到风暴潮期间为海水覆盖的陆上地带 内滨 从低潮线向海至破波带的外界之 间的地带 外滨 自破波带的外界延伸到大陆架边缘的地带 31 海峡 两端连接海洋的狭窄水道 32 大陆边缘是大陆与海洋之间的过渡带 按构造活动性分为 稳定型大陆边缘和活 动型大陆边缘两大类 33 稳定型大陆边缘特点 无火山活动 极少发生地震 构造稳定 以大西洋两岸的 美洲 欧洲 非洲大陆边缘比较典型 又称大西洋型大陆边缘 此外广泛出现在 印度洋和北冰洋周围 组成 由大陆架 大陆坡 大陆隆三部分组成 34 活动型大陆边缘 活动型大陆边缘与现代板块的汇聚型边界一致 是全球构造活 动最强烈的地带 主要分布在太平洋东 西两侧 又称太平洋型大陆边缘 强烈 而频繁的地震和火山活动 有环太平洋地震带和火山环之称 进一步分为西太平 洋岛弧亚型和安第斯亚型两类 两者都以深邃的海沟与大洋底分界 35 大陆架 路架 陆棚 大陆浅滩 邻接海岸但在领海范围以外深度达 200m 或超 过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床底土以及邻近 岛屿与海岸的类似海底区域的海床和底土 36 大陆坡 是一个分开大陆和大洋的全球性巨大斜坡 其上限是大陆架外缘 陆架 坡折 下限水深变化较大 37 大陆隆 又称大陆裙或大陆基 是自大陆坡坡麓缓缓倾向洋底的扇形地 位于水 深 2000 5000m 由沉积物堆积而成的沉积体 38 岛弧 大陆边缘的岛屿在平面分布上多呈现弧形凸向洋侧 39 海沟 是由于板块的俯冲作用而形成的深水狭长洼地 往往作为俯冲带的标志 40 中央裂谷 大洋中脊的轴部都发育有沿其走向延伸的断裂谷地 向下切入约 1 2 Km 宽至十至一百多千米 41 边缘海 在岛弧亚型大陆边缘 岛弧与大陆 岛弧与岛弧之间的还称为边缘海 又称弧后盆地 42 大洋中脊 又称中央海岭 是指贯穿世界四大洋 成因相同 特征相似的海底山 脉系列 43 太平洋 大西洋和印度洋大洋中脊分别有什么特征 1 大西洋中脊 边坡较陡 位置居中 延伸方向与两岸几乎平行的 S 形 北 支伸入北冰洋的部分成为北冰洋的洋中脊 在勒拿河口附近伸进西伯利亚 全长 17000km 比正常海底高出 1 3km 平均深度 4008m 宽度 1500 2000km 由于它直接与两极海域相连 使它在水团结构和大洋环流上表现 5 与其他大洋有不同的特点 2 位置偏东侧 边坡平缓 在转向东北以前的部分称为太平洋 南极海隆 转向东北以后的部分称为东太平洋海隆 东太平洋海隆的北端通过加利福 利亚湾后 潜没于北美大陆西部 南部向西南绕行 在澳大利亚以南与印 度洋中脊东南支相接 3 印度洋中脊 大致位于大洋中部 但分三支 呈 入 字型展布 北支延 展进入亚丁湾 红海 与东非大裂谷和西亚死海裂谷相通 东南支与太平 洋中脊相接 西南支绕行于非洲以南与大西洋中脊南端相接 44 大洋盆地 大洋盆地 是指大洋中脊坡麓与大陆边缘 大西洋型的大陆隆 活动型的海沟 之间的广阔洋底 约占世界海洋面面积的二分之一 45 边缘海盆 边缘海盆 指沟 弧体系陆侧具有洋壳结构的深水盆地 边缘海盆的形成演 化为 残留型 大西洋型 陆缘张裂型 岛弧张裂型 四个类型 残留型 残留型 在古海洋板块构造演化过程中 由于新的沟弧体系形成而与大洋主体分 隔的古大洋的残留部分 大西洋型 大西洋型 在被动大陆边缘由陆地裂离形成的盆地 陆陆 缘张裂型 缘张裂型 由大洋板块向大陆边缘俯冲引起陆缘张裂形成的盆地 岛弧张裂型 岛弧张裂型 由大洋板块向岛弧俯冲引起岛弧分裂形成的盆地 46 大陆漂移学说大陆漂移学说是由德国气象学家 地质学家魏格纳 A Wegener 综合了当时地质 学 古生物学 古气候学和大陆地形特性提出的 47 两极同源分布 同时出现在南极和北极 南 北温带海区的动物 48 海底扩张学说海底扩张学说是由 Hess 和 Dietz 提出 主要受以下思想的影响 联合古陆的重 建 拼合和大陆漂移 大洋中脊体系和中央裂谷带的形成机制与特征 海洋沉积 物自大洋中脊轴部向两侧逐步变厚 海洋地壳的年轻性 大陆边缘的沟 弧体系 全球地震和火山的活动及分布特点 海底扩张的依据 1 海底磁条带异常 在 中脊轴部位强度较大 向两侧减小 大体上平行大洋中脊的轴线延伸 正负异常 相间排列 对称分布与大洋中脊两侧 2 转换断层的发现 Wilson 指出横断中 脊的断裂带不是一般的平移断层 而是自中脊轴部向两侧的海底扩张所引起的一 种特殊断层 称之为转换断层 3 深海钻探成果 从洋脊向两侧岩石年龄由新 逐渐变老 49 板块构造学说 板块构造学说 板块构造学说归纳了大陆漂移学说和海底扩张学说所取得的成果 并吸取了当时对地球内部岩石圈和软流圈所获得的新认识 从全球的统一角度阐 明了岩石圈活动和演化的许多重大问题 板块构造学说的基本思想是 1 固体地 球表层在垂向上可分为物理性质显著不同的上覆刚性岩石圈和下垫塑性软流圈 2 刚性的岩石圈在侧向上可划分为若干大小不一的板块 它们漂浮在塑性较强的 软流圈上作大规模的水平运动 其驱动力来自地幔物质对流 3 板块内部是相对 稳定的 板块的边缘则由于相邻板块的相互作用而成为构造活动强烈的地带 是 发生构造运动 地震 岩浆活动及变质作用的主要场所 同时也从根本上控制着 各种地质作用的过程 95 地震能量 4 板块运动以水平运动为主 位移可达几 千公里 运动过程中各板块间或分散裂开或碰撞焊合或平移相错 由此决定了全 球岩石圈运动和演化的基本格局 拉张 挤压和剪切 50 大洋沉积 海洋沉积分类具体是指水深分布 成分粒度 和 成因沉积三种主要形 6 式类型 51 泻湖 被沙坝从毗邻海域隔离出来 仍与海洋沟通或有限沟通的浅水域 52 大洋沉积物按成因分类可划分 5 种类型 分别为 远洋粘土 钙质生物 硅 质生物 陆源碎屑 火山碎屑沉积 53 现代陆架分布的沉积物是 残留沉积 现代沉积 准残留沉积 三种物质构 成 第三章第三章 海水的主要热学和力学性质海水的主要热学和力学性质 1 海水是含有多种无机盐复杂的溶液 现已测定出 80 多种元素 其中有 11 种是主要成 分 占海水总含盐量的 99 9 以上 2 海水组成恒定原理 海水组成恒定原理 无论海水所溶解的盐类的浓度大小如何 其中常量离子间比值总 是恒定的 3 海水盐度的首次定义 海水盐度的首次定义 在 l000g 海水中 碳酸盐全部转换成氧化物 溴 Br 和碘 I 以氯当量置换 有机物全部氧化之后所剩固体物质的总克数称为海水的盐度 以 S 表示 单位为 g kg 4 海水的氯度 海水的氯度 在 1000g 海水中 将溴和碘以氯替代后 所含氯的总克数 单位 g kg 1 用 Cl 来表示 5 标准海水 标准海水 用 AgNO3 滴定法测定海水的氯度时 国际上使用一种氯度值精确为 19 374 的大洋海水作为标准 称为标准海水 其对应的海水盐度为 35 000 6 海水的绝对盐度 海水的绝对盐度 海水中溶质的质量与海水质量之比值 7 海水的热膨胀系数 海水的热膨胀系数 在海水高于最大密度温度时 若再吸收热量 除增加其内能使温 度升高外 还会发生体积的膨胀 其相对变化率称为海水的膨胀系数 即当温度升高 1K 1 C 时 单位体积海水的增量 8 热容 热容 海水温度升高 1k 或 1C 时所吸收的热量 比热容 单位质量的海水热容 9 比蒸气潜热 比蒸气潜热 使单位质量的海水化为同温度的蒸汽所需的热量 10 饱和水蒸气压 水分子由水面逃出和同时回到水中的过程达到动态的平衡时 水面上 水汽所具有的压力 11 最大密度温度 最大密度温度 海水的热膨胀系数由正值转为负值时所对应的温度 12 海水的压缩系数 海水的压缩系数 单位体积的海水 当压力增加 1Pa 时 海水体积的负增量称为海水 的压缩系数 13 等温压缩 等温压缩 海水微团在被压缩时 因和周围海水有热量交换而维持其温度不变 称为 海水的等温压缩 14 绝热压缩 绝热压缩 海水微团在被压缩时 与周围海水没有热量交换 称为海水的绝热压缩 15 海水的绝热变化 海水的绝热变化 海水微团作垂直运动时 若海水微团不和外界发生热量交换 海水 微团内部的温度会产生变化 称为海水的绝热变化 7 16 当海水微团下沉时 因压力增加 体积变小 外界对海水微团作功 导致海水微团内 能增加温度升高 相反当海水微团绝热上升时 因压力减小体积膨胀 导致海水微团 内能消耗温度降低 17 位温 位温 海洋中某一深度 压力为 p 的海水微团 绝热上升到海面 压力为大气压 p0 时所具有的温度 称为该深度海水的位温 18 海水的位温比现场温度低 19 暖心 暖心 热带海洋上的气旋 海水蒸发时水汽携带巨额热量进入大气 水汽凝结释放热 量形成 20 海水的热传导 海水的热传导 相邻海水在温度不同时 海水因分子运动或海水块体的交换 海水的 热量由高温处向低温处转移的现象 称为海水的热传导 21 海水的热传导系数 t 为 10 1 量级 比纯水的稍低 随温度的升高而增大 随盐度 的增大略有减小 主要与海水的性质有关 22 海水的热传导由海水块体的随机运动所引起的 称为涡动热传导或湍流热传导 23 海洋中盐量 浓度 盐度 的扩散传输与热量传导相似 同样有分子盐扩散和涡动盐 扩散两种方式 不同盐度的海水 盐扩散系数不同 24 海水的粘滞系数随温度的升高而迅速减小 随盐度增大而略有增大 25 密度超量 1000kg m 3 单位与密度的单位相同 26 出现在海上的冰的来源有两种 由海水冻结而成的 称为海冰 进入海洋的大 陆冰川 河冰及湖冰等淡水冰 27 海水的冰点和海水最大密度的温度都随盐度而变 盐度增加 海水的冰点温度较海水 最大密度的温度下降得慢 在盐度为 2 4 6 9 时 二者的温度值相同 为 1 33 C 而盐度大于该盐度时 海水最大密度的温度 低于 冰点 28 盐度小于和大于 24 69 的两种海水 有着不同的结冰过程 盐度小于 24 69 的海 水与纯水的结冰过程相同 盐度大于 24 69 的海水 因其最大密度的温度点低于冰 点 在结冰之前 随着温度不断降低 表面海水的密度不断增大 由此而引起的 热 力对流 将一直持续到结冰为止 由于对流作用把下层海水的热量向上输送 从而使 海水的冷却速率减慢 因此结冰的速度也减慢 这种对流作用可达到很大深度乃至海 底 29 海水结冰时大部分盐分被排出在海冰之外 因此冰下海水的盐度增大 由于海水的盐 度增大和由其引起的对流作用以及海水结冰时释放出的结晶热 都将延缓海水的结冰 过程 30 按海冰的运动状态分 固定冰 流冰 31 海水结冰时 将部分盐分以卤汁的形式包围在冰晶的空隙中 形成 盐泡 在结冰过 程中 将来不及逸出的气体包围在冰晶之间 形成 气泡 因此温度在冰点和 8 2 C Na2SO4 10H2O 结晶温度 之间 海冰是由纯冰 卤汁和气泡组成 在 8 2 C 以下时 海冰中含有与温度有关的结晶盐的混合物 32 纯水冰 0 C 时的密度一般为 917kg m 3 海冰中因为含有气泡 密度一般低于此 值 新冰的密度大致为 914 915 kg m 3 冰龄越长 由于海冰中卤汁渗出 密度则 8 越小 33 海冰的比热容比纯水冰大 且随盐度的增高而增大 34 海冰的热传导系数比纯水冰小 因为海冰中含有气泡 而空气的热传导系数是很小的 35 大洋海水的盐度大于 24 69 海水结冰过程中 海水都会发生铅直对流混合 这种 对流混合常达到相当大的深度 在浅水区可直达海底 从而导致所有海洋水文要素的 铅直分布较为均匀 海水垂直对流又把表层高溶解氧的海水向下输送 同时把底层富 含浮游植物所需要的营养盐类的肥沃海水输送到表层 有利于生物的大量繁殖 因此 有结冰的海域 特别是极地海区往往具有丰富的渔业资源 例如南极的鳞虾和鲸渔场 闻名世界 与此即有直接关系 36 海洋的热平衡 海洋中所有的热量收入和支出的总和 Qw Qs Qb Qe Qh 太阳辐射 Qs 海面有效回辐射 Qb 蒸发或凝结潜热 Qe 海气之间的感 热交换 Qh Qw 为通过海面的热收支余相 37 海洋吸收太阳辐射能的同时 也要向大气辐射能量 90 的辐射能集中在 4 80 m 因此海面辐射是长波辐射 38 影响海水平衡的因素 蒸发 降水 大陆径流 结冰与融冰 39 大洋水温的铅直分布特点 温度自海面向海底随深度的增加呈不均匀递减 上层等温 线密 温度垂直梯度大 深部垂直梯度小 水温趋向均匀 水温分布呈 W 形 40 上均匀层 暖水区的表面直接受大气的影响 风 浪 海流所引起的湍流混合强 烈 由此在暖水区顶部形成一个温度垂直梯度很小的水层 称为上均匀层 均匀层的 厚度在低纬度海区不大于 100m 赤道附近约 50 70m 赤道的东部更浅 在中纬度海 区均匀层的厚度随季节变化 41 主温跃层 永久性跃层永久性跃层 在均匀层的下部约 200 1000m 的深度 是一层温度梯度最 大的水层 并终年存在 称为 主温跃层 或 永久性跃层 主温跃层将上层的暖水 与下层的冷水分隔开来 其深度随纬度变化 在赤道附近主温跃层上升 在副热带海 区下降 在中纬度海区上升至大洋表面 42 季节性跃层季节性跃层 混合层下界 由于夏季增温强烈 形成强的温度跃层 称为季节性跃层 在冬季表层降温 对流增强混合层向下发展 季节性跃层消失 43 冷中间层 高纬度极锋向极一侧 不存在季节性跃层 在冬季出现逆温层 深度达 100m 左右 夏季表层增温 混合作用的结果在表层形成厚度不大的均匀层 与逆温层之间 形成 冷中间水 44 逆温现象 深海沟出现水温随深度增加而缓升现象 地热 绝热增温形成 45 海洋水团 water mass 源地和形成机制相近 具有相对均匀的物理 化学和生物特 征及大体一致的变化趋势 而与周围海水存在明显差异的宏大水体 46 水系 water system 符合一个给定条件的水团的集合 如 沿岸水系 外海水系 等是根据盐度进行划分 47 水型 water type 指温盐度均匀 在温 盐图解上仅用一个单点表示的水体 即 性质完全相同的水体元的集合 9 48 温 盐图解 以温度为纵坐标 以盐度为横坐标 将测站上不同层次的实测温 盐值 对应地点在温 盐坐标系中 自表至底有序地把各点联结起来的曲线 折线 图 49 海水混合的区域性 海 气界面混合 海气界面及海洋上层是海水混合最活跃的区 域 海底的混合 主要由潮流 海流等引起的混合 海洋内部的混合 主要由海 洋内波引起的海水混合 双扩散 效应引起的海洋内部混合 50 双扩散 指海水水团的热量和盐量通过分子扩散而引起海水混合的现象 称为双扩散 第四章第四章 海水的化学组成和特性海水的化学组成和特性 1 海水中的主要成分是浓度大于 1 10 6mg kg 的成分 又称保守元素 而海水中的 微量元素是浓度小于该浓度的成分 Al 和 Fe 在海水中属于微量元素 2 海水中的 3 大天然放射系是指 铀系 锕系 钍系 3 海洋化学污染一般包括哪几个方面 1 碳氢化合物 石油 2 海洋中的重金属污染 3 海洋中的合成有机化 合物污染 4 海洋中的富营养化 5 海洋中的放射性核素污染 4 海水对 CO2 的吸收取决于 海水的静态容量 大气 海洋之间 CO2 的交换速 率 海水垂直混合速率 5 氮同化作用 NH4 或 NH 3被生物体吸收合成有机氮化合物 构成生物体一部分的过 程 6 硝化作用 在某些微生物类群的作用下 NH3或 NH4 氧化为 NO 3 或 NO2 的过程 7 反硝化作用 NO3 在某些脱氧细菌的作用下 还原为气态氮化合物 N2或 N2O 8 描述海洋中氮的转化过程 9 试描述海上溢油的分解过程 10 第五章第五章 海洋环流海洋环流 1 大洋环流 ocean currents 是指海洋中具有相对稳定的流速和流向的大规模海 水运动的现象 2 海流的成因 在本质上是由太阳辐射能所驱动形成的 成因 1 受海面风力驱动 风生海流 成因 2 海水温度 盐度和密度差异驱动 地转流 密度海流 3 海流描述的两种方法 1 拉格郎日法 跟踪水质点来描述其时空变化 漂流瓶 中性浮子等追踪海流 2 欧拉法 在海洋中的某些站点同时对海流观测 用矢量 表示海流的速度大小和方向 速度 m s 方向 向北流动记为 0 向东流动记为 90 4 引起海水的运动的力 重力 压强梯度力 风应力 引潮力等 海水运动派生的力 科氏力 地转偏向力 摩擦力等 5 正压场 在静态海水中 海水的密度为常数或者只是深度的函数时 海洋中压力的 变化也只是深度的函数 此时海洋中的等压面必然是水平的 即与等势面平行 这 种压力场称为正压场 6 斜压场 当海水密度不为常数 特别在水平方向上存在明显差异时 或者由于外部 原因 此时等压面将会发生倾斜 这种压力场被称为斜压场 7 内压场 由海洋中密度差异所形成的斜压场 称为内压场 在大洋上部斜压场一般 较强 随深度增加斜压场减弱 8 外压场 由海洋外部原因所形成的斜压场 称为外压场 9 地转偏向力 科氏力 地球自转所产生的惯性力 是指地球上一切作水平运动的 物体 由于地球自转而发生偏向的一种力 这种水平运动的偏向力 最早是法国数 学家科里奥利加以研究和确定的 故又称科里奥利力 10 科氏力的性质 只有当物体相对地球运动时才会产生 11 在北半球科氏力垂直指向运动物体的右方 在南半球则相反 科氏力只改变物体的运动方向而不改变物体运动速度 科氏力的大小与物体运动速率及地理纬度的正弦成比例 11 切应力 两层流体作相对运动时 由于分子粘滞性 在其界面上产生的一种切向 作用力 12 海水运动方程 海水的各种运动是在力的作用下产生的 其运动规律符合牛顿运 动定律和质量守恒定律 对于单位质量的海水 其相对于地球的加速度和所受的力 可归结为以下的形式 加速度 压强梯度力 重力 科氏力 摩擦力 13 海水连续方程 海水连续方程 海水在运动过程中 其总质量既不能增加也不能消失 14 地转流 地转流 若不考虑海水的湍应力和其他能够影响海水流动的因素 海水在运动过 程中 水平压强梯度力与科氏力平衡时的定常流 称为地转流 15 风海流的附效应 由于风海流水体的输送 导致海水辐聚或辐散 会产生海水的 升降流运动 称为风海流的附效应 16 热盐环流 由温度 盐度变化引起的环流称为热盐环流 17 无限深海风海流 亦称漂流 是 海水摩擦力 科氏力平衡时的稳定流动 18 赤道逆流 在南 北赤道洋流将海水输向大洋西部过程中 海面从西向东倾斜 海水在热带辐合带附近顺斜坡流回东部 形成赤道逆流 19 海底地形对水流的影响 海流上坡时 流速加快 科氏力增大 海流向右偏转 下坡时海流流速减小 科氏力减小 海流向左偏转 南半球则相反 20 艾克曼的漂流理论 1 基本假定 海水的密度分布均匀 稳定均匀的风长时间吹刮于无限宽广 无限深的 不考虑海岸和海底的摩擦作用 海洋上 因而海面不发生升降 只考虑垂直湍流粘滞系数所引起的水平摩擦力 且摩擦系数为常数 不考虑科氏力随纬度的变化 f 为常数 当海流稳定时 海流运动方程为 科氏 力 湍流摩擦力 0 2 对方程的讨论 在海面 流速 V0 与海面风应力成正比 与湍流粘滞系数和纬度有关 合成流向 偏向风矢量右方 45 深度增加 流速迅速减小 流向偏风矢量右方 北半球 z a 时 流速方向与表层流速方向相反 流速只有表层的 4 3 21 大洋上空风场和大洋表层流场比较 12 1 东南 东北信风流 形成西风带的西风漂流 2 赤道流 西风漂流与大洋东 西边界流构成反气旋式环流 3 南 北半球的反气旋式环流是从西向东的赤道逆流 并与南 北赤道流分别 构成小反气旋式环流 4 北半球反气旋式环流以北的太平洋 大西洋有来自西风漂流和极地海流组成 气旋式环流 南半球由于无陆地阻挡 形成南极绕极环流 5 南极附近海域形成从东向西的东风漂流 6 除印度洋外 各大洋表层环流模式相同 并有纬向不对称 22 黑潮 是北太平洋西边界流 是太平洋北赤道流的延续 从菲律宾群岛东侧北上 主流从台湾东侧经台湾和与那国岛之间水道进入东海 沿陆坡向东北方向流动 黑 潮因其水色和透明度高于周围水体 使海水颜色深于周围海水而得名 黑潮水不是 黑色 而是深蓝色 23 西边界流区相应的海流 太平洋 黑潮 东澳大利亚海流 大西洋 湾流 巴西海流 印度洋 厄加勒斯海流 24 东边界流区相应的海流 太平洋 加利福尼亚海流 秘鲁海流 大西洋 加 那利海流 本格拉海流 印度洋 西澳大利亚海流 25 副热带高压带 马尾渡 区 范围 赤道流和西风漂流的过渡地带 终年为副热 带高压控制 特点 海面蒸发量大 海水盐度高 随季节而南 北移动 冬季有西 风漂流特点 夏季有赤道流特点 由于海水辐聚 盐度大 含氧丰富的表层水下沉 形成大洋次表层水 海水营养低 清静 水色高 透明度高等 26 南大洋环流 东风漂流 向西流动的沿岸流 流速 流幅 流量不大 形成南极 底层水 27 世界大洋中存在着五个基本水层 即大洋暖水区的表层水 次表层水 大洋冷水 区中的中层水 深层水和底层水 如果按其温 盐等理化特性和源地作为条件 可 在第一层等级把五层水视为五个水团 第第六章六章 海洋中的波动现象海洋中的波动现象 1 按照波浪形成的动力 可把波浪分为以下几大类 风浪 地震波 潮波 涌浪 内浪 2 按照波浪断面的几何形态 可将波浪分为两类 正弦波 摆线波 3 按照波浪传播方式可分为以下两种 进行波 驻波 4 按照波长与水深的关系可分以下两种 深水波 d 1 2 浅水波 1 2 5 破浪 Breaking Wave 由于底摩擦作用 随着水深不断变浅 波峰处水质点的前进 速度将大于波谷处水质点向后运动速度 这样水质点运动的椭圆轨迹将受到破坏 当 水深等于波高 1 3 倍时 波浪将发生倾倒 形成破浪 6 孤立波 浅海中存在的波形在传播过程中保持不变的非周期性波动的波 称为孤立波 7 界面内波 发生在两层密度不同的海水界面处的波动称为界面内波 8 开尔文波 开尔文波 Kelvin Wave 是发生在大气或海洋中的 迎向地形边界 例如 13 海岸线 平衡科氏力的波动现象 开尔文波的一个特征是非弥散性 也就是说 波峰 的相速度与波能的群速度在所有频率时均相等 9 罗斯贝波 由于地球的转动和地球曲率而使位涡在深度和纬度上产生改变 这一改变 导致一种非常慢的大尺度振荡 即罗斯贝波 罗斯贝波是一种行星波 不考虑海水的 非均匀性和可压缩性的罗斯贝波称为正压的 其波长可达几百千米 考虑了海水分层 的罗斯贝波称为斜压的 斜压的罗斯贝波只能从东向西传播 10 风浪和涌浪的差异 1 风浪 由当地风产生 并一直处于风的作用之下的海面波动 状态 波峰尖 分布不规律 波峰线短 周期小 常出现破碎现象并形成浪花 2 涌浪 海面上由其他海区传入或风速减小 平息后遗留的海水波动 波面平坦光滑 波峰线长 周期和波长大 传播规则 11 海浪的折射 当波浪向近岸传播时向岸浅水波随着水深减小 速度越来越慢 波浪的 传播方向完全与岸线垂直 这便是波浪的折射 Refraction 12 波浪的反射与绕射 当波浪传向堤坝和海岛等障碍体时 正面波碰到障碍物后 会发 生反射 Reflection 障碍物两侧波浪继续前进 向障碍物后方扩散 最后仍按折射 原理传到障碍物后侧的波影区 这种现象称为波浪的绕射 Circumambulate 第七章第七章 潮汐潮汐 1 潮汐 在月球 太阳和其他天体引潮力的作用下 地表海水发生周期性运动的现象为 潮汐 它包括海面周期性的垂直涨落运动和海水周期性的水平进退流动 习惯上 前 者称为潮汐 后者为潮流 2 潮汐的三种类型 正规半日潮 全日潮 混合潮 3 在一个朔望月中 朔 望 之后二 三天潮差最大 这时的潮差叫大潮潮差 反之 在上 下弦之后 潮差最小 这时的潮差叫小潮潮差 4 天球是一个以地球为中心 以无限长为半径 内表面分布着各种各样天体的球面 这 是一个假想的圆球 5 黄道 地球每年绕着太阳在椭圆形轨道上公转一周 但在地球上的人看来好像是太阳 在天空众星之间绕着地球旋转 那么 太阳在天球上的投影每年也绕着地球作一周的 视运动 此视运动轨道即为黄道 6 黄道面与天赤道面的夹角为 23 27 7 白道 月球绕着地球公转的结果使得月球在天球上也有一个视运动的轨道 这个轨道 称为白道 8 太阴日 地球上一点由第一次正对月球中心的的二次正对所需的时间 太阴日 24 8412 平太阳日时 20 h 50 min 由于月球公转速度大于太阳在地球上的视觉运动速度 当 地球转动一周 平太阴日以运行了大约 12 9 度 地球上一点由第一次正对月球中心 的的二次正对约需旋转 372 19 度角 9 引潮力差异的原因 地球上各质点的引潮力 一方面取决月球和太阳对它的引力 另 一方面取决于地球绕地月公共质心运动时所产生的惯性离心力 地球表面上各水质点 的惯性离心力大小都相等 但各地水质点所受月球对它的引力是不相同的 因此各地 水质点的引潮力也有差别 14 10 椭球形等势面 由于在地月连线上引潮力方向与重力方向相反 在垂直地月连线 的大圆上引潮力方向与重力方向相同 因此 考虑引潮力后的等势面就变成椭球形 这个椭球的长轴指向月球 为潮汐椭球潮汐椭球 11 八分算潮法 高潮时 月中天时刻 平均高潮间隙 低潮时 月中天时刻 平均低潮间隙 高潮间隙 月中天时刻到高潮时刻时间间隔 低潮间隙 月中天时刻到低潮时刻时间间隔 上半月 高潮时 阴历数 1 0 8 该港平均高潮间隙 低潮时 阴历数 1 0 8 该港平均低潮间隙 下半月 高潮时 阴历数 16 0 8 该港平均高潮间隙 低潮时 阴历数 16 0 8 该港平均低潮间隙 12 钱塘江形成较大潮差的原因 13 风暴潮 风暴潮 storm surgestorm surge 是一种灾害性的自然现象 由于剧烈的大气扰动 如强 风和气压骤变 通常指台风和温带气旋等灾害性天气系统 导致海水异常升降 使受 其影响的海区的潮位大大地超过平常潮位的现象 称为风暴潮 又可称 风暴增水 风暴海啸 气象海啸 或 风潮 14 风暴潮根据风暴的性质 通常分为由温带气旋引起的 温带风暴潮 和由台风引 起的 台风风暴潮 两大类 15 某年学生到某一正规半日潮海湾实习 初到之日 农历四月初五 观测得知该海湾 18 时 26 分为高潮时 请计算出第二天和农历二十日该海湾的高 低潮时 答 正规半日潮 一个太阴日 2424 时时 5050 分分 内 有两次高潮两次低潮 潮差相等 5 1 0 8 x 1826 x 1514 高潮间隙 1514 1224 0250 15 第八章第八章 大气与海洋大气与海洋 1 地球大气的铅直分层 对流层 平流层 中间层 热成层 散逸层 2 气象要素 表示大气中物理现象与物理过程的物理量称为气象要素 它们表征大气的 宏观物理状态 是大气科学研究的重要依据 气象要素中以气温 气压 湿度和风为 最重要 3 在旋转地球上 大气运动必定受到地转偏向力 科氏力 的影响 水平尺度越大 科氏 力的影响越重要 而水平尺度只有数千米或更小尺度的运动 例如小尺度和微小尺度系 统 可以忽略科氏力的影响 4 平均大气环流 一般说来 凡是大范围的 半球的或全球 对流层 平流层或整层大 气长期的平均运动状态 或某一时段的变化过程 都可以称为大气环流 5 在北半球沿经圈有三个闭合环流圈 热带的哈得莱 Hadley 环流 极地的极地环流 间接环流圈 费雷尔 Ferrel 环流 6 与三圈环流对应的地面气流 在低纬度和极地附近大致是东风带 而在中纬度是西风 带 高空气流在中高纬度地区基本上都是西风 与地面风带不同 主要系统丧失了经 向风分量变成真正的西风 在赤道上空是东风控制 7 季风是大范围盛行风向随季节有显著变化的风系 具有以下特点 1 盛行风向随着季节的变化而有很大的不同 甚至接近于相反方向 2 两种季节 冬季风和夏季风 各有不同的源地 因而其气团性质有着本质的差异 3 能够给天气现象造成明显不同的各种季节 例如雨季和旱季 冬夏明显对比等 8 依流场的观点称低压系统为气旋 带有锋面的气旋称锋面气旋 锋面气旋多产生于温 带 亦称温带气旋 9 台风 台风是发生在热带海洋上的一种具有暖心结构的气旋性涡旋 是达到一定强度 的热带气旋 台风伴有狂风暴雨 是一种灾害性天气系统 世界各地对台风的称谓不 同 在东太平洋和大西洋称飓风 在印度洋称热带风暴 在南半球称热带气旋 10 请对台风产生的条件进行叙述 台风形成最主要有 3 个条件 1 需要较高的海水温度 因为台风只生成在水温 26 27 以上的广阔洋面上 2 要有一定的地转偏向力 即地球自转产生的改变风向的力 北半球向右 地转 偏向力随地理纬度的降低而减小 在赤道地区为零 这就是纬度低于 5 海洋上没有台 风生成的原因 3 要有一个原始涡旋 这样在台风形成初期不致因四周气流直接流入低涡中心 使 之迅速填塞而消失 还有 在台风生成区高低空风向风速差别要小 这就是 20 纬度 以上不易生成台风的主要原因 11 台风的结构 16 1 台风是一种天气尺度 暖中心的强气旋性涡旋 在北半球呈逆时针旋转 在南半 球呈顺时针旋转 2 台风表现为强烈的气旋性环流 低层有强烈的流入 高层有强烈的流出 并有极 强烈的上升运动 地面是气旋式辐合流场 气流从四周以螺旋曲线的形式流向台风中 心区 台风天气表现为大风 暴雨 狂浪和风暴潮 12 海洋的重要性质及其在气候系统中的地位 海洋 尤其是热带海洋 是大气运动的重要能源 太阳辐射的 70 海洋有着极大的热 容量 相对大气运动而言 海洋运动较稳定 运动和变化比较缓慢 海洋是地球大气 系统中 CO2 的最大的汇 1 海洋对大气系统热力平衡的影响 海洋贮存的能量以潜热 长波辐射和感热交换的形式输送给大气 驱动大气的运动 海洋热状况的变化以及海面蒸发的强弱都将对大气运动的能量产生重要影响 从而引 起气候的变化 海洋环流 西边界流 黑潮 湾流等 通过海气间的强烈热交换 海 洋把热量输送给大气 2 海洋对水汽循环的影响 大气中水汽量的绝大部分 86 由海洋供给 尤其低纬度海洋 是大气中水汽的主要 源地 不同的海洋状况通过蒸发和凝结过程将会对气候及其变化产生影响 3 海洋对大气运动的调谐作用 因海洋的热力学和动力学惯性使然 海洋的运动和变化具有明显的缓慢性和持续性 1 海洋可以把大气环流的变化的信息贮存于海洋中 再对大气运动产生作用 2 海洋的热惯性使得海洋状况的变化有滞后效应 4 海洋对温室效应的缓解作用 减小了低纬大气的增热 使高纬大气加热 降水量亦发生相应的改变 使得大气对某 些因素变化的敏感性降低 CO2 增加的气候效应被减弱 海洋吸收 13 海洋对大气的热力作用 1 大气和海洋运动的原动力都来自太阳辐射能 2 海洋有比较大的净辐射收入 热带地区海洋面积最大 在热量贮存方面具有更重 要的地位 通过热力强迫 在驱动地球大气系统的运动方面 海洋 特别是热带海洋 就成了极为重要的能量源地 3 海洋热状况改变对大气环流及气候的影响 有几个关键海区 厄尔尼诺现象发生 的赤道东太平洋海区 海温最高的赤道西太平洋 暖池 区 东北太平洋海区及北大 西洋海区的热状况对北美和欧洲的天气气候变化有着明显的影响 4 海洋向大气提供的热量有潜热和感热两种 但主要是通过蒸发过程提供潜热 5 大洋环流既影响海洋热含量的分布 也影响到海洋向大气的热量输送过程 14 大气对海洋的风应力强迫 1 大洋表层环流的显著特点之一是 在北半球大洋环流为顺时针方向 在南半球 17 则为逆时针方向 南北半球太平洋环流的反向特征极其清楚 2 另一个重要特征 即所谓 西向强化 科氏力随纬度的变化是其根本原因 最典型的是西北太平洋和北大西洋的西部海域 那里流线密集 流速较大 而大洋的 其余部分海区 流线较疏 流速较小 上述大洋环流的主要特征 与风应力强迫有密 切关系 15 大洋上空风场和大洋表层流场比较 1 东南 东北信风流 形成西风带的西风漂流 2 赤道流 西风漂流与大洋东 西边界流构成反气旋式环流 3 南 北半球的反气旋式环流是从西向东的赤道逆流 并与南 北赤道流分别 构成小反气旋式环流 4 北半球反气旋式环流以北的太平洋 大西洋有来自西风漂流和极地海流组成 气旋式环流 南半球由于无陆地阻挡 形成南极绕极环流 5 南极附近海域形成从东向西的东风漂流 6 除印度洋外 各大洋表层环流模式相同 并有纬向不对称 第九章第九章 海洋生物海洋生物 1 生物的多样性 是生物种类 生物遗传变异 生物生存环境的总称 包括 遗传多样 性 物种多样性 生态系统多样性 2 生态系统 生物体通过物质和能量的交换与其生存环境相互联系和相互作用 形成一 个自组织的具有生态功能单位的统一体称为生态系统 3 海洋生物多样性的利用 食物 医药材料 工业材料 海洋生物多样性对海洋 环境和全球气候的调节作用 4 海洋生物多样性面临的威胁 论述题需就各店进行扩展 利用过度 自然条件改变的危害 海洋污染威胁 外来物种的入侵 全球 气候变化对生物多样性的威胁 5 生物区系 某一地区的各类动物和植物的总和 同一自然地理区域内 由于环境条件 相同 各类生物有特殊的物理性状 生态性状 进而形成生物区系中不同动植物种类 在一个生物区系内有若干生物种类是这个地区所特有的 称为特征成分 特有种 6 分布中心 在一个生物区内 最适宜某种生物生存的环境 从而生物的个体数量分布 最多 一般来说 生物的科 属 种的密集分布区 通常为该分类单元的分布中心 现存物种分布中心不一定是其起源地区 地质时期中发生了迁移 18 7 阻限 海洋生物种群繁殖个体数量过大时 则向分布区外迁移 扩散 扩大分布范围 在迁移过程中会遇到各种障碍 广阔的海洋 浅海生物的障碍 大洋中脊 底栖 生物的障碍 地狭 海洋浮游生物 游泳生物的障碍 巴拿马地狭 陆地 海洋 生物扩大分布区的阻限 8 生态系统的特征 是生态学上的一个主要结构和功能单位 具有自我调节功能 生态系统结构越复杂 物种越多调节能力越强 但调节功能有 一定限度 三大功能 能量流动 物质循环 信息传递 物种组成的变化 环境因素改变 信 息系统破坏是导致自我调节失效的原因 生态系统是一个动态系统 其形成过程中不同阶段具有不同的特征 9 食物链 在海洋生物群落中 从植物 细菌或有机物开始 经植食性动物至各级肉食 性动物 依次形成