海洋科学导论复习.docx

海洋科学导论第一章 绪论 1 请整理海洋科学的一些基本概念。 学科特点： 海洋中各自然过程相互作用及反馈、 人为外加影响日趋多样等构成其复杂性和综合性，作为物理系统的水-汽-冰不停转变，作为自然系统的多层次耦合。研究特点：明显依赖于直接观察， 信息论、控制论和系统论方法重要， 学科分支细化与相互交叉渗透并重、趋于综合与整体化研究。学科分支：基础性分支包括物理海洋学、环境海洋学等，应用技术分支包括渔场海洋学、军事海洋学、海洋生物技术等，管理开发分支包括海洋功能区划、海域管理等。第二章 地球系统与海底科学 1.说明全球海陆分布特点以及海洋的划分。 分布：地球表面总面积约 5.1108km2， 分属于陆地和海洋。 以大地水准面为基准， 陆地占 29.2，海洋占 70.8，地表大部分为海水所覆盖。地球上海洋相互连通， 构成统一的世界大洋；而陆地则相互分离，没有统一的世界大陆。地表海陆分布极 不均衡，北半球陆地占 67.5，南半球占 32.5。海洋不仅面积超过陆地，其深度 也超过陆地高度。3000m 以上深海洋占其总面积的 75；而高度不足 1000m 的陆 地占其总面积的 71。海洋平均深度达 3795m，而陆地平均高度只有 875m。如果 将高低起伏的地表削平，则地球表面将被约 2646m 厚的海水均匀覆盖。划分：根据 海洋要素特点及形态特征，可分为主要部分洋和附属部分海、海湾和海峡。大 洋，远离大陆，面积广阔，占海洋总面积的 90.3；深度大，一般大于 2000m；海 洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为 35，且年变化小；具有独立的潮 汐系统和强大的洋流系统。 2.什么是海岸带？ 说明其组成部分是如何界定的。 海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。 海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。 界定：海岸是高潮线以上的陆上地 带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，又称潮上 带。海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，又称潮间带。 水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相 当于 1/2 波长的水深处，通常约 1020m。 3.什么是大洋中脊体系，它有哪些主要特点？ 大洋中脊：即中央海岭，指贯穿四大洋、成因相同、特征相似的海底山脉系列，全 长 65kkm、顶部水深 23 km、高出盆地 13 km，有的露出海面成为岛屿，面积占洋 底的 32.8，是世界上规模最巨大的环球山系。特点： 在大西洋，中脊位于中央， 延伸方向与西岸平行，边坡较陡，称为大西洋中脊，印度洋中脊大致也位于大洋中 部，但分三支，呈“入”字形展布；在太平洋内，因中脊偏居东侧且边坡平缓，故 称太平洋海隆。大洋中脊的北端在各大洋分别延伸上陆。大洋中脊的轴部游记中央 裂谷，大洋中脊体系构造不连续，被一系列与中脊轴垂直或高角度斜交的断裂带切 割成许多段落，并错开一定距离，是一个全球性地震活动带。 4.简述大陆漂移、海底扩张与板块构造的内在联系与主要区别。 答：海底构造学说大陆漂移：50 年代，古地磁学板块构造理论已影响到地球科学 的几乎所有领域，是研究海底构造的理论核心和指导思想。板块构造学说是多学科 相互交叉、渗透发展起来的全球构造学理论，它吸取了魏格纳大陆漂移说的精髓 活动论思想，以海底扩张说为基础，经过一大批科学家的综合而确立的。板块构 造学说是大陆漂移和海底扩张的引伸和发展。 研究的进展又使大陆漂移说重新复兴， 60 年代海底扩张和板块构造学说的创立再赋予大陆漂移说以新的认识。大陆漂移的 主要依据有海岸线形态、 地质构造、 古气候和古生物地理分布等。 海底构造学说 海 底扩张：大洋中脊轴部裂谷带是地幔物质涌升的出口，涌出的地幔物质冷凝形成新 洋底， 新洋底同时推动先期形成的较老洋底逐渐向两侧扩展推移， 这就是海底扩张。 不仅成为论证海底扩张说的重要依据，而且成为板块构造学说的基础和主要内容。 板块分为拉张，挤压，剪切。海底构造集大陆漂移和海底扩张说为一体的板块构造 理论能够比较成功地解释几乎所有地质现象， 特别是全球性的构造特征和形成机理。 海底构造实质上就是海洋底板块生成运动消亡过程中所发生的各种构造活动和 构造现象。 6 按照矿产资源形成的海洋环境和分布特征，海洋矿产资源有哪些主要类型？如何认识 海洋是巨大的资源宝库？ 答：类有滨海砂矿， 海底石油， 磷钙和海绿石， 锰结核和富钴结壳，海底热液硫化物， 天然气水合物等资源类型。 滨海砂矿：非金属砂矿、重金属砂矿、宝石及稀有金属砂矿三大类。海底石油：是一 种成分复杂的碳氢化合物的混合物，在自然界中以液体存在称为石油，以气体存在称 为天然气。磷钙石又称磷钙土，是一种富含磷的海洋自生磷酸盐矿物，是制造磷肥、 生产纯磷和磷酸的重要原料。海底磷钙石估计达数千亿吨，如利用其中的 10，则可 供用全世界几百年。海绿石：在海底生成的含水的钾、铁、铝硅酸盐自生矿物，呈浅 绿、黄绿或深绿色，可以从中提取钾，也可用作净化剂、玻璃染色剂和绝热材料。锰 结核： 主要由铁锰的氧化物和氢氧化物组成， 并富含铜、镍、钴、钼和多种微量元素， 广泛分布于深海大洋盆底表层。钴是战略物资，备受世界各国的重视。结壳往往产于 水深不足 2000m 的半深水区，开发技术和成本都比锰结核低，是具巨大经济潜力的 深海金属矿产类型。海底热液硫化物是富含铜、铅、锌、金、银、锰、铁等多种金属 元素的新型海底矿产资源，常与海底扩张中心热液体系相伴生。天然气水合物：近 20 年发现、 新型海底矿产资源； 由碳氢气体和水分子结合而成、 冰晶状固体化合物。 95 以上的天然气水合物甲烷96.5水3.5、低温高压条件冻结成固相、故又称固 态甲烷或甲烷水合物。天然气水合物将是 21 世纪人类的新型能源。第二章 海水的物理特性及其表征 1 何谓海水盐度？ 答： “水温 15、1 个大气压状态下，与 1kg 水中含有氯化钾 32.4356g 的溶液具有相同电传导率的海水盐度作为 35，其他盐度依据水温 15、1 个大气压状态下与氯化钾溶液的电传导率之比k由下式求出。 ” S=-0.080-0.1692k1/225.3851k14.0941k3/2-7.0261k22.7081k5/2 无单位、或用 psupractical salinity unit表示之。 2 何谓海水的位温？有何实用价值？ 答：某深度压力为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，记为 Q。海水的位温显然比其现场 T 低，若因绝热上升到海面微团水温降低了 DT，则该深度海水的位温 QT-DT。分析大洋底层水分布与运动时，各处水温差别甚小，但绝热变化效应往往明显，故用位温分析比用现场温度更能说明问题。 3 何谓海水状态方程？ 答：海水状态方程是海水状态参数 T、S、P与 r 或 a 之间相互关系的数学表达式。 4 海洋热平衡方程中各项的物理含义是什么？ 答：通过海面热收支的主要因子有：太阳辐射Qs、海面有效回辐射Qb、蒸发或凝结潜热Qe及海气间的感热交换Qh，即QwQs-QbQeQh 5 世界大洋热平衡的分布与变化规律如何？ 答：一年中在低纬度海区所接受的太阳辐射要大于高纬度的海区，在一天中，中午前后所接受的太阳辐射要大于早晚。 总辐射量随纬度的分布差异不显著。从赤道到高纬度之间辐射量梯度很大。辐射量的最大值出现在副热带和海域。 6 简述世界大洋中温度、盐度和密度的空间分布基本特征。 答： 宏观上看，世界大洋中温、盐和密度场的基本特征是，表层大致沿纬向呈带状分布，即东-西方向上量值差异相对小；而经向即南-北方向上的变化却十分显著。在铅直方向上，基本呈层化状态，且随深度增加其水平差异逐渐缩小，至深层其温、盐、密的分布均匀。它们在铅直方向的变化相对水平方向上要大得多， 因为大洋水平尺度比其深度要大几百倍至几千倍。 7 何谓大洋主温跃层和季节性温跃层？ 混合层下界特别是夏季，因表层增温，可形成很强跃层，称季节性跃层。冬季，因表层降温，对流过程发展，混合层向下扩展，导致季节性跃层消失。 8 何谓海洋水团？它和水型、水系有什么关系？ 答：1916 年海兰-汉森将水团watermass这一术语引入海洋学中。中国大百科全书海洋卷，1987定义水团为： “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。 ”水型watertype：斯维尔德鲁普 1942 年首次定义水型，其后广为引用。通常指温、盐度均匀，在温-盐图解上仅用一个单点表示的水体。由于性质完全相同的水样，其观测值皆对应于温-盐图解中的一个点，故水型实质上是“性质完全相同的水体元的集合” 。由此引伸，即可给出水团的集合论定义：“水团是性质相近的水型的集合” 。 水系watersystem ：水系原为陆地水文学术语，在海洋学中水系定义为“符合一个给 。定条件的水团的集合” 换言之， 水系的划分只考虑一种性质相近即可。 在浅海水团分析中，经常提到的沿岸水系和外海水系，就是只考虑盐度而划分的。前者指沿岸低盐水团的集合，后者是指外海受大陆径流影响较小的高盐水团的集合。 9 何谓海洋混合？引起混合的主要原因有哪些？ 答：混合：在动力和热盐等因素作用下，具有不同水文特征的海水不断地相互交换、混杂，从而使一定范围内海水水文要素的分布逐渐趋向均匀， 这类海水运动称为海水混合。 影响混合的主要因素：风、及其产生的波浪和海流，热盐效应，潮汐，内波等。两个或更多水团之间叠置相交时产生混合效应， 它们的交界面即水团边界，或称混合区、交汇区、过渡带、锋面、跃层等。 10 海洋中温度、盐度与密度细微结构的基本特征如何？第三章 海流 1 简述海流的定义、形成原因及表示方法。 答：广义地讲海流是指海洋中较大规模的相对稳定的海水运动。 狭义地讲是指海流在水平方向上的运动分量，而海流垂直方向上的运动分量单独称为上升流或下降流。 海流是矢量。形成原因，两种，海面上的风力驱动，形成风生海流；海水的温盐变化。海洋学中常用右手坐标系：x 轴正方向向东、y 轴正方向向北、z 轴正方向向上。海流流速矢量 V 在直角坐标系中表示为：Vuivjwk 其中 u、v 和 w 依次为 x、y 及 z 轴上的分量。海流一般以带箭头的线段表示，箭矢方向指海水的去向，线段长短表示海流的大小，单位 m/s 或 Kn。 2 引起海水运动的力有哪些？ 主动力：引起海水运动的力。如重力、压强梯度力、风应力和引潮力等。 。被动力：海水运动派生出的力。如科氏力、摩擦力等 3 何谓地转流？ 它与密度场、应力场之间的关系如何？地转流：斜压海洋中等压面倾斜于等势面，水平压强梯度力与科氏力平衡时，海水稳定的流动称为地转流。对于倾斜流或坡度流，北半球观测者面朝流向而立，右侧水位高、左侧水位低；对于密度流，北半球观测者面朝流向而立，右侧海水密度小、温度高、盐度小，左侧海水密度大、温度低、盐度大。南半球情形正相反。在北半球，海流运动因感应到科氏力的作用，表层海水会倾向向右侧堆积。斜压场：对于倾斜流或坡度流，北半球观测者面朝流向而立，右侧水位高、左侧水位低；对于密度流，北半球观测者面朝流向而立，右侧海水密度小、温度高、盐度小，左侧海水密度大、温度低、盐度大。 4 简述风海流理论的基本内容。 风海流：海面在稳定风场长时间作用下，当垂直湍流引起的水平摩擦力与水平科氏力平衡时，所形成的海水稳定流动。北半球无限深广的海面上，假定：1）稳定风场只沿 y 轴方向吹，且长时间作用；2）水深无限，海水密度均匀分布，海面水平；3）只考虑垂直湍流引的水平摩擦力；4）科氏力不随纬度变化。风海流运动方程 边界条件1 2u KZ fv 0 z 2 v x 0 y K z 当z 0 时1 K 2v z fu 0 Z z 2 uv0 当z 时 u V0 e az cos45 az v V0 e az sin45 az 方程组解 5 风生大洋环流理论的基本结论有哪些？ 答：当科氏力为常数时，流线对称；考虑科氏力随纬度变化时，在大洋西岸流线密集流速大；大洋东岸，流线稀疏，流速小。这种现象称为洋流西向强化。科氏参量随纬度的变化率（165 页倒数第二行）是引起洋流西向强化的主要原因。 6 何谓热盐环流？ 它在世界大洋环流中扮演什么角色？ 答：有温，盐变化引起的环流常被称为热盐环流。角色：在大洋中下层占主导地位，热盐环流相对于风生环流而言， 其流动是缓慢的，但他是形成大洋中下层温盐分布特征及海洋层化结构的主要原因，可以说它具有全球大洋的空间尺度。 7 简述赤道流系的主要海流及其形成原因及水文特征。 答：由南赤道流、北赤道流、赤道逆流和赤道潜流构成。贸易风在气象赤道南北两侧风力较强，但在赤道上由于气流辐合、上升，风力微弱，称为赤道无风带。因此西向之赤道流在气象赤道南北最强， 而沿着气象赤道则流速较弱同时海面为辐散。 贸易东风会造成水位在大洋西侧抬升，形成西高东低的水位分布（每 1kkm 约差 4cm，大西洋东西两侧相差约15cm） ，此水位分布推动部份海水沿气象赤道由西向东作下坡流动，即赤道逆流。另一部份海水在表层以下向东流动， 即赤道潜流。 厚约 200m， 约 300km， 宽 最大流速高达三节以上，轴心位置在海面下约 100m 处，流量很大，系南北赤道流流到西界的部份补偿流。 8 北半球有哪几支西边界流？有哪些显著特点？ 答：北半球有太平洋的黑潮， 大西洋的湾流，与近岸海相比， 具有赤道流的高温高盐，高水色和透明度等特征。湾流在海面上的宽度为 100150KM，表层最大流速可达 2.5m/s最大流速偏于流轴左方。沿途流量不断增大，影响深度可达海底；弯流两侧有自北向南的逆流存在。 湾流的运动事实上处于低转平衡占优势状态。 黑潮是沿着北太平洋西部边缘向北流动的一支强西边界海流，同样处在准地转平衡中，能使持续稳定的流量向高维输送。 9 南、北两半球西风漂流区有哪些主要特征？ 答：北太平洋流，北大西洋流，南半球的南极绕级流。其共同点是:在细分漂流区内存在着明显的温度经线方向梯度， 这一梯度明显的区域称为大西洋极锋。 极锋两侧的水文和气候状况具有明显差异。 北大西洋流将大量的高温高盐海水带入北冰洋， 对北冰洋的海洋水文状况影响深远，同时对北欧的气候状况也有巨大的影响。南极绕级流极锋辐聚较明显。构成南半球各大洋的反旋式大环流。 10 为什么北海道与南美西岸能成为世界有名的大渔场？ 答：北海道由于寒暖流交汇所产生的强烈混合，海洋生产了力高，从而使西北辐聚区形成良好的渔场， 南美西岸中上升流是东界流海区的一个重要海洋水文特征。 由于信风几乎常年沿海岸吹，而且分布不均匀，即近岸小，海面上大，从而造成海水离岸运动所致。 11 何谓大洋中尺度涡？有何基本特征？ 水平尺度约为 100500km，时间尺度约为 20200d 的流涡，他们广泛的寄居于总的大洋环流之中，且以（15）0.01m/s 的速度移动着。这些流涡称为“中尺度涡”特征，他们的动能和势能数量级的区域不均匀性， 涡在形成后，能被强流吸收， 也能传播到其他海域，导致涡场导致动能势能的数量级多变性，涡的时间尺度相对变化较小。第四章 波浪 1 海洋波浪的分类有哪些？它们的定义各是什么？ 答：按成因：风浪、涌浪、近岸浪、潮波、风暴潮及海啸等； 按周期：毛细波lt1s、重力波130s、超重力波数分钟数小时、潮波1224 小时和长周期波数天；按波形：前进波和驻波；按水深与波长之比：深水波 hl/2、过渡波l/20lthltl/2及浅水波 hl/20；按作用力性质：自由波 （如涌浪、海啸） 和强迫波（如风浪、潮波） 按发生深度： 表面波和内波； 按振幅与波长之比： 小振幅波或线性波和有限振幅波。当波长小于 1.74cm 时，表面张力效应较为重要，这种涟漪小波表面张力波具有圆形波峰以及 V 型波谷。当波长较长时，重力效应就变得比较重要，此时波形和正弦曲线非常相近，这是重力波的特性。 当波浪能量不断增加， 重力波的波形便会渐渐改变为波峰变尖而波谷则变圆的形状，当波陡达到 1/7 或以上时波形就无法支撑而发生碎波。 2 归纳小振幅波理论的主要内容。 答：是指波动振幅相对于波长为无限小H/l0， 重力为其唯一外力的海面规则波动，具有正弦波形。理论上，可根据海水连续方程、运动方程和初边界条件，在一定假定条件下求解其运动规律。 3 驻波及波群是怎样形成的？有哪些基本特性？ 答：驻波由两列振幅、周期、波长相等，但传播方向相反的正弦波叠加而成。z1asinkx-st。z2a sinkxst。 因此，驻波波面方程：z z1z2 2a sinkx cosst。驻波波形并不向前传播，所有水质点均围绕各自平衡位置作振动。 波群由两列振幅相等，波长和周期相近，传播方向相同的正弦波叠加而成。z1asinkx-st ， z2a sink x-s t 。 波 群 的 波 面 方 程 ： z2acosk-kx/2-s-st/2sinkkx/2-sst/2 合成振幅， 合成振幅变化范围 2a， 合成振幅变化速度s-s/k-kds/dkcg 波群传播速度合成波速 c，css/kk 4 有限振幅波的概念及主要特征？ 答：振幅相对于波长不能忽略，与小振幅波相比，它更接近实际海浪。有限振幅波的波动理论很多， 主要有 Stokes 波、 Cnoidal 波、 孤立波等。有限振幅波理论 Stokes wave。随着波高的增大， 有限振幅波波剖面的非对称性逐渐增强。 Stokes 波的波剖面不是简谐曲线，相对于平均水面是不对称的，其水质点振动中心高于平均水面 ka2/2。有限振幅波波速不仅与 波 长 与 关 ， 而 且 与 波 陡 与 关 。 通 常 波 陡 越 大 ， 则 波 速 也 越 大 。 gc2 1 2 2 2 。有限振幅波波速大于小振幅波，当陡陡很小时，与小振幅波波速相同。有限振幅波水质点轨迹近似为圆，但在一个周期内不封闭