03-4 海洋温密盐分布-水团.ppt

1 3 4海洋温度 盐度和密度的分布 第三章海水的物理特性及其表征 世界大洋温度 盐度和密度的分布及其变化 是海洋科学的最基本内容 它几乎与所有的海洋现象都有密切联系 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 本节主要内容 1 海洋温度的分布与变化 2 盐度的分布变化 3 海洋密度的分布变化 2 水平分布 大洋表温的分布主要决定于太阳辐射和大洋环流两个因子 在极地海域 结冰与融冰影响也起重要作用 进入海洋的太阳辐射能 除少部分返回大气外 余者全被海水吸收并转化为热能 其中约60 的辐射能被1m厚的表层吸收 大洋表温变化于 2 30 之间 年均值17 4 太平洋最高19 1 印度洋17 0 大西洋16 9 相比各大洋总平均温度3 8 大洋表层是相当温暖的 太平洋表温高是因为其热带和副热带面积大 表温高于25 面积占66 大西洋仅18 而大西洋与北冰洋间较畅通也是原因之一 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 3 水平分布 南 北两半球的大洋表温有明显差异 北半球高于南半球相同纬度2 而大西洋南 北50 70 间则相差7 其原因是因南赤道流一部分跨越赤道进入北半球 另是北半球陆地阻碍了北冰洋冷水流入 而南半球则与南极海域直接联通 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 4 大洋环流 5 世界大洋2月和8月表温分布具如下共同特点 1 等温线分布沿纬线大致呈带状 40 S以南海域几乎与纬度圈平行 冬季明显于夏季 这与太阳辐射的纬度变化密切相关 2 冬 夏季最高温度均出现在赤道附近海域 西太平洋和印度洋近赤道海域达28 29 位置在7 N左右 称为热赤道 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 水平分布 6 4 两半球副热带到温带 特别是北半球 等温线偏离带状分布 在大洋西部向极地弯曲 大洋东部则向赤道方向弯曲 此格局造成大洋西部水温高于东部 在亚北极海区 水温分布与上述特点恰恰相反 即大洋东部比西部更温暖 这种差异在北大西洋尤为明显 东西两岸水温差夏季6 冬季达12 上述分布特点由大洋环流造成 在副热带海区 大洋西部是暖流区 东部为寒流区 亚北极海区正好相反 而在南半球的中 高纬度海域 三大洋连成一片 洋流环绕南极流动 故东西两岸温度差不如北半球明显 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 3 由赤道向两极水温逐渐降低 极圈附近降至0 在极地冰盖之下 温度接近对应盐度下的冰点 如南极冰架下曾记录 2 1 7 5 寒 暖流交汇区等温线密集 温度水平梯度大 如北大西洋湾流与拉布拉多寒流之间 北太平洋黑潮与亲潮之间都如此 另在大洋暖水区和冷水区的两种水团交界处 水温水平梯度也特别大 形成极锋 6 冬季表温分布特征与夏季相似 但水温经线方向梯度比夏季大 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 水平分布 8 大洋表层以下水温 太阳辐射影响迅速减弱 环流情况也与表层不同 故水温分布与表层差异甚大 图3 13为水深500m水温的分布 水温经线方向梯度明显减小 大洋西边界流相应海域出现明显的高温中心 大西洋和太平洋的南部高温区高于10 太平洋北部高于13 北大西洋最高达17 以上 1000m深层的水温经线方向变化更小 但北大西洋东部 由于高温高盐的地中海水溢出直布罗陀海峡下沉 出现大片高温区 红海和波斯湾的高温高盐水下沉 使印度洋北部出现相应的高温区 在4000m层 温度分布趋于均匀 整个大洋水温差仅3 左右 底层水温主要受南极底层水影响 其性质极为均匀 约0 左右 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 水平分布 9 海表面温度水平分布 10 300米深处温度水平分布 11 2000米深处温度水平分布 12 3000米深处温度水平分布 13 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 极锋向极一侧不存在永久性跃层 冬季甚至在上层出现逆温现象 其深度可达100m 夏季表层增温后 由于混合作用 在逆温层的顶部形成一厚度不大的均匀层 因此 往往在其下界与逆温层的下界之间形成所谓 冷中间水 它实际是冬季冷水继续存留的结果 当然 在个别海区它也可由平流造成 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 铅直分布 14 SeaSurfaceTemperature SST 与气温相近 但并不相同与气海相互作用有直接关联当海面极平静无风时 海面会形成一个薄层真正SST不易观测 一般以数十公分海温为代表MixingLayer混合层因海水垂直运动 其温度垂直变化小 近乎均温 此层厚度因地点 时间不同而不同 其厚度大致是0 200m极地 地中海等区域 混合层较厚赤道 混合层较薄Thermocline斜温层梯度大深度在10 1000m它是物理海洋学的重要因子 可以想象此层极端化 上下密度差很大 如此此层可视为海底 它阻止 至少妨碍 海流的垂直运动 改变声音的传输它可以视为界面 可如海表面产生波浪 内波 深海大都形成于极地 温度低垂直变化相对小 一些重要概念 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 15 季节性跃层的生 消规律 3月未生成 冬季分布状态 表温渐增 跃层出现 其深度随时间渐浅 但强度加大 8月为全年最盛 9月起强度减弱 且随对流混合发展 深度逐渐加大 至1月已近消失 后全消 恢复到冬季状态 图3 16西北太平洋 50 N 145 W 实测 季节跃层 双跃层 现象 各次大风的混合深度不同所致 如图中7月和8月的水温分布就是这样 深海沟处逆温现象 地热影响 因压力增大 绝热增温使然 故研究大洋深层海水运动和水团分布时 最好采用位温 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 铅直分布 16 17 大洋的水温日变化很小 0 3 最高值一般在14 15时 最低值则在日出前后 其影响因子是太阳辐射 内波等 在近岸 潮流也是 尽管表层水直接吸收太阳辐射 但湍流混合 表层热量下传 以及蒸发耗热 故其变幅仍很小 相对而言 晴好天气 平静海面 低纬海域 夏季 近岸海域等的水温变幅更大些 随着深度增加 水温日变化的幅度减小 位相落后 50m深度上变幅已很小 最大值出现时间落后表层达10小时 若表层以下存在密度跃层 其 屏障 作用 则会阻止日变化向下传递 内波使跃层起伏而引起的温度变化常常掩盖正常的日变化 其变幅甚至远远超过表层 周期性交替出现的涨 落潮流 携带近 外海不同温度海水 与太阳辐射水温日变化叠加 造成水温变化复杂化 特别是浅海域上层 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 水温变化 18 大洋表温年变化主要受制于太阳辐射 在中高纬度表现为年周期特征 热带海域因太阳一年两次当顶直射 故为半年周期 水温极值出现在太阳高度最大和最小后的2 3个月 年变幅因海域 海流 季风 结 融冰等因素而不同 赤道海域表温年变幅 1 与该海域太阳辐射年变化小直接相关 极地海域表温年变幅也 1 与结 融冰有关 冬季海水结冰释放大量结晶热及海冰热传导性差减缓了水温降低 而夏季因冰面对太阳辐射的反射及融冰消耗大量融解热减小了水温增幅 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 19 年变幅最大值总发生在副热带海域 大西洋百慕大岛附近变幅 8 太平洋30 40 N之间 9 湾流和拉布拉多寒流 黑潮和亲潮间的交汇处高达14 15 其起因是太阳辐射和洋流的年变化 与南半球大洋表温年变化相比 北半球的变幅大 这与季风年变化有关 冬季大陆冷空气大大降低了海面温度 而南半球因洋面广阔及经线方向洋流不如北半球强 故年变幅较小 浅海 边缘海和内陆海的表温受大陆影响 年变幅大 且变化不呈正规正弦曲线 如日本海 黑海和东海的变幅达20 以上 渤海和某些浅水区甚至达28 30 表层以下水温的年变化 主要受混合和海流等因子影响 随深度增加变幅减小 极值出现时间也推迟 海洋温度的分布与变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 20 海洋表层盐度分布与其水量收支有直接关系 对照世界大洋表层盐度分布与年蒸发量与降水量之差 E P 的地理分布可知 E P 高值区与低值区分别与高盐区和低盐区存在着极相似的对应关系 盐度的分布变化 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 平面分布 大洋南 北副热带海域 E P 呈明显高值带状分布 其盐度也为高值带状 赤道区 E P 低值带 则对应盐度低值区 21 海洋表层盐度分布比水温更复杂 其总特征是 1 基本沿纬线呈带状分布 但赤道向两极呈马鞍形双峰分布 即赤道海域盐度较低 副热带海域达最高值 副热带向两极又逐渐降低 2 寒暖流交汇区和径流冲淡区 盐度梯度特别大 某些海域 0 2 km 3 3海洋温度 盐度和密度的分布 盐度的分布变化 平面分布 3 最高与最低盐度值多出现在大洋边缘海盆 如红海北部达42 8 蒸发强 降水与径流小 与大洋交换不畅 黑海为15 23 降水量和径流量 蒸发量 4 冬季分布特征与夏季相似 但季风影响显著海域如孟加拉湾有较大差异 夏季因降水量大 盐度降低 冬季降水少 蒸发加强 盐度增大 22 平均值北大西洋最高 35 5 南大西洋 南太平洋次之 35 2 北太平洋最低 34 2 思考题大洋热收支有哪几种 哪种最重要 大洋水收支有哪些因素 哪些最主要 大洋海表面温度分布规律 大洋垂向温度分布规律 23 课堂练习1 画出全球海陆图2 画出大致温度分布特征 并且画箭头注明 书上有 24 25 3 5海洋水团 水团的定义水团的形成与划分水团的分析方法水型和水系 第三章海水的物理特性及其表征 26 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 即水团内部的特征不要求绝对相同 只是 相近 相对均匀 大体一致 但与周围水体差异必须是 明显 的 实际工作中 对水团的划分有相对的灵活性 如大洋水团的划分 对水团内部特征的 相近 应从严要求 而对浅海水团则可适当放宽 水团的定义 3 4海洋水团 27 水团从其源地所获的各种特性 在运动过程中受环境影响或与周围海水交换 混合 会发生不同程度的变化 此即水团的变性 显然 浅海水团容易变性而大洋水团比较保守 长期以来 人们习惯于把温盐特性作为分析水团的主要指标 1916年由海兰 汉森首创的温 盐图解 T S图解 至今仍被广泛应用 水团的定义 3 4海洋水团 28 所谓T S图解 系指以温度为纵坐标 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T S坐标系中 然后自表至底有序地把各点联结起来的曲线 或折线 图 T S图解在应用中不断发展 如T S点聚图 T S关系图等也成了常用的分析工具图 当水团内部的T S值完全相同时 则T S图解中的一个点就代表一个水团 若水团内部的T S相对均匀 稍有差异 则一个密集的点簇代表一个水团 因此 可根据T S图解中点或者点簇的个数来判定水团的数目 29 水团的形成与划分 3 4海洋水团 大洋水团可以按水平和垂直两种结构划分 水平结构 按热力性质划分 包括低纬度暖水团和高纬度冷水团 两者大致以主温跃层为界 垂直结构 分为五个基本水层 水团 即表层水 次表层水 中层水 深层水及底层水 30 世界大洋水团分布 31 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 水型和水系 3 4海洋水团 32 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 33 3 6海洋混合与细微结构 海洋湍流与混合海洋细微结构 第三章海水的物理特性及其表征 34 湍流 海水运动过程中 任一水质点的运动速度大小和方向随时空变化而无规则变化 这种海水运动称为海洋湍流 湍流是相对于层流而言的 所谓层流是海洋中流速大小和方向相对恒定的层状海水运动 层流中相邻水层之间仅通过水分子热运动进行动量和物质的交换 而湍流中主要通过海水微团不规则运动进行动量和物质的交换 海洋湍流与混合 3 5海洋混合与细微结构 海洋湍流 35 36 湍流可看作由平均运动与流体微团不规则脉动叠加而成 湍流的基本特征 1 随机性 2 扩散性 3 能量耗散性 37 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 海洋湍流与混合 3 5海洋混合与细微结构 海洋混合 38 海洋湍流与混合 3 5海洋混合与细微结构 海洋混合 混合形式有分子混合 湍流混合 对流混合 分子混合 由海水分子及其中溶质分子的不规则热运动产生的混合 其混合强度取决于海水性质 及海水动量 热量和溶质浓度的分布 通常以分子粘性系数 分子热扩散系数及溶质分子扩散系数来表示 由于分子热扩散系数约为分子盐扩散系数的100倍 因此在稳定海洋中会出现所谓的双扩散现象 湍流混合 由海水湍流运动而产生的海水混合 又称涡动混合 对流混合 由海水对流运动而产生的海水混合 39 海洋细微结构 包括细结构 铅直尺度1 100m 和微结构 铅直尺度小于1m 的海洋物理要素场结构 随着海洋精密仪器 CTD等 的开发 发现海水温 盐 密度等要素的时空分布并非传统的光滑连续结