03-2热与水收支平衡ppt课件

1、13.2 3.2 海洋的热量与水量平衡海洋的热量与水量平衡 海面热收支海面热收支 海洋内部的热交换海洋内部的热交换 海洋中的程度衡海洋中的程度衡第三章 海水的物理特性及其表征2l 海洋热量来自太阳辐射能，几乎全部经过海海洋热量来自太阳辐射能，几乎全部经过海- -气界面到达海洋。气界面到达海洋。l 经过海底向大洋保送的热量，除个别热活动剧烈区域外，影响不大；经过海底向大洋保送的热量，除个别热活动剧烈区域外，影响不大；海洋内部放射性物质裂变、生物化学过程及海水运动所释放的热能更是微海洋内部放射性物质裂变、生物化学过程及海水运动所释放的热能更是微缺乏道，故对整个海洋而言，在思索其热平衡时都可忽略不计

2、。当然，在缺乏道，故对整个海洋而言，在思索其热平衡时都可忽略不计。当然，在研讨极小尺度的海洋空间时那么另当别论。研讨极小尺度的海洋空间时那么另当别论。l 世界大洋的平均温度在几十世界大洋的平均温度在几十 几百年的时间尺度内并未变化，可以为海几百年的时间尺度内并未变化，可以为海洋获得的热量与失去的热量一样，这种收支平衡主要经过海面进展。洋获得的热量与失去的热量一样，这种收支平衡主要经过海面进展。l 经过海面热收支的主要因子有：太阳辐射经过海面热收支的主要因子有：太阳辐射(Qs)(Qs)、海面有效回辐射、海面有效回辐射(Qb)(Qb)、蒸发或凝结潜热蒸发或凝结潜热(Qe)(Qe)及海气间的感热交换

3、及海气间的感热交换(Qh)(Qh)，即，即 l Qw=Qs-Qb Qw=Qs-QbQeQeQh Qh l Qw Qw 为经过海面的热收支余项，整体、长期而言应为经过海面的热收支余项，整体、长期而言应Qw=0Qw=0，但部分、短时，但部分、短时那么那么Qw0Qw0。QwQw0 0，海水获热；，海水获热；QwQw0 0，海洋失热。，海洋失热。海面热收支海面热收支 海面热平衡方程3 太阳辐射Qs海面热收支l太阳辐射能太阳辐射能QsQs：地球每年从太阳地球每年从太阳接受的辐射能量接受的辐射能量约为约为5.55.51024J1024J，相当于人类全年相当于人类全年耗费各种能源的耗费各种能源的8.78.7

4、万倍。万倍。l 太阳辐射能的太阳辐射能的l99.999.9集中在集中在0.20.2l10.0mm10.0mm波段内，波段内，l其中可见光其中可见光(0.40(0.40l0.76mm)0.76mm)占占4444，l红外线红外线( (0.76m)0.76m)l占占4747，紫外线，紫外线( (0.40mm)0.40mm)占占9 9。4 4105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12Long-wave radioStandard AM radio Short-wave radio

5、MicrowavesInfraredUltravioletX-raysGamma raysRed OrangeYellowGreenBlueViolet49%7%43%波长(米)波长波谷波峰56海面热平衡方程vhebsQQQQQQ 式中 sQ为到达并进入海面的太阳总辐射又称有效太阳辐射bQ为海面有效回辐射又称海面净长波辐射eQ为蒸发或凝结潜热hQ为海气间感热交换Q为海面热量收支平衡余项2mW各项单位均为vQ为平流热保送7地表吸收Qs=51太阳散射30大气散射6地球热辐射70潜热Qe=23显热Qh=7大气吸收16大气和云吸收112大气和云向上辐射64大气和云向下辐射Qa=97地表反射4地表热辐射

6、Qw=118对流输运30太阳总辐射100云反射20云吸收3穿透大气和云层6有效回辐射Qb=Qw-Qa=21H2O, CO2, O3海面热收支8太阳辐射又称短波辐射，又称短波辐射，99.9%的辐射能集中在的辐射能集中在0.210.0 可见光可见光0.400.76 ，占，占44%红外部分红外部分0.76 ，占，占47%紫外部分紫外部分(0Qt0，海水有净的热收入；海水有净的热收入；南北中、高纬海域南北中、高纬海域Qt0Qt0，海水有净的热，海水有净的热支出。支出。海面热收支l 海海- -气感热交换气感热交换Qh Qh 随纬度变化不大，且量值较小。随纬度变化不大，且量值较小。24On the rea

7、l earth:Warm (air)Cold (air)Convection !EquatorNorth PolePoleEquatorA single cell 25A hypothetical model of Earths air circulation if uneven solar heating were the only factor to be considered.26EquatorNorth Pole30o60oHadley Cells (1935)Equator60o N60o S30o N30o SNorthPoleSouthPole27Global air circu

8、lation as described in the six-cell circulation model.28海面热收支年平均总热通量l 全年平均热净收入海域，因热量积累，水温应不断升高，反之热净支出海域全年平均热净收入海域，因热量积累，水温应不断升高，反之热净支出海域水温应不断降低，但现实并非如此。虽然热带海区表温比中高纬温带与寒带海水温应不断降低，但现实并非如此。虽然热带海区表温比中高纬温带与寒带海域明显高，但它们的年际变化却不大。这阐明大洋内部必然存在自低纬向中高域明显高，但它们的年际变化却不大。这阐明大洋内部必然存在自低纬向中高纬的热量保送纬的热量保送 大洋径向环流大洋径向环流 完成

9、。完成。29 铅直方向热输运Qzl 世界大洋整体的热收支应该相等，但部分海域、不同时段，其热世界大洋整体的热收支应该相等，但部分海域、不同时段，其热收支并不一定平衡。故海收支并不一定平衡。故海- -气热交换余额势必在海洋内部重新分配。气热交换余额势必在海洋内部重新分配。l 海洋内部的热交换方式由诸多要素引起，其表现方式是铅直和程海洋内部的热交换方式由诸多要素引起，其表现方式是铅直和程度方向上的热量输运。度方向上的热量输运。l 铅直方向上的热输运主要经过湍流进展，即经过海面上风、浪和铅直方向上的热输运主要经过湍流进展，即经过海面上风、浪和流等引起的搅动混合，把海面热量向下保送。流等引起的搅动混合

10、，把海面热量向下保送。l 湍流混合一年四季在任何海域都能发生，故它是海洋内部铅直热湍流混合一年四季在任何海域都能发生，故它是海洋内部铅直热交换的主要途径。通常其作用多为将海水表层吸收的辐射能向海洋交换的主要途径。通常其作用多为将海水表层吸收的辐射能向海洋深层保送。而海面有净热量支出的海域，往往由于降温增密作用引深层保送。而海面有净热量支出的海域，往往由于降温增密作用引起对流，结果使热量向上保送。起对流，结果使热量向上保送。l 海洋中的铅直热交换还原因于其它要素，如埃克曼抽吸和大风卷海洋中的铅直热交换还原因于其它要素，如埃克曼抽吸和大风卷吸作用导致下层冷水上涌；在升、降流海域，虽然速度很慢，仅吸

11、作用导致下层冷水上涌；在升、降流海域，虽然速度很慢，仅10-10-610-4m/s610-4m/s，但因年年存在，故其输运热量也相当可观，使升、降流，但因年年存在，故其输运热量也相当可观，使升、降流区水温出现异常，等等。在研讨部分海域热平衡时，不可随便忽视。区水温出现异常，等等。在研讨部分海域热平衡时，不可随便忽视。海洋内部热交换30 程度方向热输运QAl 程度方向上的热保送主要经过海流完成，其热输运量相程度方向上的热保送主要经过海流完成，其热输运量相当可观。当可观。l 单位时间内经过海流垂直方向单位面积所保送的热量单位时间内经过海流垂直方向单位面积所保送的热量q=CpruT，即海流保送的热量

12、除流速外，还与水温高低，即海流保送的热量除流速外，还与水温高低有关。但影响海流经过海区热情况变化的关键不是水温绝有关。但影响海流经过海区热情况变化的关键不是水温绝对值之高低，而是海流方向上的水温梯度，即对值之高低，而是海流方向上的水温梯度，即QA=-CpruT/n，负号阐明热量保送与温度梯度方向相反。，负号阐明热量保送与温度梯度方向相反。l 整个世界大洋的海面热平衡呈纬向带状分布，从而水温整个世界大洋的海面热平衡呈纬向带状分布，从而水温分布亦类似。因此，海流在大洋中程度方向的热保送，沿分布亦类似。因此，海流在大洋中程度方向的热保送，沿经向最为明显。经向最为明显。海洋内部热交换31 海洋全热平衡

13、l 在海面热平衡方程根底上再思索海洋内部的热交换，即有在海面热平衡方程根底上再思索海洋内部的热交换，即有lQt=Qs-QbQeQhQzQAl海洋全热量平衡方程，适用于任何时段和部分海区的热平衡计算。海洋全热量平衡方程，适用于任何时段和部分海区的热平衡计算。l 通常，方程右端各项之代数和通常，方程右端各项之代数和Qt0。Qt0时，海水净吸热，水温升高；时，海水净吸热，水温升高；Qt0时，海水净放热，水温降低。时，海水净放热，水温降低。|Qt|越大，升温或降温速率越快。越大，升温或降温速率越快。Qt 由正转为负时的由正转为负时的Qt=0，对应于水温极大值；，对应于水温极大值；Qt 由负转为正时的由

14、负转为正时的Qt=0，那，那么对应于水温极小值。么对应于水温极小值。l 设一天中的设一天中的Qb、Qe、Qh、Qz 和和QA为常量，那么为常量，那么Qt值变化取决于值变化取决于Qs变变化。通常化。通常Qs值在中午到达最大值在中午到达最大(因太阳高度大因太阳高度大)，此时，此时Qt0，且达最大值，且达最大值，水温升高速率此时也最大；午后因太阳高度减低，水温升高速率此时也最大；午后因太阳高度减低，Qs值减小到与方程右边值减小到与方程右边其他项代数和相等时，有其他项代数和相等时，有Qt0，水温到达极大值而停顿上升。然后，太，水温到达极大值而停顿上升。然后，太阳高度进一步降低，阳高度进一步降低，Qt转

15、为负值，水温开场降低。因此，一天中水温最高转为负值，水温开场降低。因此，一天中水温最高值时间不是中午太阳高度最大时辰，而是午后值时间不是中午太阳高度最大时辰，而是午后13 时左右。同理，水温极时左右。同理，水温极小值时辰发生在小值时辰发生在Qt值由负转正之际，海洋中普通发生在凌晨。值由负转正之际，海洋中普通发生在凌晨。海洋内部热交换32 海洋全热平衡l 同样，一年中水温极大值不在太阳高度最大月同样，一年中水温极大值不在太阳高度最大月份份( (北半球北半球6 6月月) )，而是，而是8 8 月份左右，最低值那么月份左右，最低值那么出如今出如今1212月份。月份。l 研讨海洋热平衡的重要意义在于分

16、析海洋水温研讨海洋热平衡的重要意义在于分析海洋水温时空变化时，能把握主要矛盾。研讨部分海域时，时空变化时，能把握主要矛盾。研讨部分海域时，可以经过计算热平衡各分量，弄清制约该海域热可以经过计算热平衡各分量，弄清制约该海域热情况的主要因子。假设计算后发现情况的主要因子。假设计算后发现Qt0Qt0，且又，且又排除了计算的误差，那就提示我们必需去研讨和排除了计算的误差，那就提示我们必需去研讨和发现新的问题。发现新的问题。海洋内部热交换33l 海洋与外界还不断进展水交换，整体上，水量收支平衡，不过它与热平衡存在质的差别。海洋中的程度衡l 海洋热量由外部热源的太阳辐射输入、并受各种过程制约达成平衡。而海

17、洋中的水量平衡那么不然，其来源及支出都在地球系统本身之内进展，故又称水循环(海洋热平衡不能称为热循环)。l 海洋中的水量收支影响着盐度的分布与变化。34 影响因子l 水收入 ：降水、径流、融冰；水支出：蒸发、结冰。海洋中的程度衡35 影响因子l 水收入 ：降水、径流、融冰；水支出：蒸发、结冰。海洋中的程度衡36 影响因子l 蒸发：使海洋失去热蒸发：使海洋失去热量的同时又失去水量。量的同时又失去水量。海洋每年失去水量海洋每年失去水量450103km3，蒸发水层，蒸发水层厚约厚约125cm。海洋中的程度衡l 各海区蒸发很不均。各海区蒸发很不均。赤道附近小，南、北副赤道附近小，南、北副热带最大，蒸发

18、量达热带最大，蒸发量达140cm，之后向高纬迅速，之后向高纬迅速减小，至两极海海域缺减小，至两极海海域缺乏乏10cm。37 影响因子l 降水：每年约降水：每年约415103km3，分，分布不均。赤道附近热带海域降水量布不均。赤道附近热带海域降水量最大，年平均最大，年平均180cm以上，副热带以上，副热带海域降至海域降至60cm左右，而南北两半左右，而南北两半球极锋附近又显著增多，然后向极球极锋附近又显著增多，然后向极方向迅速减少。方向迅速减少。l 降水量与蒸发量之间，除大于降水量与蒸发量之间，除大于50高纬海域外，其变化曲线几乎高纬海域外，其变化曲线几乎反位相。由于它们是海洋水量支出反位相。由

19、于它们是海洋水量支出与收入的主要影响因子，故必对海与收入的主要影响因子，故必对海洋表层盐度的分布产生宏大影响。洋表层盐度的分布产生宏大影响。海洋中的程度衡3.2 海水的热量与水量平衡38影响因子l 径流：包括地下水入海，各大洋中分布也极不均匀。注入径径流：包括地下水入海，各大洋中分布也极不均匀。注入径流量最大的是大西洋，仅亚马孙河就占全世界径流量的流量最大的是大西洋，仅亚马孙河就占全世界径流量的20，另还有刚果河、密西西比河及欧洲许多河流，它们使大西洋面另还有刚果河、密西西比河及欧洲许多河流，它们使大西洋面上升上升23cm/a。印度洋次之。太平洋的最大注入河流是长江，但。印度洋次之。太平洋的最

20、大注入河流是长江，但不到亚马孙河的不到亚马孙河的1/5，因太平洋广大，故一切陆地径流只使其水，因太平洋广大，故一切陆地径流只使其水面上升面上升7cm/a。l 结冰与融冰：是海洋程度衡中的可逆过程。海冰被海水冲击结冰与融冰：是海洋程度衡中的可逆过程。海冰被海水冲击到陆地上使海洋失去水量，相反，陆地冻结冰的融化会使海洋到陆地上使海洋失去水量，相反，陆地冻结冰的融化会使海洋水量添加。假设陆地冻结冰全部融化流入海洋，将使海面上升水量添加。假设陆地冻结冰全部融化流入海洋，将使海面上升66m。l 结冰与融冰量目前根本平衡，但个别海域的季节不平衡情况结冰与融冰量目前根本平衡，但个别海域的季节不平衡情况仍存在。如南极大陆冰川以仍存在。如南极大陆冰川以1m/d速度向海洋推进，断裂入海后速度向海洋推进，断裂入海后构成宏大冰山；北极海域格陵兰岛也是冰山发源地，这些冰山构成宏大冰山；北极海域格