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文档简介

1、 海洋科学导论1 海洋科学导论2主编简介冯士筰中国科学院院士,中国海洋大学教授,曾任中国海洋大学副校长,国家教委科学技术委员会一、二、三届委员,现任国务院学位委员会学科评议组海洋组组长,全国博士后管理委员会专家组成员,高等学校海洋科学教学指导委员会主任,中国海洋大学物理海洋研究所所长。科研方向是物理海洋学和环境海洋学。主要著作有:风暴潮导论(科学出版社出版,获“1982年度全国优秀科技图书一等奖”)、物理海洋数值计算(与孙文心合编,河南科学技术出版社出版,1992)。科研项目“浅海风暴潮动力机制和预报方法的研究”及“拉格朗日余流和长期输运过程的研究一种三维空间弱非线性理论”分获第二届(1982

2、)及第四届(1989)国家自然科学奖三等奖。李凤岐中国海洋大学教授,博士生导师,曾任中国海洋大学海洋环境学院副院长。现任高等学校海洋科学教学指导委员会委员,中国海洋大学教学评估常设专家委员会主任,中国海洋大学环境科学与工程研究院院长。1995年获全国优秀教师称号,1997年获国家级教学成果二等奖。科研方向为物理海洋学和环境海洋学。主要著作有物理海洋学(与叶安乐合编,中国海洋大学出版社出版,1996年获华东区大学版协优秀图书二等奖)。科研项目“渤、黄、东海近海区大面积水温预报”1981年获山东省科技进步一等奖,“模糊数学方法在水团分析中的应用”、“浅海变性水团分析和预报研究”、“中国近海异常海温

3、分析和预报研究”,分别于1988年、1995年和1997年获国家教委科技进步二等奖。李少菁厦门大学教授,博士生导师。曾任厦大海洋学系主任,国家教委科技委一、二届学科组成员,国家自然科学基金委三、四届学科组成员。现兼任中国甲壳动物学会副理事长等。科研方向是海洋浮游生物学和甲壳动物学。主要著作有:海洋浮游生物学(与郑重等合著,海洋出版社,获1988年国家教委全国高校优秀教材特等奖,英文版Marine Planktology, China Ocean Press &Springer-Verlag),中国海洋浮游桡足类(与郑重等合著,上海科技出版社,获1995年国家海洋局科技进步二等奖)。科研项目:锯

4、缘青蟹生殖生物学和人工育苗技术研究及闽南-台湾浅滩渔场上升流区生态系研究(主要参加者),分获福建省科技进步二等奖(1996)和国家科技进步三等奖(1995)。序言一九九八年是国际海洋年,恰逢厄尔尼诺爆发时期,全球气候异常,中国两江洪水肆虐,海洋成了人们关注的焦点。海洋是生命的摇篮,她孕育了人类的文明。现今人类的 70%以上,过半数的超百万人口的大城市,都离海岸不足100km,这反映了人类与海洋关系的密切。对于困扰全世界的人口、资源和环境等难题的解决,人们都寄希望于海洋的开发和利用。 海洋科学导论3海洋的开发利用,依赖于科学技术的进步,因为对海洋特征和规律的研究,是开发和利用的基础。但是,人类虽

5、早已登上远离地球384 400km的月球,却至今仍然没能下潜至只有10km之多的地球海洋的最深处进行直接探测。海洋的探索和研究更具有挑战性。海洋是一个开放的、具有多样性的复杂系统,其中有各种不同时空尺度和不同层次的物质存在和运动形态。这一属性决定了海洋科学的多学科综合与交叉。例如,与其最相近又相似的大气科学相比,海洋科学就多出海洋生物的一大分支。海洋科学的上述特征在早期的海洋研究中已显示出来,现今海洋科学中的多学科综合与交叉变得更为重要。事实上,现代海洋科学已经发展成为一个复杂的科学体系。它甚至在人-地系统中通过人与海洋相互作用与社会科学相联系。海洋科学导论一书,是为我国海洋类专业大学生编写的

6、基础课教材,比较系统地介绍了海洋科学主要分支学科的基础内容。有别于以往同类教材的是,它注意从地球科学体系看海洋科学,也注意海洋科学本身的体系和各分支学科间的交叉与渗透。新增加的“海洋与大气”、“卫星海洋遥感”等章反映了各分支学科的新研究成果。“中国近海的区域海洋学”及环境保护与污染治理等内容,有助于可持续发展概念的建立。故本教材注意内容的系统、更新和实用。本书在统一拟订的框架下由不同专业的教师分工撰写,书中融入了教师本人的一部分教学经验和科研成果。全书经过集体讨论修改后定稿。由于海洋科学覆盖较多的分支学科,这些学科的性质有一定差异,还尽量照顾不同专业学生的需要,故书中各章取材的广度和深度不尽相

7、同。各章间的最佳平衡,有待于今后讲授使用过程中探索寻取。本书除作教材外,还可供有关科技工作者参考。前言高等学校海洋科学教学指导委员会成立伊始,就赶上了教育部批准的“面向21世纪海洋科学类专业教学内容和课程体系改革”的立项研究。通过广泛调研、反复研讨,项目组和教学指导委员会形成了一个共识:需要为海洋科学类本科生及相近专业的学生编写一本面向21世纪的共同基础课教材海洋科学导论。随着课题研究的深入,对该教材的要求也有了更深刻的理解,即它应该具有基础性、系统性、科学性、先进性和启迪性。海洋科学导论是为一年级下学期至二年级上学期的学生使用的,应面向21世纪为海洋科学类本科生及相近专业的学生打下宽厚的基础

8、。鉴于海洋科学业已形成了自己的体系,“导论”就应充分体现其系统性和科学性。作为面向21世纪的教材,其内容应具有先进性,其讲述应具有启迪性,在培养学生崇尚创新精神和注重实际能力方面进行一些尝试。在上述思想的指导下,我们力求从地球科学系统看海洋科学体系,而对海洋科学本身,则以其体系为主线,系统阐述海洋科学的基本概念、基础理论和主要成果,同时又注意介绍各分支之间的内在联系,相互作用、交叉和渗透。海洋与大气、卫星海洋遥感、中国近海的区域海洋学等新章节的设置,各分支学科近年来的主要进展和最新成果的介绍,对各分支学科发展态势和方向的启迪式展望等,是我们进行的新尝试。在提高学生环境保护意识和可持续发展观点等

9、方面, 海洋科学导论4虽未单独编写一章,但在各分支学科的有关章节中,均有意识地强调了这方面的内容;尤在第四、第九、第十一及第十二章中,更给以较多的篇幅。作为教材,本书每章均附有思考题或练习题以供复习或选作。为使读者查阅方便,各章也列出了主要参考文献。本书的编写分工如下:第一章,李凤岐;第二章,李学伦;第三章,王凤钦、李凤岐;第四章,张曼平、谢式南、杨逸平;第五章、第六章,王凤钦;第七章,胡建宇(其中风暴潮为冯士筰撰写);第八章,周发琇;第九章,李少菁、许振祖、钱树本、李永祺;第十章,包青华、刘智深;第十一章,贺明霞;第十二章,李凤岐。全书初稿完成后,由冯士筰、李凤岐统一修改并定稿。本书的编写,

10、得到教育部高教司、高等教出版社的重视与指导,中国海洋大学、厦门大学给予大力支持和具体的领导。中国海洋大学文圣常院士、陈宗镛教授、苏育嵩教授、孙孚教授、吴德星教授、刘秦玉教授、武心尧教授、杜勇教授,厦门大学黄奕普教授、许天增教授、李圣云副教授,中国科学院南海海洋研究所施平教授,中国科学院海洋研究所顾宏堪研究员、邹景忠研究员,国家海洋局第一海洋研究所丁永耀研究员、吴世迎研究员等,都对书稿提出了宝贵的修改意见;高等教育出版社黎勇编审从本书编写大纲的讨论开始,至书稿审读、编辑加工都提出了许多宝贵意见,付出了许多心血;高等社绘图科全体同志为本书清绘插图付出了辛勤的劳动。编、撰者谨在此一并致以衷心的感谢。

11、张曼平教授不辞劳苦,为本书的文字输入、修改付出了大量的心血,没有他的忘我工作,很难设想本书能及时付印。本书虽几经修改,但终因时间紧迫、更兼编、撰者常识与水平所限,错误与不足之处在所难免,衷心企盼批评指正。况且海洋科学覆盖的分支学科较多,它们之间的差异较大,又要顾及不同专业学生的基础与需要,故各章的取材广度、深度不同,虽力求协调,但编写的初衷能否实现,还有待专家与读者检验。主编一九九八年十月五日 海洋科学导论5海洋科学导论目录第一章绪论 11.1地球科学 11.1.1地球科学体系 11.1.2海洋科学 41.2海洋科学的发展史 71.2.1海洋知识的积累与早期的观测、研究(18世纪以前)71.2

12、.2海洋科学的奠基与形成(1920世纪中叶)71.2.3现代海洋科学时期(20世纪中叶至今)71.2.4海洋科学的未来 91.3中国的海洋科学101.3.1历史的贡献101.3.2艰难的历程101.3.3美好的前景10第二章地球系统与海底科学 132.1地球的基础知识132.1.1地球的宇宙环境132.1.2地球的形状142.1.3地球的圈层结构152.1.4地球的起源与地质时代182.2海与洋202.2.1地表海陆分布202.2.2海洋的划分222.2.3海水的起源与演化252.3海底的地貌形态262.3.1海岸带262.3.2大陆边缘262.3.3大洋底302.4海底构造与大地构造学说32

13、2.4.1大陆漂移332.4.2海底扩张332.4.3板块构造352.4.4海洋盆地的形成与构造演化372.5海洋沉积402.5.1滨海沉积40 海洋科学导论62.5.2大陆架沉积442.5.3大陆坡陆隆沉积452.5.4大洋沉积462.6海底矿物资源482.6.1滨海砂矿482.6.2海底石油和天然气482.6.3磷钙石和海绿石492.6.4锰结核和富钴结壳502.6.5海底热液硫化物512.6.6天然气水合物532.7古海洋学与全球变化研究53第三章海水的物理特性和世界大洋的层化结构 563.1海水的主要热学和力学性质563.1.1纯水的特性563.1.2海水的盐度583.1.3海水的主要

14、热性质和力学性质603.1.4海水的密度和海水状态方程663.2海冰693.2.1海冰的形成、类型和分布693.2.2海冰的物理性质713.2.3海冰与海况723.3世界大洋的热量与水量平衡733.3.1海面热收支733.3.2海洋内部的热交换793.3.3海洋中的水平衡813.4世界大洋温度、盐度、密度的分布和水团833.4.1海洋温度、盐度和密度的分布与变化833.4.2海洋水团 1013.4.3海洋混合及温度、盐度、密度的细微结构 103第四章海水的化学组成和特性1114.1海水的化学组成1114.1.1海水的主要成分1134.1.2微量元素1164.1.3海水中的放射性同位素1204.

15、1.4海洋化学污染物1214.2海水中的二氧化碳系统125 海洋科学导论74.2.1海水的pH值1264.2.2海水的缓冲容量1284.2.3海水的总碱度、碳酸碱度和总二氧化碳1284.3海气界面的气体交换1304.3.1海水中的溶解气体1304.3.2气体在海气界面的交换1324.3.3含硫气体和甲烷1344.3.4氮和惰性气体1354.4海水中的营养元素1364.4.1海洋中氮、磷、硅的主要存在形式1364.4.2海洋中硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐的分布与变化1384.4.3海洋中氮、磷、硅的循环1424.5海洋的化学资源145第五章海洋环流1475.1海流的成因及表示方法1475.2海流运动方

16、程1485.2.1运动方程1485.2.2连续方程1555.2.3边界条件1585.3地转流1585.3.1地转方程及其解1585.3.2地转流与密度场、质量场之间的关系1605.3.3地转流的动力计算方法1625.4风海流1645.4.1埃克曼无限深海漂流理论1645.4.2浅海风海流的基本特征1675.4.3风海流的体积运输1675.4.4上升流与下降流1685.4.5近岸流的基本特征1695.5世界大洋环流和水团分布1705.5.1风生大洋环流1705.5.2热盐环流1715.5.3世界大洋环流和水团分布173第六章海洋中的波动现象1836.1概述1836.1.1波浪要素1836.1.2

17、海洋中的波浪184 海洋科学导论86.2小振幅重力波1846.2.1波形传播与水质点的运动1856.2.2波动公式与波动能量1876.3有限振幅波动1926.3.1斯托克斯波的波剖面1926.3.2波速与波高1926.3.3水质点运动轨迹1926.3.4波动的能量1936.3.5波动的振幅与波高1936.4海洋内波1936.4.1界面内波1936.4.2密度连续变化海洋中的内波1966.5开尔文波与罗斯贝波1986.5.1开尔文波2006.5.2罗斯贝波2026.6风浪和涌浪2026.6.1风浪的成长与消衰2056.6.2浅海和近岸海浪2096.6.3海浪的随机性与海浪谱212第七章潮汐 21

18、27.1潮汐现象2127.1.1潮汐要素2127.1.2潮汐不等与潮汐类型2137.2与潮汐有关的天文学知识2147.2.1某些天文学的基本概念2147.2.2时间单位2167.3引潮力2177.3.1引潮力的定义2177.3.2引潮力公式2187.3.3引潮力势2207.4平衡潮2207.4.1潮汐静力理论2207.4.2平衡潮潮高公式2227.4.3推算潮时的简易方法-八分算潮法 2247.4.4对潮汐静力理论的评价2257.4.5假想天体和分潮2257.5潮汐动力理论227 海洋科学导论97.5.1潮汐动力理论的基本思想2277.5.2长海峡中的潮汐和潮流2277.5.3窄长半封闭海湾中

19、的潮汐和潮流2287.5.4半封闭宽海湾中的潮汐和潮流2307.5.5各种形态海区中潮波特性的比较2347.6风暴潮2347.6.1定义2347.6.2分类2357.6.3中国的风暴潮2367.6.4预报237第八章大气与海洋 2398.1地球大气的平均状态2398.1.1地球大气的成分与气象要素2398.1.2大尺度大气运动的基本特征2498.1.3平均大气环流2518.1.4季风2588.2海洋上的天气系统2608.2.1锋面与温带气旋2608.2.2热带气旋与台风2628.2.3副热带高压2658.2.4热带辐合带2678.3海洋-大气相互作用 2688.3.1海洋在气候系统中的地位26

20、88.3.2海洋-大气相互作用的基本特征 2718.3.3 ENSO及其对大气环流的影响275第九章海洋生物 2809.1海洋生物的环境分区2809.1.1水层部分2809.1.2底层部分2829.1.3海洋环境分区2849.2海洋生物多样性2859.2.1生物多样性概念2869.2.2海洋生物多样性的利用和保护2979.3海洋生物生态类群及生物地理学3059.3.1海洋生物生态类群3059.3.2生物地理学的基本概念及专门名词3139.4海洋生态系统315 海洋科学导论109.4.1海洋生态系统的基本概念3159.4.2海洋生态系统的组成成分3169.4.3食物链和食物网3179.4.4微型

21、食物网3209.4.5海洋生物生产力3229.4.6海洋生态系统中生物生产过程和反馈调节 3289.5海洋环境中的若干生物学问题 3309.5.1海洋中的污染物与生物学过程 3309.5.2赤潮及其防治 3379.5.3海洋污损生物和钻孔生物 3429.5.4海洋生物对海水中声和光的物理效应 3449.6海洋生物资源的开发利用 3509.6.1海洋生物资源 3509.6.2海洋药物资源 3549.6.3海洋生物资源的持续开发利用 355第十章海洋中的声、光传播及其应用36010.1海洋声学概说36010.1.1水声学与海洋声学的发展36010.1.2海洋声学研究内容36110.1.3海洋声学遥

22、感的应用前景36110.2声波的基本理论36210.2.1声波36210.2.2理想流体中的小振幅声波36210.2.3海水中声波的传播速度36410.3海洋的声学特性36710.3.1海水中的声速和声速铅直剖面36710.3.2海水的声吸收37010.3.3海面波浪的声散射37210.3.4海底声学特性37210.3.5海洋内部的不均匀性对声波的影响37410.4浅海中声传播理论和典型水文条件下的声场特征37410.4.1波动声学基础37410.4.2射线声学基础37510.4.3分层不均匀海洋中的射结声学37710.4.4海洋中声的波导传播和反波导传播37810.4.5深海水下声道3791

23、0.4.6浅海表面声道381 海洋科学导论1110.5海洋的环境噪声38110.5.1海洋中的噪声源38110.5.2海洋动力学噪声谱特性38210.6海洋声学方法遥测和反演海洋参数38310.6.1声遥测海洋参数38310.6.2利用声波反演海洋气候参数38310.7海洋的光学性质38410.7.1海洋光学中的一些光学性质38510.7.2海-气交界面的光学性质 38710.7.3光在海水中的衰减38910.7.4海水中光的散射39010.7.5海洋光学仪器39310.8海洋中的辐射传递理论39410.8.1两流辐射传递理论39410.8.2海洋辐射传递的辐亮度传递过程39510.9水中能见

24、度39810.9.1水下目标的对比度39810.9.2图象在水中的传输40110.10海洋激光雷达及其应用 40210.10.1海洋激光雷达水深测量方法 40310.10.2海洋激光雷达叶绿素浓度测量方法 40510.11水下电视 40610.11.1距离选通式 40710.11.2视场扫描式 408第十一章卫星海洋遥感41111.1引言41111.1.1卫星海洋遥感及空间海洋观测历史背景41111.1.2卫星海洋遥感系统41211.1.3卫星遥感对海洋科学研究的价值41411.1.4 90年代的海洋卫星计划41811.2卫星海表温度遥感41911.2.1引言41911.2.2红外辐射计工作原

25、理41911.2.3卫星海表温度的反演42111.2.4卫星海表温度的应用42111.3海色卫星遥感42211.3.1引言422 海洋科学导论1211.3.2 SeaWiFS与CZCS海色传感器 42311.3.3与海色卫星遥感有关的海洋光学特性42411.3.4海色反演原理42511.3.5海色卫星资料的应用42811.4微波高度计42911.4.1引言42911.4.2卫星高度计的基本原理43011.4.3卫星高度计的应用43311.5微波散射计43611.5.1引言43611.5.2星载微波散射计测风原理43611.5.3星载微波散射计风场的反演43711.5.4 SSMI简介43811

26、.5.5卫星风场资料的应用43911.6星载合成孔径雷达44111.6.1引言44111.6.2 SAR成象原理 44111.6.3从卫星SAR海浪图象反演海浪方向谱 44411.6.4合成孔径雷达在其他海洋研究中的应用446第十二章中国近海的区域海洋学44912.1自然环境概况44912.1.1地理位置、区划和岸线44912.1.2海底地形、沉积与构造45112.1.3径流特征45312.1.4气候概况45712.2海洋水文状况45912.2.1海面热平衡状况45912.2.2水温场、盐度场与密度场46012.2.3跃层、内波与细微结构47312.2.4水色、透明度和声速的分布与变化4791

27、2.2.5海冰的分布与变化48212.3水团和海洋锋48612.3.1渤海和黄海的水团48612.3.2东海和南海的水团48912.3.3海洋锋及其和渔场的关系49212.4海洋环流49412.4.1水平环流概况494 海洋科学导论1312.4.2上升流和冷、暖涡旋49812.5潮汐、潮流和海浪50012.5.1潮汐和潮流50012.5.2海浪50212.6海水化学要素的分布与变化50312.6.1溶解氧含量及饱和度50312.6.2活性磷酸盐50412.6.3活性硅酸盐50512.6.4硝酸盐50512.6.5亚硝酸盐50612.6.6 pH值50712.6.7总碱度50812.7生物特征与

28、海洋资源50912.7.1浮游、游泳(渔业)与底栖生物特征及资源50912.7.2化学、动力与矿物资源51212.8海洋环境保护51312.8.1海洋环境损害与污染51312.8.2污染治理与环境保护515 海洋科学导论14第一章绪论1.1 地球科学海洋是地球系统的重要组成部分,海洋科学属于地球科学体系,为此,先对地球科学体系作一简略介绍。1.1.1地球科学体系在苍茫的宇宙之中,迄今只发现地球上有人类繁衍生息,这不能不说是地球的独特与幸运。地球科学就是以人类之家地球为研究对象的科学体系。从不同角度、对地球内外不同圈层和范围进行研究而形成的各个学科,则是地球科学体系的分支和组成部分。由于地球科学

29、系统本身的复杂性,深入研究其某一部分的学科,便不断形成、发展,有的则逐渐分化而成为相对独立的学科。与此同时,基于地球各部分之间存在的客观联系,特别是不同学科或方法的互相借鉴、交叉与渗透,遂不断形成一些新的交叉或边缘学科。这样一来,地球科学便形成了众多的分支及相关学科,组成了一个复杂的科学体系。目前占优势的观点认为,地球科学主要包括地理学、地质学、大气科学、海洋科学、水文科学、固体地球物理学,而环境科学和测绘学也与地球科学有着极为密切的关系。一、地理学是研究地球表面自然现象、人文现象以及它们之间的相互关系和区域分异的学科。所谓地球表面,通常是指地球的大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和人类圈(又称智能

30、圈)相互交接的界面。广义的地球表面,上自大气对流层顶部,下至岩石圈沉积岩层底部,厚度可达(3035)km。狭义的地球表面,则指大气圈、岩石圈、水圈的交接面,上限离地面不超过 100m,相当于对流层近地面摩擦层下部地面边界层,下限为太阳辐射能可到达的深度;由于这一深度在陆地不超过地下30m,在海洋不超过水下200m,所以狭义的地球表面的厚度,一般不超过 200300m,但这却正是生物和人类活动最为集中也最为活跃的场所。地理学是一门既古老又年青的学科,其漫长的发展历程可分为三个时期,即古代地理学时期自远古至 18世纪末;近代地理学时期自19世纪至20世纪50年代;现代地理学时期自 20世纪60年代

31、至今。历经三个时期的延续和 海洋科学导论15发展,地理学形成了众多的分支,也组成了系统的体系。其主要分支学科有自然地理学、人文地理学、历史地理学、区域地理学、地图学、地名学、方志学等;20世纪60年代以来,又形成了一些横向的理论性、应用性和方法性分支学科,如理论地理学、应用地理学和地理数量方法等。需要说明的是,许多研究地球表面某一圈层或某一圈层中部分要素而原属于地理学范畴的学科,业已分出且进一步发展或与其它学科交叉渗透,从而形成了相对独立的学科,如大气科学、海洋科学和水文科学等。二、地质学是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。地质学的研究对象,包括地

32、球的内、外圈层,矿物和岩石,地层和古生物,以及地质构造和地质作用等等。由于观察和研究条件的限制,在现阶段仍主要是研究岩石圈,此外,也涉及大气圈、水圈、生物圈以及岩石圈以下更深的部位,甚至也包括某些地外物质。从人类对地质现象的观察和描述历史看,地质学堪称悠久,但是作为一门学科,其成熟则较晚。盖因作为研究对象的地球是如此庞大而又古老,从不同侧面和范围,以不同观点和方法,不同的学派和不同的时期,都曾有激烈而又反复的争论。地质学的发展,大致可归结为五个时期。即:从远古至1450年为地质科学的萌芽时期;14501750年为地质学的奠基时期;17501850年为地质学的形成时期;地质学的发展时期;20世纪

33、则迎来了地质学新阶段现代地质学时期,地质学已形成了包含众多分支的理论体系。2地质学的分支学科大体可分为两类。第一类是探讨基本事实和原理的基础学科,由这些基础学科与生产或其它学科结合而形成的学科,则构成了地质学的第二类分支学科。在第一类内,有矿物学、岩石学、矿床地质学、地球化学、动力地质学、构造地质学、地貌学、地质力学、古生物学、地层学、历史地理学、古地理学、地质年代学和区域地质学。此外,还有着眼于天体研究的行星地质学、天文地质学等等。着眼于地球深部的研究,则是刚刚开拓的新领域。第二类有水文地质学、工程地质学、环境地质学、灾害地质学、金属矿产地质学、非金属矿产地质学、石油地质学、煤地质学、找矿勘

34、探地质学和矿山地质学等。属于广义地质学或地质科学范畴的,还有地球物理勘探、地球化学勘查、探矿工程、测绘学、地质资料的航空测量与遥感技术、数学处理方法和计算机技术等。依中国大百科全书,测绘学及相关学科已另立分卷。三、固体地球物理学地球物理学是地质学与物理学间的边缘学科,它研究的是各种地球物理场和地球的物理性质、结构、形成及其中发生的各种物理过程。广义的地球物理学,除研究地球的固体部分外,还包括对水圈和大气圈的研究。因为海洋科学、水文科学和大气科学业已各自发展、扩充并相对独立而划出,于是,致力于研究地球 海洋科学导论16固体部分宏观物理学现象的分支,便成为狭义的地球物理学,或直接称为固体地3球物理

35、学。由于固体地球物理学的问题也是综合性的,所以不能完全按物理学的部门来分类。于是,相应于地下资源的勘探、自然灾害的预测、地球内部的探索和地球信息等等的研究,即有勘探地球物理学(或应用地球物理学),地震预测、地球内部构造、板块大地构造等分支学科。四、大气科学是研究大气的各种现象及人类活动对它的影响,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的学科。它的研究对象,主要是覆盖整个地球的大气圈,此外,也研究太阳系其它行星的大气。其研究领域已经大大越出了通常所称的“气象学”的范围,亦即大大扩充了传统气象学的研究内容,并与其它学科之间有越来越多的相互渗透,因而从20世纪60年代以来,已

36、普遍采4用了“大气科学”的称谓。大气科学也是一门既古老而又年青的学科。自从人类文明的开始,就有了古代气象经验知识的积累,直到 16世纪这段时间,属于大气科学的萌芽时期。 17世纪至19世纪,是大气科学在物理学基础上开始建立的时期。19世纪至20世纪40年代,是大气科学主要分支学科的形成时期。20世纪50年代以后,则迎来了新技术促进大气科学迅速发展的新时期。大气科学有众多分支学科和广泛的研究内容如:大气物理学、动力气象学、天气学、气侯学、应用气象学、大气化学、大气探测和人工影响天气等。五、海洋科学六、水文科学参见1.1.2及1.2和1.3。是关于地球上水的起源、存在、分布、循环、运动等变化规律和

37、运用这些规4律为人类服务的知识体系。水文科学研究的对象,包括从陆地表面的水到地下的水,广义地说,也包括从大气中的水到海洋中的水,以及对水圈同大气圈、岩石圈和生物圈等地球自然圈层的相互关系的研究。现代水文科学还重视研究水资源的利用和人类活动对自然环境的反馈效应。水文科学的发展可分为四个时期。从远古至公元1400年,为水文科学的萌芽时期。此后至1900年,为水文科学的奠基时期。19001950年,为应用水文学兴起时期,它以直接为生产和生活提供多方面的服务为特色,而成为近代水文科学体系中最富生气的一个分支。20世纪50年代以后,水文科学进入了新的发展时期现代水文学时期。传统的水文科学,是按其研究对象

38、划分分支学科的。即主要有:河流水文学,湖泊水文学,沼泽水文学,冰川水文学,雪水文学,水文气象学,地下水水文学,区域水文学和海洋水文学。这些学科又通称为普通水文学或水文学。与之对应的则是应用水文学,它主要包括工程水文学,农业水文学,森林水文学,都市水文学,医疗(卫生)水文学等等。新技术的应用也促进并形成了一些新分支学科, 海洋科学导论17例如遥感水文学,同位素水文学,随机水文学等等。需要说明的是,以陆地上的水为研究对象的陆地水文学,是水文科学的主要组成部分。因为以海洋中的水为研究对象的海洋水文学,已归属海洋科学之中,而对大气中的水的研究,至今还没有形成完全独立的学科。七、相关学科与地球科学紧密联

39、系的学科中,仅就其研究对象和涉及的范围而言,当首推环境科学及测绘学,因为它们与地球科学最为相近也最为密切。(一)环境科学是在现代社会经济和科学发展过程中形成的一门新兴的综合性科学。环境科学研究的对象环境,是对以人类为主体的外部世界而言的,即人类赖以生存5和发展的物质条件的综合体,它包括自然环境和社会环境。就自然环境而言,与地球科学研究的对象是相合的。就环境科学的分支而言,其“环境地学”分支,无论就其称谓还是研究对象,显然应属于地球科学的范畴;其它的分支,有的也与地球科学有着相当密切的联系。所以,有些学者认为环境科学应属于地球科学的范畴。环境科学的分支学科,属自然科学方面的有环境地学、环境生物学

40、、环境化学、环境物理学、环境医学和环境工程学;属于社会科学方面的有环境管理学、环境经济、环境法学等。(二)测绘学测绘学的任务在于测定地球形状、重力场和地面点的几何位置,直到测绘各种类型的地图。它既可为地球科学和空间科学提供有关地球内部结构、地球动态及其外部重力场等方面的信息,又可为国家经济建设和国防建设提供所需的宝贵资料,例如,有关地球表面自然形态和人工设施的几何分布以及多种社会信息和3自然信息的地理分布等等。早在公元前3世纪,就已开始孕育了作为测绘学基础的大地测量学。它的发展,经历了几何大地测量学和物理大地测量学等阶段,现已进入了卫星大地测量学的新时期。工程测量学则是应工程设计、施工、管理或

41、某些特殊要求而形成的分支学科。在测绘方法和技术方面,19世纪仍是实地直接测绘地形,再经综合取舍而制图。20世纪则发展形成了航空摄影测量学,创立了解析摄影测量理论,制成了解析测图仪。现在已发展到航天遥感测量,并借助计算机实现了测图的完全自动化。地图制图学是研究将测绘结果变为成品地图的学问,它研究的内容包括地图投影、地图编制、地图整饰和地图印制等等。成品地图的具体类型则甚多。1.1.2海洋科学海洋科学是研究地球上海洋的自然现象、性质与其变化规律,以及和开发与 海洋科学导论184利用海洋有关的知识体系。它的研究对象,既有占地球表面近71%的海洋,其中包括海洋中的水以及溶解或悬浮于海水中的物质,生存于

42、海洋中的生物,也有海洋底边界海洋沉积和海底岩石圈 ,以及海洋的侧边界河口、海岸带,还有海洋的上边界海面上的大气边界层等等。它的研究内容,既有海水的运动规律、海洋中的物理、化学、生物、地质过程 ,及其相互作用的基础理论,也包括海洋资源开发、利用以及有关海洋军事活动所迫切需要的应用研究。这些研究与力学、物理学、化学、生物学、地质学以及大气科学、水文科学等均有密切关系,而海洋环境保护和污染监测与治理,还涉及环境科学、管理科学和法学等等。世界大洋既广漠但又互相连通,从而具有统一性与整体性,海洋中各种自然过程相互作用及反馈的复杂性,人为外加影响的日趋多样性,主要研究方法和手段的相互借鉴相辅而成的共同性等

43、等,促使海洋科学发展形成为一个综合性很强的科学体系。一、海洋科学研究的对象及特点海洋科学研究的对象是世界海洋及与之密切相关联的大气圈、岩石圈、生物圈。它们至少有如下的明显特点6,7首先是特殊性与复杂性。在太阳系中,除地球之外 ,尚未发现其它星球上有。82海洋。全球海洋的总面积约3.610 km,是陆地面积的2.5倍。在总体积13.78310 km的海水中,水占96.5%。水与其它液态物质相比,具有许多独特的物理性质,如极大的比热容、介电常数和溶解能力,极小的粘滞性和压缩性等。海水由于溶解了多种物质,性质因而更特殊,这不仅影响着海水自身的理化性质,而且导致海洋生物与陆地生物的诸多迥异。陆地生物几

44、乎集中栖息于地表上下数十米的范围内,海洋生物的分布则从海面到海底,范围可达1万米。海洋中的近20万种动物、1万多种植物、还有细菌和真菌等,组成了一个特殊的海洋食物网。再加上与之有关的非生命环境,则形成了一个有机界与无机界相互作用与联系的复杂系统海洋生态系统。其次,作为一个物理系统,海洋中水-汽-冰三态的转化无时无刻不在进行,这8也是在其他星球上所未发现的。海洋每年蒸发约 4410 t淡水,可使大气水分1015天完成一次更新,势必影响海水密度等诸多物理性质的分布与变化,并进而制约海水的运动以及海洋水团的形成与长消。在固结于旋转地球座标系中来观察,海水的运动还受制于海面风应力、天体引力、重力和地球

45、自转偏向力等。诸如此类各种因素的共同作用,必然导致海洋中的各种物理过程更趋复杂,即不仅有力学、热学等物理类型,而且也有大、中、小各种空间或时间特征尺度的过程。但是其中的运动过程,则具有特殊的重要性,因为海水无时无刻不在运动着。第三,海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点。地球海洋充满了各种各样的矛盾,如海陆分布的不均匀、海洋的连通与阻隔。海洋水平尺度之大远逾数万千米,而铅直向尺度之小,平均水深只有3795m,两者差别实为悬殊。其它矛盾诸如:蒸发与降水,结冰与融冰,海水的增温与降温,下沉与上升,物质的 海洋科学导论19溶解与析出,沉降与悬浮,淤积与冲刷,海侵与海退,潮位的涨与落,波浪的生与消

46、,大陆的裂离与聚合,大洋地壳的扩张与潜没,海洋生态系平衡的维系与破坏等等。它们相反而相成,共同组成了这个复杂的统一体。当然,这个统一体可以分成许多子系统,而许多子系统之间,如海洋与大气,海水与海岸、海底,海洋与生物及化学过程等等,大都有相互耦合关系,并且与全球构造运动以及某些天文因素等密切相关。这些自然过程通过各种形式的能量或物质循环,相互影响和制约,从而结合在一起构成了一个全球规模的、多层次的复杂的海洋自然系统。海洋科学的任务,就是借助现场观测、物理实验和数值实验手段,通过分析、综合、归纳、演绎及科学抽象等方法,研究这一系统的结构和功能,以便认识海洋,揭示规律,既可使之服务于人类,又能保证可

47、持续发展。海洋科学研究也有其显著的特点。首先 ,它明显地依赖于直接的观测。这些观测应该是在自然条件下进行长期的,且最好是周密计划的、连续的、系统而多层次的、有区域代表性的海洋考察。直接观测的资料既为实验研究和数学研究的模式提供可靠的借鉴,也可对实验和数学方法研究的结果予以验证。事实上,使用先进的研究船、测试仪器和技术设施所进行的直接观测,的确推动了海洋科学的发展。特别是20世纪60年代以来,几乎所有的重大进展都与此密切相关。其次是信息论、控制论、系统论等方法,在海洋科学研究中越来越显示其作用。这是因为,实施直接的海洋观测,既艰苦危险、耗资费时,且获取的信息再多,若相对于海洋整体和全局而言仍属局

48、部和片断,据此而直接研究海洋现象、过程与动态,显然仍是远远不够的。借助于信息论、控制论、系统论的观点和方法,对已有的资料信息进行加工,通过系统功能模拟模型进行研究则是可取的,事实上也取得了较好的结果。第三,学科分支细化与相互交叉、渗透并重,而综合与整体化研究的趋势日趋明显。海洋科学在其发展过程中,学科分支越来越细,研究也随之愈益深入。然而,越深入地研究则发现,各分支学科之间又是相互交叉渗透,彼此依存和促进的。因而,着眼于整体,从相互耦合与相互联系中去揭示整个系统的特征与规律的观点与方法论,日趋兴盛发展。现代海洋科学研究及海洋科学理论体系的整体化,已是大势所趋、普遍认同。二、海洋科学的分支海洋科

49、学体系既有基础性科学,也有应用与技术研究,还包括管理与开发的研究。属于基础性科学的分支学科体系,提法不尽相同,如有的认为应包括物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学、海洋地质学、环境海洋学、海气相互作用以及区域海洋学等。应用与技术研究的分支有卫星海洋学、渔场海洋学、军事海洋学、航海海洋学、海洋声学、光学与遥感探测技术、海洋生物技术、海洋环境预报以及工程环境海洋学等。管理、开发研究方面的分支有海洋资源、海洋环境功能区划、海洋法学、海洋监测与环境评价、海洋污染治理、海域管理等。 海洋科学导论201.2 海洋科学的发展史4依现今较通行的观点,海洋科学的发展史可分为三大阶段。1.2.1海洋知识的积累与早期

50、的观测、研究(18世纪以前)古代人类在生产活动中不断积累了有关海洋的知识,也得出了不少出色的见解。公元前76世纪古希腊的泰勒斯认为大地是浮在茫茫大海之中。公元前4世纪古希腊的亚里斯多德,在动物志中已描述和记载了爱琴海的170余种动物。当然,对海洋更多的了解,还是从15世纪资本主义兴起之后。在西方人称为地理大发现时代的1516世纪,意大利人哥伦布于14921504年4次横渡大西洋到达南美洲;葡萄牙人伽马于 1498年从大西洋绕过好望角经印度洋到印度; 15191522年葡萄牙人麦哲伦完成了人类第一次环球航行。此后,17681779年英国人库克4次进行海洋探险,首先完成了环南极航行,并最早进行了科

51、学考察,获取了第一批关于大洋深度、表层水温、海流及珊瑚礁等资料。这一时期的许多科技成就,有的直接推动了航海探险,有的则为海洋科学分支奠定了基础。前者如:1567年鲍恩发明计程仪,1569年墨卡托发明绘制地图的圆柱投影法,1579年哈里森制成当时最精确的航海天文钟 ,1600年吉伯特发明测定船位纬度的磁倾针等。后者如:1673年英国人玻意耳发表了他研究海水浓度的著名论文,1674年荷兰人列文虎克在荷兰海域最先发现海洋原生动物,1687年英国人牛顿用引力定律解释潮汐,1740年瑞士人贝努利提出平衡潮学说,1770年美国人富兰克林发表湾流图,1772年法国人拉瓦锡首先测定海水成分,1775年法国人拉

52、普拉斯首创大洋潮汐动力理论等等。1.2.2海洋科学的奠基与形成(19世纪20世纪中叶)这一时期的特点,既表现在海洋探险逐渐转向为对海洋的综合考察,而更重要的标志是海洋研究的深化、成果的众多和理论体系的形成。在海洋调查方面,著名的有:达尔文随“贝格尔”号18311836年的环球探险;英国人罗斯18391843年的环南极探险;特别是英国“挑战者”号18721876年的环球航行考察,被认为是现代海洋学研究的真正开始。“挑战者”号在三大洋和南极海域的几百个站位,进行了多学科综合性的观测,后继的研究又获得了大量的成果,从而使海洋学得以由传统的地理学领域中分化出来,逐渐形成为独立的学科。这次考察的巨大成就

53、,又激起了世界性的海洋调查研究热潮。在各国竞相进行的调查中,德国“流星”号19251927年的南大西洋调查,因计划周密、仪器新颖、成果丰硕而倍受重视。“流星”号的成就,又引发挪威、荷兰、英国、美国、苏联等,先后进行环球航行探险调查。这些大规模的海洋调查,不仅积累 海洋科学导论21了大量的资料,而且也观测到许多新的海洋现象,还为观测方法本身的革新准备了条件。在海洋研究方面,重要成果很多。英国人福布斯在19世纪4050年代出版了海产生物分布图和欧洲海的自然史,美国人莫里1855年出版海洋自然地理学,英国人达尔文1859年出版物种起源,它们分别被誉为海洋生态学、近代海洋学和进化论的经典著作。在海洋化

54、学方面,迪特玛1884年证实了海水主要溶解成分的恒比关系。在海流研究方面,1903年桑德斯特朗和海兰汉森提出了深海海流的动力计算方法,1905年埃克曼提出了漂流理论。海洋地质学方面,默里于1891年出版了深海沉积一书。特别是斯韦尔德鲁普、约翰逊和福莱明合著的海洋(The Oceans)一书,对此前的海洋科学的发展和研究给出了全面、系统而深入的总结,被誉为海洋科学建立的标志。专职研究人员增多和专门研究机构的建立,也是海洋科学独立形成的重要标志。1925年和1930年,美国先后建立了斯克里普斯和伍兹霍尔两个海洋研究所,1946年前苏联科学院海洋研究所成立,1949年,英国成立国立海洋研究所等等,就

55、是典型的例子。1.2.3现代海洋科学时期(20世纪中叶至今)第二次世界大战对海洋科学有很大的影响,一方面是“军用”学科迅速发展,但另一方面,也延缓了“非军用”学科的发展,战后海洋科学又得以恢复和迅速发展,遂进入现代海洋科学的新时期。虽然早在1902年就成立了第一个国际海洋科学组织国际海洋考察理事会(ICES),但大多数组织,包括政府间组织和民间组织,则成立于二战之后。政府间组织以1951年建立的“世界气象组织”(WMO)和1960年成立的“政府间海洋学委员会(简称海委会, IOC,隶属于联合国教科文组织, UNESCO)为代表。民间组织如国际物理海洋学协会(IAPO)于1967年改为国际海洋物

56、理科学协会(IAPSO),1957年成立海洋研究科学委员会(SCOR),1966年建立国际生物海洋学协会(IABO),国际地质科学联合会(IUGS)也下设海洋地质学委员会(CMG)等等。这一时期,海洋国际合作调查研究更大规模地展开,如:国际地球物理年(IGY,19571958),国际印度洋考察( IIOE,19571965),国际海洋考察10年(IDOE,19711980,包括6个分计划31项活动),热带大西洋国际合作调查(ICITA,19631964),黑潮及邻近水域合作研究(CSK,19651977),全球大气研究计划(GARP,19771979,第1次全球试验FGGE及4个副计划),世界

57、气候研究计划( WCRP,19801983,包括4个子计划),深海钻探计划(DSDP,19681983)。在1980年以后,有关机构又提出了多项为期10年的海洋考察研究计划,如世界大洋环流试验( WOCE),大洋钻探计划(ODP), 海洋科学导论22全球海洋通量研究(JGOFS),热带大洋及其与全球大气的相互作用(TOGA)及其组成部分”热带海洋全球大气耦合响应试验(TOGA-COARE)。1993年决定实施的气候变率和可预报性研究计划( CLIVAR),为期15年,而1994年11月正式生效的联合国海洋法公约,则涉及全球海洋的所有方面和问题。这期间各国政府对海洋科学研究的投资大幅度地增加,研

58、究船的数量成倍增长。60年代以后,专门设计的海洋研究船,性能更好,设备更先进,计算机、微电子、声学、光学及遥感技术广泛地应用于海洋调查和研究中,如盐度(电导)温度深度仪(CTD)、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、锚泊海洋浮标、气象卫星、海洋卫星、地层剖面仪、侧扫声呐、潜水器、水下实验室、水下机器人、海底深钻和立体取样的立体观测系统等。短短几十年的研究成果早已超出历史的总合,重要的突破屡见不鲜。板块构造学说被誉为地质学的一次革命。海底热泉的发现,使海洋生物学和海洋地球化学获得新的启示。海洋中尺度涡旋和热盐细微结构的发现与研究,促进了物理海洋学的新进展。大洋环流理论、海浪谱理论、海洋生态系、热带

59、大洋和全球大气变化等领域的研究都获得突出的进展与成果。科研论著面世,令人目不暇接,特别是一些多卷集系列著作,如海尔主编的海洋(The Sea)、莫宁主编的海洋学()等,堪称为代表性著作4,6。1.2.4海洋科学的未来当今世界,人口激增,耕地锐减,陆地资源几近枯竭,环境状况渐趋恶化。众多的有识之士,预见到这些危机,并把目光再次投向海洋。一些国家相继制订了21世纪的海洋发展战略,许多知名的科学家、政治家,异口同声地称21世纪为“海洋科学的新世纪”。联合国及有关国际组织,也更加关注海洋事务。仅从1994年算起就有:联合国海洋法公约生效,成立国际海底管理局,建立国际海洋法庭,召开“海洋和海岸带可持续利

60、用大会”,“保护海洋环境国际会议”和“世界海洋和平大会”,并把1998年定为“国际海洋年”等大事。何以如此?盖因全世界面临的人口、资源、环境三大问题,几乎都可以从海洋中寻求出路。如何将上述可能变为现实?海洋科学则是架设在它们之间的桥梁。海洋科学在历经古代、近代和现代的发展之后,必将迎来一个更为辉煌的新时代。 海洋科学导论231.3 中国的海洋科学1.3.1历史的贡献在人类早期认识海洋的历史中,中国人民作出了巨大的贡献。公元前4世纪时,中国先民已能在所有邻海上航行。早在2千多年以前,已发明指南针,且至少在1500年以前就用于航海,从而使人们更能远离海岸涉足重洋。至汉朝,中国不仅陆路通西域,海路也

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