厦门大学海洋科学导论课件(水文部分)
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海洋科学导论
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［１］。
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（30～35）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200～300m,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年代至今。
历经三个时期的延续和发展，地理学形成了众多的分支，也组成了系统的体系。
海洋学导论-第三章(PPT文档)
第三章 海水的物理特性和 世界大洋的层化结构 (4学时)
基本要求：掌握 标准海水、位温、密度超量、盐度（3种定义）、太阳高 度、温（盐）跃层、水团等概念(特性）；理解 海面热平衡方程、整个海洋全 热量平衡方程、局部海域的及整个海洋的全水量平衡方程（状态）；熟悉 温度、 盐度、密度一般分布规律及三者的水平、铅直分布特征（形式）；了解一些物 理海洋学中常用术语及表示方法，包括分布图形（类型）。本章是学习物理海 洋学、化学海洋学、海洋生物学的基础。
KCl溶液的电导比来确定海水的盐度值。 【教材59页】 即电导比K15 = C标海/C标KCl = 1）则
（二）实用盐度的计算公式
∑5Βιβλιοθήκη S=aiK i/2 15
i=0
（3-3）
式中K15是在101325Pa下，温度15℃时，海水样品的电导率与标准所配 KCl溶液的电导率之比。式中a0=0.0080，a1=-0.1692，a2=25.3851， a3=14.0941，a4=-7.0261，a5=2.7081；，适用范围为2≤S≤42。【S定义域2 为淡水最高值，计算结果1×10-3，盐度都是在10-3小数点变化】故此：
S‰=-0.08996+28.29720R15+12.80832R２15
-10.67869R315+5.98624R415-1.32311R515
(3-2)
实测的海水的电导率，查《海洋学常用表》可得S‰ 值
三、1978年实用盐度标度（P78）
（一）建立实用盐度的固定参考点 配制浓度为32.435‰KCl溶液代替上述标准海水，用海水相对于此
§3.1 海水的主要热学和力学性质 (1学时)
海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的 混合液体。
基本要求：掌握 标准海水、位温、密度超量、盐度（3种定义）、太阳高 度、温（盐）跃层、水团等概念(特性）；理解 海面热平衡方程、整个海洋全 热量平衡方程、局部海域的及整个海洋的全水量平衡方程（状态）；熟悉 温度、 盐度、密度一般分布规律及三者的水平、铅直分布特征（形式）；了解一些物 理海洋学中常用术语及表示方法，包括分布图形（类型）。本章是学习物理海 洋学、化学海洋学、海洋生物学的基础。
KCl溶液的电导比来确定海水的盐度值。 【教材59页】 即电导比K15 = C标海/C标KCl = 1）则
（二）实用盐度的计算公式
∑5Βιβλιοθήκη S=aiK i/2 15
i=0
（3-3）
式中K15是在101325Pa下，温度15℃时，海水样品的电导率与标准所配 KCl溶液的电导率之比。式中a0=0.0080，a1=-0.1692，a2=25.3851， a3=14.0941，a4=-7.0261，a5=2.7081；，适用范围为2≤S≤42。【S定义域2 为淡水最高值，计算结果1×10-3，盐度都是在10-3小数点变化】故此：
S‰=-0.08996+28.29720R15+12.80832R２15
-10.67869R315+5.98624R415-1.32311R515
(3-2)
实测的海水的电导率，查《海洋学常用表》可得S‰ 值
三、1978年实用盐度标度（P78）
（一）建立实用盐度的固定参考点 配制浓度为32.435‰KCl溶液代替上述标准海水，用海水相对于此
§3.1 海水的主要热学和力学性质 (1学时)
海水是一种溶解有多种无机盐、有机物质和气体以及含有许多悬浮物质的 混合液体。
厦大海洋科学导论
·水汽压：湿空气中，由水汽所引起的那一部分压强.
·饱和水汽压：当温度一定时，若从纯水的水表面逸入空气中的水分与从空气中进入水面的水分在数量上相同，此时水汽所造成的那部分压强。温度越高，E越大。
·相对湿度：空气中实际水气压e与同温度下的饱和水气压E之比。RH=e/E*100%。
·风：空气相对于地面作水平运动。
·朔望月：月相完全更替一轮的周期。
·海洋潮汐：海洋潮汐是由天体（主要是月球和太阳）的引潮力产生的。
·月球引潮力：地球绕地月公共质心所产生的惯性离心力与月球引力的合力。
·平衡潮理论：
（1）假设前提：1.地球为一圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖，不考虑陆地的存在；2.海水没有粘滞性，也没有惯性，海面随时与等势面重叠；3.海水不受地转偏向力和摩擦力的作用。
·波的波形传播特征：1.水质点只在平衡位置做圆周运动；2.波峰水质点向前，波谷处水质点向后，峰前节点水质点向上，峰后节点水质点向；3..海浪的传播实际上只是波形的传播。
·有限振幅波动（斯托克斯波）：1.波面不是简谐曲线，且对于横轴不对称，水质点振动中心高于平均水面；2.c与H有关，δ，c；3.水质点的轨迹很近于圆，但不是封闭的；4.波动的动能大于势能Ek>Ep，而且Ek铅直>E k水平；5.δ大于一定程度波面将破碎，理论上其破碎角为120°或δ≥1/7。
不利的方面：
1.内波引起的等温度面和等密度面的起伏会影响到海洋中声信号的传播速度与方向。从而降低了声纳的功能，增加了水下通讯和目标探测的困难。
2.内波会引起等密度面的快速（流速急）的大振幅上下起伏。如果有潜艇和鱼雷等水下航行物体位于这种等密度面处，它们将随等密度面上下运动或快速上浮下沉，导致鱼雷脱靶，潜艇难以操作。如有海上采油平台，也会受到严重影响和损害。
·饱和水汽压：当温度一定时，若从纯水的水表面逸入空气中的水分与从空气中进入水面的水分在数量上相同，此时水汽所造成的那部分压强。温度越高，E越大。
·相对湿度：空气中实际水气压e与同温度下的饱和水气压E之比。RH=e/E*100%。
·风：空气相对于地面作水平运动。
·朔望月：月相完全更替一轮的周期。
·海洋潮汐：海洋潮汐是由天体（主要是月球和太阳）的引潮力产生的。
·月球引潮力：地球绕地月公共质心所产生的惯性离心力与月球引力的合力。
·平衡潮理论：
（1）假设前提：1.地球为一圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖，不考虑陆地的存在；2.海水没有粘滞性，也没有惯性，海面随时与等势面重叠；3.海水不受地转偏向力和摩擦力的作用。
·波的波形传播特征：1.水质点只在平衡位置做圆周运动；2.波峰水质点向前，波谷处水质点向后，峰前节点水质点向上，峰后节点水质点向；3..海浪的传播实际上只是波形的传播。
·有限振幅波动（斯托克斯波）：1.波面不是简谐曲线，且对于横轴不对称，水质点振动中心高于平均水面；2.c与H有关，δ，c；3.水质点的轨迹很近于圆，但不是封闭的；4.波动的动能大于势能Ek>Ep，而且Ek铅直>E k水平；5.δ大于一定程度波面将破碎，理论上其破碎角为120°或δ≥1/7。
不利的方面：
1.内波引起的等温度面和等密度面的起伏会影响到海洋中声信号的传播速度与方向。从而降低了声纳的功能，增加了水下通讯和目标探测的困难。
2.内波会引起等密度面的快速（流速急）的大振幅上下起伏。如果有潜艇和鱼雷等水下航行物体位于这种等密度面处，它们将随等密度面上下运动或快速上浮下沉，导致鱼雷脱靶，潜艇难以操作。如有海上采油平台，也会受到严重影响和损害。
厦门大学海洋科学导论课件(水文部分)
2.2.1 Temperature
Measurement
Absolute Temperature T
Unit: Kelvin (K)
t [℃] = T [K]-273.15
The practical temperature scale (1887, 1927, 1948, 1968, and 1990)
Review
The shape and size of the earth Pear-shaped; average radius(6371km);rotation rate (7.3×105s-1); L(1°) ↔111.13km; L(1′) ↔1.852km; 1 nautical mile(海里)=1.852km; 1kts(节）=1nautical mile/hour=0.51m/s
Distribution of Ocean and Land
Land and water are not uniformly distributed on the surface of the earth
Ocean and Sea
Four Principle Ocean
Hydrological features of ocean, sea, fjord(bay), strait(channel)
Principle of constant proportion states that the absolute amount of salt in sea water varies, but the relative proportions of the ions is constant.
Lehodey,P. et al., 2000. El Nino Southern Oscillation and tuna in the western Pacific. Science
海洋科学导论第五章
湾流
西边界流 湾流系统： 佛罗里达海流 湾流 北大西洋海流
右侧：温暖低密 左侧：低温高密
年变化 夏强冬弱
非周期性变化 ——弯曲现象
弯曲与主流断离----独立涡旋 左侧暖涡，右侧冷涡
（二）、太平洋的表面环流
亚北极海流 寒流 阿拉斯加海流 暖流
亲潮 寒流
北太平洋流 暖流
黑潮 暖流 北赤道流 暖流
30.7
流速的大小，与等值线倾斜的程度成正比
T
22.5℃ 22.6℃ 22.7℃ 22.8℃ 22.9℃ 23.0℃
S
33.2 33.3 33.4 33.5 33.6 33.7 33.8
三、地转流 海水密度均匀，等压面(海面)---等势面倾斜β角
Fz
Fx
β
fc
g
∵
Fx=gtgβ
fc=2ωvsinф
3、北半球强大的 西边界流；
4、主涡旋北部有小的 气旋式环流；
5、西风漂流绕南极大 陆流动；
6、南极大陆附近东 风漂流。
三、各大洋的表层环流 (一)大西洋
东格陵兰海流 寒流 拉布拉多海流
寒流
北大西洋流 暖流
湾流
暖流
加那利海流 寒流
北赤道流 暖流
南赤道流
暖流
巴西海流
暖流
本格拉海流 寒流 西风漂流 寒流
∴ gtgβ=2ωvsinф
地转流的速率 v g tg 2sin
y x
-z
北半球 顺流而立，右方高
南半球相反
四、地形对海流的影响 隆起地形： 北半球 上坡，向右偏转（顺时针） 下坡，向左偏转（逆时针）
南半球方向相反
第三节、风海流 一、风海流的受力分析
1、风的切应力 2、地转偏向力 3、下层海水阻力
厦门大学海洋科学导论课件(水文部分)lect11_1107
AAIW NADW AABW
AAIW: Antarctic Intermediate Water AABW: Antarctic Bottom Water NADW: North Atlantic Deep Water
沿大西洋南北纵断面上几种水团的分布情形 摘自Stowe, K. (1995) "Exploring Ocean Science", 2th ed.。
所有的生物“沙漠”都在扩大。其增 大的面积达到660万平方公里，即比原 有面积增加了15%。
Polovina J.J., GRL, 2008.
4. Undersurface circulation (大洋表层以下的环流)
(1) Movement and distribution of subsurface water （次表层水） 介于表层水(Surface water)与大洋主温跃层(Main Thermocline)之间；副热带海域表层水下沉而成；高 温高盐；大部分水体流向低纬一侧，沿主温跃层散布， 少部分流向高纬一侧 (2) Movement of intermediate water(中层水) (a) 南极辐聚和西北辐聚区海水下沉形成，约在8001000m，带有源地的低盐特征 (b) 地中海、红海-波斯湾水等溢出的高盐中层水
副热 南北半球反气 带辐 旋式大环流的 聚区 中间海域
a) b)
流速小
世界大洋最高的水色和最大透明度， 也是生产力最低的地方
副热带辐聚区
副热带辐聚区
NP
NP,december SP NA,december NA
SP,August SA
Time series of the monthly mean area (km2) with surface chlorophyll less than or equal to 0.07mg chl/m3 between 5–45 N/S latitude
厦门大学海洋科学导论课件(水文部分)lect12_1114
深水波(短波) 浅水波(长波)
有限振幅波(a≈ λ)
Wave of Finite Amplitude
② 风浪(wind wave)、涌浪(swell)、 近岸浪(coastal wave)
• Deep water waves(深水波): h (water depth)>½ λ(wavelength) • Shallow water waves(浅水波):h <1/20λ
2. 有限水深（ 1 h 1 ）
20
2
轨迹方程为
( x x0 )2 A2
(z
z0 )2 B2
1
A a ch[k(h z)], B a sh[k(h z)]
sh(kh)
sh(kh)
(1)轨迹为椭圆 (2)椭圆的长短轴皆随z↑而↓，但长轴变化较慢，短
轴变化较快，在海底短轴为0
次表层水(subsurface water): 副热带海域表层 海水下沉。高盐、 相对高温
中层水(intermediate water)：南极辐聚和西北辐 聚区海水下沉形成，低盐
深层水(deep water)：北大西洋格陵兰南部的上 层海洋形成。贫氧
底层水(bottom water)：具有最大的密度，主要 来源于威德尔海、罗斯海，其次是格陵兰海 与挪威海
P ec
c* c gh
(3) 波动所具有的能量相当可观
例：波高为3m，周期为7s的一个波动，跨过10km宽的 海面。求它的功率（波动功率指单位时间内跨过单位 截面的能量）
W P 1 ec 1 1 gH 2 gT
2
28
2
g g H 2 T 32
若H单位为米，周期为秒，取g=9.8m/s2，则
海洋学导论-(海流)第五章
(2学时）
§5.1 §5.2 §5.3 §5.4
海流的成因及表示方法 海流运动方程 地转流 风海流
0.5学时 0.5学时
0.5学时
§5.5
世界大洋环流和水团分布
0.5学时
1.定义
海流 海洋中海水沿一定方向的大规模流动，又称洋流。主要指沿水平和垂 直方向的非周期性流动。海流的强弱和方向用流速和流向表示. 2. 分类(Type)：
dΦ = gdz
③ 等势面：位势相等的面。处与重力垂直的面称水平面。
海洋学中，两个等势面之间的位势差 (单位位势米，gpm) (P146) .
dΦ = ρgdz
④ 海平面(sea level)：海洋表面的平均位置。 二、海洋压力场、压强梯度力 （P146-148) ① 压力场---指某一空间的压力分布；常用等压面来描述。 ② 等压面—是压力场中压力处处相等的一个假想的面，即压强相等的面。
∂ u/∂ x δx和 ρ+ ）
（
单位时间流入小立方体的质量为： ρuδyδz 单位时间流出的质量为：
∂ρ ∂ u ∂υ ∂ρ δχ )(u + )δyδx =[ρu +ρ δχ + υ δχ ∂χ ∂χ ∂χ ∂χ ∂ρ ∂υ 2 + (δχ ) ]δγδz ∂χ∂χ (ρ +
图5-3 在x方向上流入、流出的情况
。潮流的类型：旋转流、往复流、憩流；
● 海流用流速和流向表示，海流的流向是指海水流向，而风向是指风吹
来的方向，二者差180度。海流箭矢符号表示：矢长度表示大小，箭方向表示
流向。 ● 海流多以矢量分布图来表示，常用的有流场分布图和流玫瑰图；【 P259页图8-16即为热带辐合带—风流线图； P480页图12-28中国近海表层环
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Definition of Salinity
Principle of constant proportion states that the absolute amount of salt in sea water varies, but the relative proportions of the ions is constant. Because of this principle, it is necessary to test for only one salt ion, usually chlorine, to determine the total amount of salt present.
Most common substance on the earth’s surface Ocean water makes up 98% of water inventory 96.5% is water, 3.5% is salt and dissolved minerals Accumulated on the surface from mass degassing of earth’s interior… still happening, but much less Only substance that exists naturally in all three states in the normal temperature range of earth Solid, Liquid, and Gas
溶解力强：水分子有很强的极性
密度变化异常
不遵从“热胀冷缩”。最大密度时温度是4摄氏度
密度变化异常是由水分子的缔合造成的．
温度<4，有利于水分子的缔合；冻结为冰时，全部缔合成一个巨大的分子缔合体（分子晶 体）．由于晶体结构排列松散，故密度减小．当温度从04度以前，主要过程是较大的缔合分 子逐渐分解成为较小的分子，所以体积收缩，密度增大．＞4度时，热运动加强，导致体积膨 胀，密度所温度增高而减小
Lehodey,P. et al., 2000. El Nino Southern Oscillation and tuna in the western Pacific. Science
Temperature distribution in California coastal area
长江水的扩展
The effect of Temperature
The effect of Salinity
T↓，D↑ T↓, D↓
•S>24.7, the density will continue to increase with decreasing temperature until the water freezes
Ocean and Sea
Four Principle Ocean Hydrological features of ocean, sea, fjord(bay), strait(channel)
§2 海水的物理性质 Physical Properties of Sea Water
2.1 Water
电导温度Salinity Based on Conductivity(1969)
实用盐标Practical Salinity Scale of 1978
The standard KCl solution contains a mass of 32.435 6 grams of KCl in a mass of 1.000 000 kg of solution.
海水组成恒定性原理
1) 传统的盐度定义(1902)： 1kg海水中将(Br-,I-)以氯置换，碳酸盐分 解为氧化物,有机物全部氧化,所余固体物质 的总克数。(480度加热48小时） 利用"海水组成恒定性"，测定出其中某 一主要成分的含量，便可推算出海水盐度。
2) 氯度: 1kg海水中将(Br-,I-)以氯代替，所含氯的总克数。 转换为盐度的关系式为：S‰=0.030+1.8050Cl‰
分子结构(Molecular structure)：极性，分子缔合力
Hydrogen
Hydrogen
105 deg
Oxygen
Hydrogen Bonds–polar molecules give water a structure that is responsible for a number of unique and important properties
Measuring Salinity
Evaporate
Easy to do, but residue is complex Traditional method prior to mid-’60’s Determine chlorinity and use empirical formula S = 1.80655 Cl
T
No Salt
Ice 0.917
Salt 20
25
30
35
Table 4.4 When S is constant and greater than 24.7, the density decreases as T increases When T is constant, the density increases with increasing S
热性质特殊
沸点(boiling point)和融点(melting point)、比热(specific heat)、蒸发潜热 (latent heat of vaporization)等热性质比氧的同族化合物高
2.2 温度、盐度和密度的概念及关系 Temperature, Salinity and Density
ρ(S,t,p)∝S,t-1,p
st (sigma-t)(条件密度): Shorthand method of expressing the density of a sample of seawater at atmospheric pressure as determined by its in situ temperature and salinity
Salinity is presented as numbers (dimensionless) but may find different terms: psu (practical salinity units) gram/kilogram gram/liter o/oo At exactly one atmosphere and 15oC, S = 35.0
2.2.1 Temperature
Measurement Absolute Temperature T
Unit: Kelvin (K) t [℃] = T [K]-273.15
The practical temperature scale (1887, 1927, 1948, 1968, and 1990)
Titration
Conductivity
Uses a “resistance bridge” Current - CTD’s
2.2.3 Den物体的质量
m V
Unit: kg/m3 specific volume(比容)：单位质量物体的体积 α =1/ρ (m3 · -1) kg
-1 0
1.01606 1.02010 1.02413
0.99984 1.01607 1.02008
1
2 3 4
0.99990 1.01605 1.02005
0.99994 1.01603 1.02001 0.99996 1.01598 1.01995 0.99997 1.01593 1.01988
The density of seawater is greater than the density of freshwater because seawater contains dissolved salts. The density of pure water at 3.98°C, or approximately 4°C, is 1.0 g/cm3. The density of seawater of average salinity is about 1.0278 g/cm3. Because of this, fresh water will float on ocean water.
5
10 15 20 25 30
0.99996 1.01586 1.01980
0.99970 1.01532 1.01980 0.99910 1.01450 1.01832 0.99820 1.01342 1.01720 0.99704 1.01210 1.01585 0.99565 1.01057 1.01428
• S< 24.7, the density will increase with decreasing temperature until it reaches a maximum value and will then decrease until the water freezes - just as pure water behaves.
Salinity Based on Chlorinity
(1902) (1969)
where chlorinity Cl is defined as “the mass of silver required to precipitate completely the halogens in 0.328 523 4 kg of the sea-water sample.”