第一章 海洋水文气象要素
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海洋水文气象要素
4、在南半球，不论冬夏最低气温都 出现在南极地区，而在北球只有 夏季的最低气温出现在极地地 区。
5、近赤道地区有一最高气温带，
1月和7月的平均气温无高于 250C，这个高温带称为热赤 道。
6、赤道与极地的温差，无论南 北半球，冬季约为夏季的2 倍。
五、气温垂直递减率的概念
气温随高度递减的快慢可以 用气温垂直递减率γ表示
展使水汽和杂质保持在对流层
电离层
而不易向高处散逸
二、海洋的划分
地球上广大的连续水体成 为海洋构成了地球的水圈。 海洋占地表总面积的70.8%， 海水质量占地球质量10/00
海：大洋靠近大陆边缘部
分由岛弧或半岛所隔离或居 于两陆中间或由陆地包围的 部分称为海。占海洋面积的 11%没有独立的海流系统和
有效波高：连续观测一列波， 按波高大小依次排列，其中 前1/3较大波的平均波高
1、风浪的成因与特征
风的直接作用所引起的水面 波动，称为风浪。风浪的周 期较短，波面不规则，较凌 乱，其传播方向总是与风向 保持一致。
2、风区和风时的概念
风区：是指网速和风向近 似一致的风所吹刮的距离又 称为风程。
（干空气密度+水汽密度）
水汽密度/干空气密度=0.622
3）杂质：大气中的杂质有
利于水汽的凝结，称为 凝结核，大量的悬浮空 气的杂质聚集在一起的 时候会形成雾，烟、沙 尘的天气现象
3、对流层和平流层
自上而下将大气划分为对流 层、平流层、热层、散逸层 五个层次
1）对流层
平均高度10km 下界：地表 上界：中纬度10~12公里
2、水汽压ε
大气中由于水汽的存在所引起的那一部分压强称为水汽 压。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压，通常用E表示。
5、近赤道地区有一最高气温带，
1月和7月的平均气温无高于 250C，这个高温带称为热赤 道。
6、赤道与极地的温差，无论南 北半球，冬季约为夏季的2 倍。
五、气温垂直递减率的概念
气温随高度递减的快慢可以 用气温垂直递减率γ表示
展使水汽和杂质保持在对流层
电离层
而不易向高处散逸
二、海洋的划分
地球上广大的连续水体成 为海洋构成了地球的水圈。 海洋占地表总面积的70.8%， 海水质量占地球质量10/00
海：大洋靠近大陆边缘部
分由岛弧或半岛所隔离或居 于两陆中间或由陆地包围的 部分称为海。占海洋面积的 11%没有独立的海流系统和
有效波高：连续观测一列波， 按波高大小依次排列，其中 前1/3较大波的平均波高
1、风浪的成因与特征
风的直接作用所引起的水面 波动，称为风浪。风浪的周 期较短，波面不规则，较凌 乱，其传播方向总是与风向 保持一致。
2、风区和风时的概念
风区：是指网速和风向近 似一致的风所吹刮的距离又 称为风程。
（干空气密度+水汽密度）
水汽密度/干空气密度=0.622
3）杂质：大气中的杂质有
利于水汽的凝结，称为 凝结核，大量的悬浮空 气的杂质聚集在一起的 时候会形成雾，烟、沙 尘的天气现象
3、对流层和平流层
自上而下将大气划分为对流 层、平流层、热层、散逸层 五个层次
1）对流层
平均高度10km 下界：地表 上界：中纬度10~12公里
2、水汽压ε
大气中由于水汽的存在所引起的那一部分压强称为水汽 压。饱和空气的水汽压称为饱和水汽压，通常用E表示。
水文气象(1)
∇ p ⋅ VqdpdAdt + ∫
t2
t1
∫
A
EdAdt
①
②
③
M =
④
① 该区域该时段大气中水汽的凝结总量
∫ ∫
t1
t2
MdAdt
A
② 该区域上空初始时刻t1与终了时刻t2水汽总量的差额
∆W =−
∫ ∫
t1
t2
∂W dAdt = W (t1 )dA − W (t 2 )dA = W (t1 ) − W (t 2 ) A ∂t A A
近几十年来一方面是学科越分越细越分越多一个科学领域往往分为大大小小的许多分支学科朝着更加专业化的方向发展另一方面则是各门学科之间互相交错互相渗透在高度分化的基础上进行综合既包括着学科内容的专门化又包括着各学科之间的综合化
第一章 概述
1.1 定义
★
辞海定义： 辞海定义： 研究大气中水分与降雨、地下水和径流等方面关系的学科。 研究大气中水分与降雨、地下水和径流等方面关系的学科。 文献定义： 文献定义： 应用气象学原理和方法，研究水文循环和水分平衡中降水、 应用气象学原理和方法，研究水文循环和水分平衡中降水、 蒸发有关的一门学科。 蒸发有关的一门学科。
前景 水文系统是水文学研究的核心内容，是以水文循环为纽带的。 水文系统是水文学研究的核心内容，是以水文循环为纽带的。 水文系统：通常指存在于陆地上的有相互关联的各种淡水体、 水文系统 ： 通常指存在于陆地上的有相互关联的各种淡水体 、 冰雪 堆积体和地下水体的总称。 堆积体和地下水体的总称。广义还应该包括海洋和大气中存在的 各种相态的水体。 各种相态的水体。 气候系统是气象学研究的核心内容。 气候系统是气象学研究的核心内容。 气候系统： 大气、海洋、冰雪覆盖层、陆地表面、 气候系统： 大气、海洋、冰雪覆盖层、陆地表面、及生物圈五个子 系统组成。 系统组成。 水文与气象相联系的媒介是水文循环中的两个重要过程——降水与蒸 降水与蒸 水文与气象相联系的媒介是水文循环中的两个重要过程 发。
海洋水文要素
Surf zone：The portion of the nearshore zone where oversteeped waves topple over and crash onto the beach.
沿岸流 离岸流
wave - pushes sand up at an angle
日潮
混合潮
世界上不同潮汐类型的分布
Tidal Currents
Horizontal flow of water due to rise and fall of tides
• 落潮流Ebb current - falling tide • 涨潮流Flood current - rising tide • 平潮Slack water - little or no current in
Earth rotates through/under the bulges
Results: two high tides and two low tides per day
月相图
下弦
塑
望
上弦
大潮spring tide、小潮neap tide
典型月的潮汐记录
潮汐测量
不同的潮汐类型
半日潮
circulations 密度差异 The Sun and Moon produce tides 引力 Waves carry storm energy to land and
act as erosion agents
波 浪
Basic Parts of a Wave
wavelength
crest
波基面
wave base = 1/2 wavelength
trough
沿岸流 离岸流
wave - pushes sand up at an angle
日潮
混合潮
世界上不同潮汐类型的分布
Tidal Currents
Horizontal flow of water due to rise and fall of tides
• 落潮流Ebb current - falling tide • 涨潮流Flood current - rising tide • 平潮Slack water - little or no current in
Earth rotates through/under the bulges
Results: two high tides and two low tides per day
月相图
下弦
塑
望
上弦
大潮spring tide、小潮neap tide
典型月的潮汐记录
潮汐测量
不同的潮汐类型
半日潮
circulations 密度差异 The Sun and Moon produce tides 引力 Waves carry storm energy to land and
act as erosion agents
波 浪
Basic Parts of a Wave
wavelength
crest
波基面
wave base = 1/2 wavelength
trough
海洋水文气象
温度观测的基本要求
• 水温观测的精度要求 • 对于大洋，因其温度分布均匀，变化缓慢，观测精度要求较高。 一般温度应准确到一级，即± 0.02℃。 • 在浅海，因海洋水文要素时空变化剧烈，梯度或变化率比大洋的 要大上百倍乃至千倍，水温观测的精度可以放宽。对于一般水文 要素分布变化剧烈的海区，水温观测精度为± 0.1℃。 • 观测层次 • 水温观测分表层水温观测和表层以下水温观测。
• 标准观测水层 • 10以内 • 表层，5，底层
• 10-25 • 表层 5，10，15，20，底层 • • 25-50 • 表层，5，10，15，20，25，30，底层 • • 50-100 • 表层，5，10，15，20，25，30，50，75，底层 • 100-200 • 表层，5，10，15，20，25，30，50，75，100，125，150，底层 •
水色、透明度观测
透明度定义
• 透明度表示海水透明的程度（即光在海水中衰减程度）。 • 用直径为30cm的白色圆板（透明度板），在船上背阳一侧，垂直 放入水中，直到刚刚看不见为止。透明度板“消失”的深度叫透 明度。这一深度，是白色透明度板的反射、散射和透明度板以上 水柱及周围海水的散射光相平衡时的结果。所以，用透明度板观 测而得到的透明度是相对透明度。 • 应用白色圆板测量透明度虽然简便、直观，但有不少缺点，如受 海面反射光的影响，与观测人眼睛的近视程度等有关。因为测量 的结果缺乏客观的代表性，而且透明度板只能测到垂直方向上的 透明度，不能测出水平方向上的透明度，所以，近年来国际上多 采用仪器来观测光能量在水中的衰减，以确定海水透明程度，并 对透明度作出新的定义。 • 透明度的新定义为：一准平行光束在水中传播一定距离后，其光 能流与原来光能流之比
各式测温计简史
海洋水文气象
海洋水文气象216.海洋形态的固有特性是什么？（1）广漠而有垠：占地球表面积70.8%，被陆地分隔。
（2）深又浅：两层含义。
其一指海洋平均深度为3800米，最深为11034m（陆地海拔最高为8848米)，但地球半径为6371千米，因此海洋只是地球上一薄层；其二指海洋垂直尺度与水平尺度比为10-3的量级，因此海洋中海水的运动以水平运动为主。
（3）连通又阻隔：各大洋水域连成一体，可以充分进行物质和能量的交换。
北半球陆地几乎连成一体，阻挡了北冰洋与其他大洋的水交换，使北冰洋底层水无法流出进入其他大洋。
其他大洋底层水均来自于南极大陆附近的边缘海。
217.地球自转对地球上运动的物体有哪些影响？由于地球自转，在地球上运动的物体会受到地球自转偏向力——科氏力的作用，该力不改变运动物体的速度，只改变物体运动的方向（在北半球总使运动物体右偏，在南半球则向左偏）。
218.海水的热容具有什么特性？为什么说海洋是大气的空调器？热容是海水温度升高1°C所吸收的热量。
海水的热容量较大，是空气的４倍，因此海洋水温的变化较气温缓慢且滞后，从而影响沿海气温的变化幅度，俗称海洋是大气的空调器。
219.在海水中的含量最高和最低的元素分别是什么？分别为氯元素和氡元素。
220.大洋海水的pH值一般是多少？对于大洋海水来说，pH值一般在8左右。
221.海水的热膨胀具有什么特征？不遵循热胀冷缩规律。
高温时热膨胀系数值为正，低温、低盐时为负值。
热膨胀系数由正转负时对应的密度最大。
222.海洋中海水结冰过程与湖泊中淡水结冰有何异同？首先，二者都是表层温度开始降低。
因此，湖泊中淡水：表层开始结冰，下层可能仍保持不冻结。
海水结冰：盐度低于24.695的海水，结冰过程与淡水相同，表层海水达到冰点即开始结冰。
盐度大于24.695的海水，温度接近冰点时，密度会加大，从而下沉，下层温度较高的水则上涌，发生对流混合，直到混合层都达冰点温度时整层水体才会一起结冰。
第一章 海洋水文气象要素
大气的垂直分层
4. 热层（Thermosphere）：厚度：85-800Km。特点：① 气温随高度迅速增加。② • 空气高度电离，• 又称电离 层。• 电离层的程度也有差别，比较强的为E层（100-
120Km）和F层（200-240Km)，反射无线电波，对通信
有重要意义。 5. 逸散层（Exosphere）: 厚度： 800Km以上。
稀有气体：氢、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等。
大 气 成 分
大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而 迅速减少。观测表明，10公里以内集中了75%
的大气质量，35公里以下则达99%，近地面空
气标准密度为 1.293 千克 / 立方米。影响天气
气候变化的主要大气成分为二氧化碳、臭氧
和水汽。
大气中的易变成分
气温和海温
气温（Air Temperature）
气温是大气的重要状态参数之一，是天气预报
的直接对象。气温的分布和变化与气压场、风
场、大气稳定度以及云、雾、降水等天气现象 密切相关。 1. 定义：气温是表示空气冷热程度的物理量。可 以通过温度表或温度计直接测得。
温标
2．温标：温度的数值表示法称温标。常用的温标有三种。
太阳、地面和大气辐射
1．辐射的基本特性
在自然界中凡高于绝对零度的物体均发出电磁波，电磁 波按其波长分为γ 射线、X射线、可见光、红外线和无 线电波。温度高，辐射强，多为短波；温度低，辐射弱， 多为长波。不同波长的辐射具有不同的吸收，反射和透 射特性。物体因放射辐射消耗内能而使本身的温度降低， 同时又因吸收其它物体放射的辐射能并转变为内能而使 本身的温度增高。 太 阳 （ 表 面 温 度 约为 6000K ） 放 出 短 波辐 射 （ 0.15 ～ 4μ m) 。 地 面 和 大 气 （ 温 度 约为 300K ） 放 出 长 波辐 射 (3 ～ 120μ m) 。太阳辐射是地球和大气的唯一能量来源。
第一章.气象要素
大气。
4.对流（Convection) ：一般将垂直运动称对流， 对流又分热力对流和动力对流。由于空气受热 不均引起有规则的热空气上升冷空气下沉称热 力对流。由于动力作用造成的对流运动称动力 对流，如空气遇山爬升等。
5.平流（Advection)：水平运动称平流。平流是 大气中最重要的热量传输方式，范围大，持续 时间长。如南风暖、北风寒、东风湿、西风干。 平流是指某种物理量的水平输送，如温度平流、 湿度平流等。
地面和大气（温度约为300K）放出长波辐射(3～120μ m)。
太阳辐射是地球和大气的唯一能量来源。
若将太阳对地球大气系统的辐射作
为100份，其中地球大气系统反射
和散射占30份，大气吸收占19份， 地球表面吸收51份。地球表面通过
太阳、地面和大气辐射
长波辐射（21份）、热传导（7份）
和水汽相变（23份）等过程释放能 量，大气在吸收太阳短波辐射和地 面长波辐射的同时又放出长波辐射 （19份），最终向外层空间的辐射 总量也为100份，使地球大气系统 的温度保持恒定。
城市大气质量监测报告中空气污染物种类:总悬浮颗 粒物、二氧化硫和氮氧化物等
二、大气的垂直结构
根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动程度和电离现象 等不同等特点，自下而上将大气分为五个层次。（P5）
1. 对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和
季节变化，平均厚度10-12公里。通常在高纬为6-8Km，
大气中的易变成分
3.水汽（vapour）：含水汽的空气叫作湿空气（wet air）。 空气中的水汽含量随纬度、时间、地点而变化。
湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度的62.2％。
第一章 海洋水文气象要素解析
大气的垂直分层
根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动和电离现象等要 素的变化规律，可以将大气分为五个层次。（P5）
1. 对流层（Troposphere）：下界为地面，上界随纬度和 季节变化，平均厚度10-12公里。通常在高纬为6-8Km， 中纬度10-12Km，低纬度17-18Km。夏季对流层的厚度比 冬季高。对流层集中了大气质量的80％和全部水汽，与 人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程 都发生在该层。对流层具有三个主要特征。第一Fra bibliotek 海洋水文气象要素
§1 大气和海洋概况 §2 气温和海温 §3 大气压 §4 风和浪 §5 大气湿度和海水盐度 §6 云和降水 §7 海面能见度和海水透明度 §8 船舶海洋水文气象观测
几个重要的专业术语
大气（Atmosphere）：包围地球表面的整个大 气层。
气象要素（Meteorology elements) ：反映 大气状态的物理量或物理现象，主要有：气温、 气压、风、湿度、云、能见度和天气现象。
2. 臭氧（ozone）：主要存在于20-40公里 气层中，又称臭氧层（Ozonsphere）。 臭氧是吸收太阳紫外线的唯一大气成分， 若没有臭氧层，人类和动物、 植物将受 到紫外线的伤害。
大气中的易变成分
3.水汽（vapour）：含水汽的空气叫做湿空气（wet air）。 空气中的水汽含量随纬度、时间、地点而变化。 湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度的62.2％。 大气中水汽含量范围在0～4％，具有固、气、液三态，是 常温下发生相变的唯一大气成分，它也是造成云、雨、雪、 雾等现象的主要物质条件。
大气成分
大气：主要由多种气体、水汽和悬浮的杂质构 成。
干空气（Dry air）:（除水汽和杂质以外的空 气 ） 主 要 成 分 为 氮 （ 78.09% ） 、 氧 (20.95% ） 、 氩（0.93%）、二氧化碳（0.03％）。
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海洋要素（Marine elements）：反映海洋
状态的物理量或物理现象。如海温、盐度、
海浪、海流和海冰等。
大 气 成 分
大气：主要由多种气体、水汽和悬浮的杂质构
成。
干空气（ Dry air）: （除水汽和杂质以外的空
气）主要成分为氮（ 78.09% ）、氧 (20.95% ）、
氩（0.93%）、二氧化碳（0.03％）。
冬季高。对流层集中了大气质量的 80 ％和全部水汽，与
人类关系最为密切，大气中几乎所有的物理和化学过程 都发生在该层。对流层具有三个主要特征。
对流层中三个主要特征
⑴
气温随高度而降低。平均幅度为-0.65℃/100m。 即 γ ＝0.65℃/100m 称γ 为气温垂直递减率。
⑵
具有强烈的对流和湍流运动。是引起大气上下 层动量、热量、能量和水汽等交换的主要方式。
第一章
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8
海洋水文气象要素
大气和海洋概况 气温和海温 大气压 风和浪 大气湿度和海水盐度 云和降水 海面能见度和海水透明度 船舶海洋水文气象观测
几个重要的专业术语
大气（Atmosphere）：包围地球表面的整个大
气层。 气象要素（Meteorology elements) ：反映
以作为凝结核。
大气的垂直分层
根据气温、水汽的垂直分布、大气扰动和电离现象等要
素的变化规律，可以将大气分为五个层次。（P5）
1. 对流层（ Troposphere ）：下界为地面，上界随纬度和 季节变化，平均厚度 10-12 公里。通常在高纬为 6-8Km ， 中纬度 10-12Km ，低纬度 17-18Km 。夏季对流层的厚度比
稀有气体：氢、氖、氦、氪、氙、氡、臭氧等。
大 气 成 分
大气是可压缩气体，大气密度随高度增加而 迅速减少。观测表明，10公里以内集中了75%
的大气质量，35公里以下则达99%，近地面空
气标准密度为 1.293 千克 / 立方米。影响天气
气候变化的主要大气成分为二氧化碳、臭氧
和水汽。
大气中的易变成分
大气的垂直分层
4. 热层（Thermosphere）：厚度：85-800Km。特点：① 气温随高度迅速增加。② •空气高度电离，•又称电离 层。•电离层的程度也有差别，比较强的为E层（100-
120Km）和F层（200-240Km)，反射无线电波，对通信
有重要意义。 5. 逸散层（Exosphere）: 厚度： 800Km以上。
混合了，因此，把这一层叫做非均质层。
大气的垂直分层
按着大气被电离的状态来划分，可分为： 非电离层：在海平面以上60公里以内的大气，基本上没 有被电离处于中性状态，所以这一层叫非电离层。 电离层：在60公里以上至1000公里的高度，这一层大
大气中的易变成分
3.水汽（vapour）：含水汽的空气叫做湿空气（wet air）。 空气中的水汽含量随纬度、时间、地点而变化。 湿空气在同一气压和温度下，只有干空气密度的62.2％。
大气中水汽含量范围在0～4％，具有固、气、液三态，是
常温下发生相变的唯一大气成分，它也是造成云、雨、雪、 雾等现象的主要物质条件。
是波动，地面摩擦作用减小，可忽略不计，这样大气的运
动显得比较简单和清楚。
对流层顶：厚度约为1-2Km，温度随高度呈等温或逆温状态。
大气的垂直分层
2. 平流层（Stratosphere）：厚度：自对流层顶到大约
55Km左右；特点：① 空气的垂直运动比较弱，主要是水 平运动。② 水汽含量少。③ 气温随高度递增（最初等 温，到20-25Km气温突增，主要是臭氧吸收太阳紫外线）。 ④ 气层稳定利于飞机飞行。 3. 中间层（Mesosphere）：厚度：自平流层顶到85Km左右 特点：① 温度随高度迅速下降（无臭氧，有强烈垂直运 动）。② 大约在65Km处是电离层，白天强，夜间弱。
1. 二氧化碳（carbon dioxide）:平均含量0.03%, 若达到0.2-0.6％，就对人体有害。二氧化碳能
强烈地吸收和放射长波辐射，•对地面和大气的
温度分布有重要影响，类似温室效应，直接影响
气候变迁。含量城市多于农村，夏季多于冬季，室内多于室Βιβλιοθήκη 。大气中的易变成分2.
臭氧（ozone）：主要存在于20-40公里 气层中，又称臭氧层（Ozonsphere）。 臭氧是吸收太阳紫外线的唯一大气成分， 若没有臭氧层，人类和动物、•植物将受 到紫外线的伤害。
特点：气温也随高度增加，大气质点摆脱地球引力的束 缚，向星际空间散逸。
大气的垂直分层
按着大气的化学成分来划分。这种划分是以距海平面90公 里的高度为界限的。 均质层:在90公里高度以下，大气是均匀地混合的，组成大 气的各种成分相对比例不随高度而变化，这一层称均质层。 非均质层:在90公里高度以上，组成大气的各种成分的相对 比例，是随高度的升高而发生变化的，比较轻的气体如氧 原子、氦原子、氢原子等越来越多，大气就不再是均匀的
大气状态的物理量或物理现象，主要有：气温、 气压、风、湿度、云、能见度和天气现象。
天气 (Weather)：指一定区域在较短时间内各
种气象要素的综合表现。天气表示大气运动的
瞬时状态。
几个重要的专业术语
气候 (Climate)：指某一区域天气的多年平 均特征，其中包括各种气象要素的多年平均
及极值。气候表示长时间的统计平均结果.
⑶
气象要素沿水平方向分布不均匀。如温度、湿 度等。
摩擦层与自由大气
根据大气运动的不同特征通常将对流层分为： 摩擦层(friction layer) ：摩擦层又称边界层，从地面到 1Km高度，其厚度夏季高于冬季，白天高于夜间。湍流输送 是该层的基本运动特点。
自由大气(free atmosphere) ：自由大气的基本运动形式
水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，并在相变过程中吸收 和放出潜热能，对地面和空气的温度影响很大。
大气中的易变成成分
4.杂质：悬浮在空气中的固体或液体微粒，主
要包括尘埃、烟粒、细菌、病毒、花粉和微
小盐粒等。它们主要集中在大气的低层，影
响能见度，能吸收部分辐射，并对太阳辐射
具有散射作用。在水汽相变过程中，杂质可