厦门大学海洋科学导论课件(水文部分)lect19_1226
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)
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。
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·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。
海洋科学导论
海洋科学导论论文题目：认识海洋，了解海洋姓名：XXXXXX学号：XXXXXXXX班级：XXXXXXXXXX二〇一四年五月十三日目录海洋的认识...................................................................................................................... - 1 -1. 海洋是怎样形成的？海水是从哪里来的？ .................................................. - 1 - 海洋物质.......................................................................................................................... - 2 -1. 水...................................................................................................................... - 2 -2. 溶解于水中的多种化学元素.......................................................................... - 2 - 海洋生物.......................................................................................................................... - 3 -1. 海洋动物.......................................................................................................... - 3 -2. 海洋植物.......................................................................................................... - 3 - 海水运动.......................................................................................................................... - 3 -1. 波浪.................................................................................................................. - 4 -2. 潮汐.................................................................................................................. - 4 -3. 洋流.................................................................................................................. - 4 -4. 重要意义.......................................................................................................... - 6 -5. 洋流成因.......................................................................................................... - 6 -①．风海流......................................................................................................... - 6 -②．密度流......................................................................................................... - 6 -③．补偿流......................................................................................................... - 7 -认识海洋，了解海洋海洋的认识地球表面被陆地分隔为彼此相通的广大水域称为海洋。
海洋科学导论
海洋科学导论一、绪论海洋科学：是研究地球上海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发、利用海洋有关的知识体系。
研究对象：世界海洋及与之密切相关联的大气圈、岩石圈、生物圈，海洋中的(海水、营养盐、生物)，海底的(海洋沉积、海底岩石圈)，海口的(河口、海岸带)，海面的(大气边界层)。
特点：特殊性和复杂性、综合性，海洋中的水汽冰三态的转化无时无刻不在进行，作为自然系统的多层次耦合性。
研究内容：海水运动规律，海洋中的物理、化学、生物、地质过程，及其相互作的基础研究；海洋资源开发、利用，有关海洋军事活动迫切需要的应用研究。
海洋科学的发展史：第一阶段：海洋知识的积累；第二阶段：海洋科学的奠基与形成；第三阶段：现代海洋科学时期；最后，海洋科学的未来。
二、地球系统与海底科学地表陆海分布：地球表面总面积约5.1×108km2，分属于陆地和海洋。
以大地水准面为基准，陆地占29.2％，海洋占70.8％，地表大部分为海水所覆盖。
地球上海洋相互连通，构成统一的世界大洋；而陆地则相互分离，没有统一的世界大陆。
海洋不仅面积超过陆地，其深度也超过陆地高度。
3000m以上深海洋占其总面积的75％；而高度不足1000m 的陆地占其总面积的71％。
海洋平均深度达3795m，而陆地平均高度只有875m。
如果将高低起伏的地表削平，则地球表面将被约2646m 厚的海水均匀覆盖。
海洋的划分：根据海洋要素特点及形态特征，可分为主要部分——洋和附属部分海、海湾和海峡。
(大)洋，远离大陆，面积广阔，占海洋总面积的90.3％；深度大，一般大于2000m；海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。
海是海洋的边缘部分，全世界共有54 个海，其面积占世界海洋总面积的9.7％。
海的深度较浅，平均在2000m以内。
其温度和盐度等海洋要素受大陆影响很大，有明显的季节变化。
水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。
海洋科学导论
海洋科学导论第二章1.大地水准面的概念全球静止海面是既不考虑地表海陆差异、也不考虑陆、海地势起伏时的海面。
它在海洋中是不考虑波浪、潮汐和海流的存在、海水完全静止时的海面；它在大陆上是静止海面向大陆之下延伸的遐想”海面”。
两者总称大地水准面，是陆上高程的起算面。
2.海洋的划分，海与洋的区别根据海洋要素特点及形态特征，可将其分为主要部分和附属部分。
主要部分为洋，附属部分为海、海湾和海峡。
区别：洋或称大洋，是海洋的主体部分，一般远离大陆，面积广阔，约占海洋总面积的90.3%；深度大，一般大于2000m；海洋要素如盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。
海事海洋的边缘部分，全世界共有54个海，其面积只占世界海洋总面积的9.7%。
海的深度较浅，平均深度一般在2000m以内。
其温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，并有明显的季节变化。
水色低，透明度小，没有独立的潮汐和洋流系统，潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海洋有自己的环流形式。
按照海所处的位置可将其分为陆间海、内海和边缘海。
陆间海是指位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海。
内海是伸入大陆内部的海，面积较小，其水文特征受周围大陆的强烈影响，如渤海和波罗的海等。
边缘海位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋相隔，但水流交换通畅，如东海、日本海等。
海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域，一般以入口海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。
海峡是两端连接海洋的狭窄水道。
海峡最主要的特征是流急，特别是潮流速度大。
3.大陆边缘概念：大陆边缘是大陆与大洋之间的过渡带，按构造活动性分为稳定型和活动型两大类。
①稳定型大路边缘：由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成。
大陆架是大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。
其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。
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
海洋科学导论
海洋科学导论简介：海洋科学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律，以及与开发利用海洋有关的知识体系。
它的研究对象是占地球表面71%的海洋，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈，以及海面上的大气边界层和河口海岸带。
因此，海洋科学是地球科学的重要组成部分，它与物理学、化学、生物学、地质学以及大气科学、水文科学等密切相关。
海洋科学的研究领域十分广泛，其主要内容包括对于海洋中的物理、化学、生物和地质过程的基础研究，和面向海洋资源开发利用以及海上军事活动等的应用研究。
由于海洋本身的整体性、海洋中各种自然过程相互作用的复杂性和主要研究方法、手段的共同性而统一起来，使海洋科学成为一门综合性很强的科学。
海洋科学是19世纪40年代以来出现的一门学科。
海洋科学专业实际是在物理学、化学、生物学、地理学背景下发展起来的，形成了海洋气象学、物理海洋学、海洋化学、海洋生物学和海洋地质学等专业，许多大学在多年来专业背景教育基础上积累的丰富经验为海洋科学教育打下了良好的基础。
（/view/175557.htm）物理海洋：从广义上讲，现代物理海洋学是研究海洋的热状态、动力状态，以及物理特性的控制和世界各大洋边界的科学。
或者说研究海洋物理特性、海洋水体的运动形式和过程，及其诸多因素与大气和海底有关因素变化的学科。
因此，建立在这个范围内的理论研究和实地观测，对于深入了解海洋水体的循环过程是十分重要的。
在长期的实践中，为了了解海水的物理特征，形成了波浪动力学，以及潮汐、海流、地震海啸等；海水热力学，以及瞬间海水运动现象，如上升流、涡流等。
此外，海水光学、海洋声学、海洋气象学等方面的研究，都能为了解海水运动，提供依据。
当然，从海洋物理学中衍生出来的海洋声学，为声纳技术提供了研究基础；海洋气象学，为气象预报技术提供了依据，因为海洋对于世界天气和气候，起着决定性的作用，所以，海洋气象学特别重视海水和大气层交界面，各种现象的相互作用影响和热量、水气交换的研究。
海洋科学导论
三、浅海风海流
表面流方向与风向交角比无限深海小，流向随深度变化较缓。 水深越浅，表面流与风向右偏角越小，从上层到下层流速矢量 越趋近风矢量。 理论计算：h/D ≥2时，无限深海。
四、海岸对风海流的影响
海流与海岸垂直相遇，分为两支反方海流； 海流与海角垂直相交，分为两股流； 两股垂直向岸的海流，两者间产生一反向逆流。
沿岸流 离岸流
三、海流的表示法： 矢量表示法 流速：海流的强度 单位：节或 cm/s 表示 流向：海水流去的方向，
以度或方位表示
箭矢方向——海流的方向， 箭矢长度或粗细（或标值）——流速。
红线——暖流，蓝线——寒流
第二节、密度流与地转流 一、等压面和等势面 1 、等压面：
海洋中压力相等的点组成的假想的面。
艾克曼（Ekman）风海流理论
二、无限深海的风海流 ——漂流 假设： 1 、海水密度均匀分布； 2 、稳定均匀的风长时间吹刮于无限宽广、 无限深的海洋上，海面不发生升降； 3 、只考虑湍流粘滞系数引起的水平摩擦力； 4 、不考虑地转偏向力随纬度变化。
结论：
1.深海中，表层流的方向在北半球偏于风向右边 45 °， 南半球偏左。偏向不随风速、流速和纬度变化。 2. 表层流流速与风速和所在地理纬度有关：
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
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
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Celsius (1742, Sweden):
Kelvin (1800's, Lord Kelvin)
三种不同温标之间换算
3.2 Atmospheric pressure(气压)
观测高度到大气上界单位面积上铅直空气 柱的重量 1hPa=1000dyn/cm2 ~1mb
Mesosphere（中层） 温度随高度升高降低得很 快 最冷层 Thermosphere（热成层） 温度随高度增加而pheric variables（气象要素）
Temperature（气温） Pressure (weight of overlying air, 1in Hg=33.86 mb)average surface pressure = 1013mb （气压） Water vapor-humidity/dew point/RH（湿 度） Wind-speed and direction（风）
3.2 Atmospheric Processes
Fluids
(air and water) flow from areas of high pressure to areas of low pressure. Change in pressure across a horizontal distance is a pressure gradient.
3.1 Temperature
Temperature is a measure of the hotness or coldness of a substance. Temperature typically is measured in either Fahrenheit(华氏温标), Celsius(摄氏温标), or Kelvin(开氏温标).
3.3 Humidity
Vapor pressure (e,水汽压)：湿空气中，由水 汽所引起的那一部分压强 Saturation vapor pressure (E,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．
Layered (~ approximate thickness of layers)
Troposphere对流层 (weather zone) (~15 km) Stratosphere平流层(~35 km) Mesosphere中层 (~30 km) Thermosphere 热成层(~415 km) Exosphere 逸散层( beyond 500 km from Earth)
Greater the difference in pressure and the shorter the distance between them, the steeper the pressure gradient and the stronger the wind.
Movement
Average sea level pressure = 1013 mb The highest measured sea level pressure on Earth was 1084 mb (Agata, Siberia). The lowest measured sea level pressure on Earth was 870 mb (within a typhoon).
Relative Humidity (RH，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%
Dew point (Td，露点): 湿空气等压降温达到 饱和时的温度
3.4 Wind
Wind is simply the velocity of the air with respect to the earth. （空气相对于地面作水 平运动） In meteorology, we refer to the wind direction as the direction from which the wind is blowing.
水平气压场
Isobars are in millibars
•Low pressure zone is where air density is lower than in surrounding areas because the air is warmer or has a higher moisture content. •High pressure zone is where air pressure is higher than in surrounding area because of cooling or lower moisture content.
大尺度水平运动基本上是在水平气压梯度力和科氏力相平衡下维持的地转平衡运动。
0 0
1 p
x
1 p
2 sin
g
y
2 sin u g
1 p u g 2 sin y 1 p g 2 sin x
所以D点农历四月初七出现最大潮流流速时刻为1853、1241、0629、 0017 （3） umax=1.0m/s (4) 不受时间限制，潮波波高为A/2=1米，即使低潮时水深还有9米
§８ The Atmosphere and the Ocean 大气与海洋
1. Structure of the Atmosphere 地球大气的垂直分层
Based on temperature variations
Troposphere(对流层）
温度随高度降低 大气铅直混合强 气象要素水平分布不均 主要天气现象和过程的源地 底层温度变化不大，上部温 度随高度增加而明显增高 大气层结稳定，铅直运动很 弱
Stratosphere（平流层）
Fahrenheit of water at sea level = 32 degrees Fahrenheit Boiling = 212 degrees Fahrenheit The scale is linear.
Freezing = 0 degrees Celsius Boiling = 100 degrees Celsius The scale is linear. Freezing = 273 Kelvin Boiling = 373 Kelvin The scale is linear. K = degrees Celsius + 273
A B
λ/6
E
C
D
潮波
解：(1) 窄长半封闭海湾的原点设在离湾顶/4处
u A g h cos 2 x sin 2 T 2 T t t
A sin
2
x cos
D点
x (
6
4
)
2
12
1 . 73 | A A 2m
9 .8 10
cos
12
A (sin
u A v A g h g h cos
2
cos(
x ) cos(
2
2 T
t)
t)
2
cos
x cos
2 x
2 T
t sin
2
y sin
2 T
t)
x ) sin(
2 T
2 y
sin
2 t T 2 t T
cos
重点：a)各种海区潮汐、潮流的定性解释 b)计算：窄长半封闭海湾的潮位、潮流计算
4. 如图所示，正规半日潮潮波（波长为λ）由南向北传入一个等深 的窄长海区（长度AC=λ/6，平均水深H=10米，AB为一海堤）， 设潮波在该海区中的传播不受科氏力的影响，求： 1)D点的最大潮流流速为1.73米/秒，那么C点的潮差为多大？ 2) 若B点的高潮间隙为1059，那么，D点农历四月初七何时出现最 大潮流流速？ 3) E点的最大潮流流速； 4) 若把AB海堤炸掉，建一个足够高的大桥取代之，那么，安全行 使水深为8.5米的船通过大桥是否受时间限制，为什么？
|
2 sin
2
(
12
) 1m
H C 2 2 m
(2) 出现最大潮流流速为半潮面 D点出现的高潮时 (7-1)×0.8+1059=1547 1547+T/4=1547+0306=1853 1547-T/4=1547-0306=1241 D点另一高潮时
1547-1224=0323 0323+T/4=0629 0323-T/4=0017
蒲福风级表
3. The atmosphere in motion（大气 运动）
3.1 Density differences in the atmosphere result in pressure differences at the surface.
Warm air is less dense than cold air and moist air is less dense than dry air. Low air density results in rising air and low surface pressure High air density results in descending air and high surface pressure.