《海洋科学导论》第四章 海洋中的热收支和水平衡

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,D.Zhao,OUC,*,第四章 海洋中的热收支和水平衡,大气海洋相互作用,D.Zhao,OUC,1,大气海洋的热收支平衡,万物生长靠太阳，干革命靠。,大气可直接吸收,1/5,的太阳辐射，,1/5,被大气反射,太阳辐射的,1/2,被陆地和海洋吸收，暂时储存在地球表面,被海洋吸收的热量，大部分通过蒸发和红外辐射传递给大气,海洋剩余的热量通过海流传递到其他地方，特别是中纬度地区,D.Zhao,OUC,2,大气海洋的热收支平衡,热带海洋是驱动大气环流的主要热源,海洋夏天吸收热量、冬天放出热量对气候起到调节作用,由海流传递的热量不稳定，传递过程中会发生剧烈的变化，从而引发气候变化,D.Zhao,OUC,3,海,-,气界面热收支,通过海,-,气界面的各种能量通量之和必须为,0,，否则会海洋会被加热或冷却,热收支：进入和逸出某水体的各种热通量之和,海面热收支的主要因子有：太阳辐射、海面有效回辐射（红外）、蒸发或凝结潜热和感热交换,热通量的单位为,watts/m,2,，乘以海面面积即为能量焦耳,joules,D.Zhao,OUC,4,物体的辐射,辐射：自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式，称为辐射,辐射能：物体通过辐射所放出的能量,不论物体,(,气体,),温度高低都向外辐射，甲物体可以向乙物体辐射，同时乙也可向甲辐射。,辐射能被物体吸收时发生热的效应，物体吸收的辐射能不同，所产生的温度也不同。因此，辐射是能量转换为热量的重要方式。,D.Zhao,OUC,5,各种辐射的波长范围,可见光：,0.40,0.76,m,红外线：,0.76,400,m,1666,年，牛顿第一个揭示了光的色学性质和颜色的秘密,D.Zhao,OUC,6,辐射定律,一般物体收到辐射时，对辐射能量总是有吸收、有反射,黑颜色的物体吸收能力大于白颜色的物体。,如果物体可将全部能量吸收而没有反射，称为绝对黑体。,Stefan-Boltzmann,定律,任何高于,0K,的物体都能以辐射的形式向外释放能量，黑体辐射能与绝对温度的,4,次方成正比（,F,为辐射体的透明系数，绝对黑体为,1,）,D.Zhao,OUC,7,辐射定律,维恩位移定律,黑体辐射能量最大的波长与辐射体表面的绝对温度成反比,太阳表面温度约为,6273K,，,对应的波长为,0.46,m,根据恒星发光的颜色可,判断其表面温度,D.Zhao,OUC,8,太阳辐射能,太阳辐射波长主要为,0.15-4,微米，其中最大辐射波长平均为,0.5,微米，故称短波辐射,太阳表面温度高达,6000K,以上，地球每年接受太阳辐射能量约为,5.5X10,24,J,，相当于人类全年消耗各种能源的,8.7,万倍！,D.Zhao,OUC,9,太阳辐射强度,太阳辐射强度,:,太阳在单位时间内，垂直投射到单位面积地表上的辐射能量。,影响太阳辐射强度的因素：,日地距离,大气透明度（晴天、阴天）,地势高低（地势越高辐射越强？）,纬度高低,太阳活动的强度,D.Zhao,OUC,10,太阳常数和太阳高度角,在日地平均距离的条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的单位面积上，单位时间内所接受的太阳辐射能量，称为太阳常数。,S,0,= 1367,7w m,-2,太阳相对于水平面的角度，称为太阳高度（角）,D.Zhao,OUC,11,太阳高度,辐射能与太阳高度,太阳高度取决于纬度、季节和一天中的时刻,夜间有太阳辐射吗？,一天的长短取决于纬度,D.Zhao,OUC,12,到达海面的太阳辐射,到达海面的太阳辐射与大气透明度和天空中的云量、云状以及太阳高度,H,有关,D.Zhao,OUC,13,到达海面的太阳辐射,Q,s0,无云时达海面的总辐射，,C,为云覆盖率，,h,为太阳高度,A,s,为海面反射率。均值为,7%,，低纬海区小，高纬海区大,吸收太阳辐射能的截面面积取决于太阳高度,D.Zhao,OUC,14,进入海水中的辐射能,到达海面的总辐射能，并未完全进入海水中，其中有一部分被海面反射回天空,进入海水中的辐射能随深度迅速减小,太阳辐射在水深,10m,处降为,16%,，仅有,1%,可达,100m,水深处,1,米深处剩,45%,10,米深处剩,16%,100,米深处剩,1%,D.Zhao,OUC,15,进入海面的太阳辐射,进入海面的太阳辐射能的年平均值在,30260W/m,2,之间,晴天时进入海洋辐射能的月平均值,D.Zhao,OUC,16,到达海面的太阳辐射能随时间和纬度的变化,总辐射能由太阳高度和日照时间共同确定,纬度越高，总辐射能随季节变化越剧烈,D.Zhao,OUC,17,到达海面的太阳辐射,夏半年各纬度上的太阳高度均高于冬半年，夏半年的日照时间也随着纬度的增高而延长,冬半年则完全相反,总辐射能为何夏季随纬度变化远没有冬季剧烈？,导致北半球大洋水温南北方向的梯度冬季大于夏季的原因是什么,？,D.Zhao,OUC,18,海面有效回辐射,Q,b,世界大洋表层的平均温度为,17.4,C,，由恩维定律，海洋向大气辐射最强的波长为,10,m,，故称长波辐射,海洋向大气的长波辐射，大部分被大气中的水汽和二氧化碳所吸收,大气的平均温度为,13.7,C,，也以长波辐射的方式向四周辐射，向下的部分称为大气回辐射，几乎全部被海洋吸收,海面的长波辐射与大气回辐射之差称为,海面有效回辐射,，其值一般为正值，说明海洋失去能量,D.Zhao,OUC,19,海面有效回辐射,海面有效回辐射主要取决于海面水温、海上水汽含量和云的特征,当海面温度一定时，海面有效回辐射随相对湿度增大而减小（？）,当相对湿度一定时，海面有效回辐射随海面温度升高而减小（？）,为什么冬季早晨阴天时比晴天时暖和？,当天空有云时，大气回辐射强，海面有效回辐射减小,炎热的热带比寒冷的极地损失的红外辐射相对要少（？）,D.Zhao,OUC,20,海面有效回辐射,由于海面水温和海面上方的相对湿度的日变化和年变化相对较小，使得海面有效回辐射的变化较小，年平均有效回辐射大约在,30-60w/m,2,之间,平均而言，海洋吸收的太阳短波辐射大于红外辐射所损失的热量，称为辐射平衡热盈余,海洋通过辐射获得了热量！,盈余的热量以蒸发和热传导交换的形式返回到大气中,图中点线为辐射热盈余,D.Zhao,OUC,21,太阳短波辐射、海面有效回辐射和热盈余,海洋在辐射过程中获得热量,D.Zhao,OUC,22,地球的温室效应,太阳的短波辐射进入海洋，海洋长波辐射加热了大气,D.Zhao,OUC,23,海洋的蒸发潜热,海洋每年蒸发掉约,126cm,厚的海水,海面上部气层中在铅直方向上的水汽压差，是维持水蒸发的先决条件,通常认为紧贴水面的空气是饱和的，如果海面以上空气层的水汽含量较贴水面空气小，水汽将向上输送，蒸发得以进行,海面上方达到饱和时，蒸发停止，甚至产生凝结,D.Zhao,OUC,24,海洋的蒸发,蒸发潜热主要受海上风速和相对湿度的影响,相对湿度指相同温度下的水汽压与饱和水汽压之比（百分率）,海上湿度越大，越利于蒸发吗？,海面水温高于近海面大气温度时，有利于热力对流和蒸发进行，反之，则不利于蒸发进行（？）,海上风速越大，越利于蒸发进行（？）,D.Zhao,OUC,25,世界大洋的蒸发,蒸发潜热公式,年平均蒸发潜热为,10,到,130w/m,2,，海洋失去热量,大洋上的蒸发速率是不均匀的，随纬度和季节变化,为何赤道海区蒸发量并不是最大？,冬季比夏季蒸发量大？,图中长划线为,Q,e,L,为蒸发潜热,C,E,为潜热交换系数,q,0,和,q,z,为海面和高度,z,处的比湿,U,10,为风速,D.Zhao,OUC,26,海洋的蒸发,影响海洋蒸发的因素：,A.,海面汽压差,B.,风速,C.,水气温差,赤道海区的蒸发量较小,（,空气中的相对湿度大，风速小）,高纬度海区蒸发量小,（,气温低，大气容纳水汽的能力小）,副热带海区（中纬度）蒸发量大（,气流下沉区、空气干燥、气温高、风速较大）,蒸发量最大的海区在大洋西北部的湾流和黑潮区,D.Zhao,OUC,27,大洋环流示意图,黑潮,湾流,D.Zhao,OUC,28,海洋蒸发的季节变化,海面蒸发有明显的季节变化,冬季的蒸发速率最大，几乎到处都大于夏季,因为冬季的风速和海面以上的水汽压差比夏季大、水温高于气温、空气层结不稳定所致,冬季湾流上方蒸发可达,3465 J cm,-2,d,-1,黑潮上方可达,2305 J cm,-2,d,-1,夏季风从海上吹来，空气湿润，水汽压差较小,D.Zhao,OUC,29,海洋与大气的感热交换,感热交换主要取决于海面风速和海,-,气温差。,一般冬季比夏季交换量大（？）,年平均的感热通量为,2,到,42w/m,2,，海洋失去热量,世界大洋通过感热交换向大气输送热量，仅相当于辐射平衡热盈余的,10%,感热通量,潜热通量,感热通量,潜热通量,感热通量,潜热通量,D.Zhao,OUC,30,D.Zhao,OUC,31,D.Zhao,OUC,32,感热、潜热、净辐射和净热通量,D.Zhao,OUC,33,世界大洋的热收支示意图,Q,s,=168 W/m,2,Q,b,=390-324=66,Q,e,=78,Q,h,=24,D.Zhao,OUC,34,海洋热收支随纬度的变化,总体上赤道海区得到热量，高纬度海区失去热量,赤道海温为何不持续上升而高纬海域海温持续降低？,D.Zhao,OUC,35,子午热量输送,从整体上看，地球在热带得到热量，在极地失去热量,大气和海洋环流必须从低纬度向高纬度输送热量以补偿热量的得失，这种南北输送称为子午热量输送,海洋环流将热量从赤道输送到中纬度海区，大气环流将热量从中纬度输送到高纬度海区,D.Zhao,OUC,36,海洋热收支随纬度的变化,用向极热通量（,PHF: polarward heat flux,）来描述热量的经向输运,D.Zhao,OUC,37,利用,GODAS,数据得到的年平均海表净热通量（,PW,）的空间分布和,PHF,河海大学博士论文,南北方向的热量输送由大气和海洋共同完成,D.Zhao,OUC,38,海洋内部热交换,赤道,极地,D.Zhao,OUC,39,海洋内部热交换,海洋热机问题,赤道和极地间的水平温差能否驱动深海环流？,海面加热效率低？,水平方向的热量输送主要通过海流来完成,赤道,极地,D.Zhao,OUC,40,海洋内部热交换,湍流：通过海面上的风、浪和流等引起的湍流混合将海面上的热量向下输送。,中尺度冷涡和暖涡引起垂向输送,上下对流引起的输送,赤道,极地,D.Zhao,OUC,41,世界大洋的热量,海洋中的全热量平衡,的绝对值越大时，则相应地升温或降温的速率越快， 为零时，对应于温度的极大值或极小值,一天中水温最大值出现在午后,13,时左右，一年中水温最大值出现在,8,月，而不是,6,月（北半球）,Q,s,：短波辐射,Q,b,：长波回辐射,Q,e,：蒸发潜热,Q,h,：感热交换,Q,Z,：铅直方向的热输送,Q,A,：水平方向的热输送,D.Zhao,OUC,42,D.Zhao,OUC,43,44,中国海的海面热平衡,中国近海的热量收入来自太阳辐射和海,-,气界面感热的向下输送，以前者为主,海面失热主要是蒸发耗热和海面有效回辐射，感热的向上输送可以忽略,蒸发耗热是秋冬季失热的主要途径，海面有效回辐射则为春夏季失热的主要途径,全年而言，中国近海海面热通量代数和为负，即海洋失热。所损失的热量主要靠黑潮平流输送热量来补充,D.Zhao,OUC,海洋中的水量平衡,水循环是在地球系统内部进行的,海洋中水的收入主要靠降水（,Precipitation,）、陆地径流（,Runoff,）和融冰；,支出则主要是蒸发（,Evaporation,）和结冰。结冰和融冰基本达到平衡,D.Zhao,OUC,45,海洋蒸发,蒸发使海洋每年平均下降,126cm,左右,蒸发在南、北副热带海区出现两个极大值，可达,140cm,，赤道海区相对较小，向高纬度海区迅速减小，两极海域不足,10cm,D.Zhao,OUC,46,降水,降水是海洋水收入的最重要因子,赤道附近降水最大，年降水量可达,180cm,，副热带海区降至,60cm,，高纬度海域又增多，向极地方向又减小,除高纬度和极地海区，降水和蒸发几乎是反相的,副热带地区蒸发强烈，但降水相对较小,D.Zhao,OUC,47,大陆径流,大陆径流，包括地下水入海是海洋水量收入的另一重要因子,进入大西洋的径流最大，可使大西洋海面上升,23cm,，其中亚马逊河占全球径流量的,20%,，流经南美,7,个国家，世界第二长河,进入印度洋的径流次之,D.Zhao,OUC,48,大陆径流,进入太平洋的最大河流为长江，其径流量仅为亚马逊河的,18.9%,所有径流量可使太平洋上升,7cm,三峡大坝,D.Zhao,OUC,49,结冰与融冰,结冰与融冰是海洋水平衡中的可逆过程,海冰被海水冲击到陆地上使海洋失去水量,冻结在陆地上冰的融化使海洋水量增加,如果陆地冰全部融化流入海洋，可使海平面上升,66m,！,结冰和融冰的量基本上达到平衡,然而，气候变暖后。,D.Zhao,OUC,50,积雪和冰川正在消融！,1984,2002,2004,1875,Melted water runs over the Greenlandic icecap,D.Zhao,OUC,51,马尔代夫会消失吗,?,2009,年,10,月,17,日，马尔代夫,内阁会议在水下召开，呼吁,大国重视气候变暖问题,马尔代夫平均高出海面仅,2.1 m,！预计,50,年后会消失,D.Zhao,OUC,52,世界大洋的水量平衡,世界大洋水量平衡方程,世界大洋平均而言，,R,=12cm/a,P,=114cm/a,E,=126cm/a,太平洋的降水和径流之和大于蒸发，水量有盈余,大西洋的降水和径流之和小于蒸发，水量有损失,北冰洋的蒸发少、径流多，水量有盈余,D.Zhao,OUC,53,全球的蒸发、降水、径流和地下水,D.Zhao,OUC,54,水收支对盐度的影响,海洋中水量盈余将使盐度减小，反之使盐度增大,蒸发和结冰使海水盐度增大，降雨、径流和融冰使海水盐度减小,蒸发和降雨直接影响着海表面盐度的变化，可用下式描述,S=34.6+0.0175,（,E-P,）,E,、,P,的单位为,cm/a,在大洋中部，大洋表面盐度分布与,E-P,的经向分布十分相似,D.Zhao,OUC,55,第四章 回顾（,1,）,影响海面热收支的,4,个主要因素：太阳辐射、海面有效回辐射、潜热和感热交换,任何温度大于绝对零度的物体均向外辐射电磁能量。,为何太阳辐射称为短波辐射、海洋和大气辐射称为长波辐射？,太阳辐射的,1/5,被大气吸收、,1/5,被大气反射回太空、,1/2,被陆地和海洋吸收,太阳高度取决于纬度、季节和一天中的时刻，太阳常数约为,1367w/m,2,夏半年日照时间随纬度增大而增长，海洋得到的辐射能随纬度变化较小，而冬半年随纬度增大日照时间减小，得到的太阳辐射随纬度增大而迅速减小,控制太阳短波辐射通量主要因素是太阳高度和云覆盖率。,海面有效回辐射为正值，说明海洋通过长波辐射失去热量,D.Zhao,OUC,56,第四章 回顾（,2,）,辐射平衡热盈余得到热量以潜热和感热形式释放到大气中,大气的温室效应：太阳短波辐射通过，而长波辐射不易通过,维持蒸发的必要条件是存在水汽压差。,蒸发潜热主要受海面气压差、海上风速和海气温差三个因素的影响,副热带海区蒸发潜热最大，赤道次之；冬季蒸发潜热比夏季大（冬季风速大、水汽压差大、空气层结不稳定）,子午热量输送：海流将热量从赤道输送到中纬度海区，大气环流从中纬度输送到高纬度海区,海洋中水量平衡：蒸发、降雨和径流；结冰和融冰两者达到平衡,大洋表面的盐度经向分布与,E-P,相似,D.Zhao,OUC,57,第四章 作业,通过查阅资料文献，阐述中国四大海区：渤海、黄海、东海和南海的热收支和水收支状况。,要求：,可选择一个海区或多个海区，图文并茂，尽量查找较新的资料，标注参考文献，做,10-15,页左右的,PPT,每,4-5,人组成一组，分工合作，可以,2,个人进行报告，每组报告,5,分钟左右，提问,2,分钟,每组推选一位组长，组长负责将组员情况提前告知课代表杨琛,D.Zhao,OUC,58,