世界大洋的热量水量平衡

1.海 面 的 热 收 支 世 界 大 洋 中 热 量 几 乎 全 部 来 自 太 阳 辐 射 ； 除 个 别 活 动 强 烈 区 域 外 影 响 不 大 （ 海 底 向大 洋 输 送 热 量 ） ； 微 不 足 道 ， 海 洋 内 部 放 射 性 物 质 裂 变 以 及生 物 、 化 学 过 程 与 海 水 运 动 所 释 放 出 来 的 热 能 。 调 查 资 料 证 实 ， 大 洋 深 处 60 70年 前 的 水 温值 和 现 今 几 乎 完 全 相 等 。 因 此 如 果 不 是 研 究 超 长 期 变 动 ， 那 么 就 可 以假 定 通 过 海 面 输 入 和 输 出 的 热 量 相 等 。 海 面 的 热 收 支通 过 海 面 进 入 海 洋 的 太 阳 辐 射 能海 面 有 效 回 辐 射蒸 发 或 凝 结 潜 热海 气 之 间 因 为 温 度 不 同 而 发 生 的 感 热 交 换 平 均 而 言 ， 海 洋 热 能 是 平 衡 的 ， 在 局 部 上 述 右侧 的 四 项 不 一 定 达 成 平 衡 ， 对 于 同 一 地 点 ， 夏 季 通常 海 洋 通 过 海 面 吸 收 热 量 而 使 水 温 升 高 ， 冬 季 则 海洋 损 失 热 量 而 水 温 降 低 ， 海 洋 有 净 的 热 量 收 入 也 有净 支 出 。 通 过 海 面 进 入 海 洋 的 太 阳 辐 射 能 辐 射 ： 物 体 温 度 高 于 绝 对 零 度 都 能 辐 射 ； 辐 射能 量 与 物 体 绝 对 温 度 的 4次 方 成 正 比 ； 辐 射 能 量 最 大波 长 与 辐 射 体 表 面 的 绝 对 温 度 成 反 比 。 太 阳 表 面 温 度 6000K以 上 ， 地 球 每 年 接 受 太 阳辐 射 能 量 约 5.5 1024J， 是 人 类 全 年 消 耗 各 种 能 源的 8.7万 倍 。 太 阳 辐 射 ： 红 外 、 可 见 光 、 紫 外 ， 分 布 于 从 X射 线 到 无 线 电 波 的 整 个 电 磁 波 谱 区 内 。 太 阳 辐 射 能量 99%集 中 在 （ 0.17 4） m波 段 ， 可 见 光 （ 0.40 0.76） m部 分 的 能 量 占 44%， 红 外 部 分 （ 0.76） m占47%， 紫 外 部 分 （ 0.40m） 占 9%。 太 阳 常 数 S： 单 位 时 间 射 达 大 气 上 界 单 位 面 积 上的 太 阳 辐 射 总 能 量 ， 约 (1.96 0.06)calcm-2min-1换算 （ 国 际 ） 单 位 制 ： (1367 7)Wm-2 ， 以 S表 示 。 紫 外 部 分 的 能 量 绝 大 部 分 被 臭 氧 吸 收 ； 红 外 小 部 分 能 量 被 水 汽 、 CO2等 吸 收 （ 影 响 不大 ） ； 水 蒸 气 和 二 氧 化 碳 对 从 地 球 向 大 气 的 长 波 辐 射吸 收 较 多 ， 使 大 气 变 暖 “温 室 效 应 ” 。 没 被 吸 收 的 太 阳 辐 射 （ 直 达 和 散 射 ） 射 达 海 面（ 达 海 面 总 辐 射 ） ， 它 与 太 阳 高 度 （ 太 阳 光 线 与 地 球观 测 点 的 切 线 之 间 夹 角 ） 、 大 气 透 明 度 、 云 量 、 云 状有 关 ， 不 同 地 点 （ 纬 度 ） 和 不 同 季 节 也 不 同 。 到 达 海 面 的 总 的 辐 射 量 只 有 太 阳 辐 射 来 的 能 量 一半 ， 其 中 又 有 一 部 分 被 反 射 回 大 气 和 天 空 。 晴 空 时 到 达 海 面 的 总 的 辐 射 量云 量反 射 率 （ 海 洋 平 均 7%， 高 纬 度 可 达 10%） 辐 射 能 进 入 海 水 之 后 ， 一 部 分 被 海 水 吸 收 ， 另一 些 被 散 射 掉 ， 散 射 的 大 部 分 辐 射 能 几 经 周 折 也 被海 水 吸 收 ， 只 有 小 部 分 ， 返 射 出 海 面 。 海 水 吸 收 的辐 射 能 转 化 为 热 能 。真 正 进 入 海 水 的 辐 射 能 有 经 验 公 式 计 算 ： 太 阳 辐 射 及 海 水 吸 收 示 意 图 大 洋 表 层 平 均 17.4 ， 大 气 平 均 为 13.7 ， 交换 的 结 果 恒 为 海 洋 失 去 热 量 。 大 洋 向 大 气 辐 射 量 小 ， 主 要 是 长 波 辐 射 ， 能 量90%以 上 集 中 在 （ 4 80） m范 围 之 内 最 强 的 辐 射 波 长 约 为 10（ m） ， 水 汽 和 CO2吸 收 海 面 长 波 辐 射 的 75 90%， 大 气 也 以 长 波 的 形式 向 四 周 辐 射 ， 向 上 进 入 太 空 ， 向 下 的 部 分 ， 称 为大 气 逆 辐 射 ， 几 乎 全 部 被 海 洋 吸 收 。 海 面 有 效 回 辐 射 ， 即 指 海 面 的 长 波 辐 射 与 大 气回 辐 射 （ 长 波 ） 之 差 。 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 的水 汽 含 量 和 云 的 特 征 。 天 空 有 云 时 ， 大 气 回 辐 射 强 ， 海 面 有 效 回 辐 射减 小 。 这 正 是 在 冬 季 早 晨 阴 天 时 比 晴 天 时 暖 和 的 原因 。 晴 天 比 阴 天 有 效 回 辐 射 大 80%。 计 算 海 面 有 效 回 辐 射 的 经 验 公 式 很 多 ， 参 数 都离 不 开 与 湿 度 、 温 度 、 云 等 因 子 参 数 。 Stefan 常 数空 气 的 热 力 学 温 度空 气 的 水 气 压为 云 量 云 的 遮 拦 系 数分 别 是 海 面 水 温 和 海 上 气 温 海 面 平 均 蒸 发 掉 126cm/年 ， 蒸 发 海 洋 耗 热 （ 凝 结放 热 成 大 气 热 源 ） ， 占 地 球 总 辐 射 量 23%（ 大 洋 辐 射 热盈 余 90%） 。 影 响 蒸 发 速 率 有 风 、 海 面 空 气 中 水 汽 铅 直梯 度 、 水 气 温 差 等 ； 有 明 显 的 季 节 变 化 和 区 域 性 。 紧 贴 海 面 的 水 汽 含 量 视 为 饱 和 ， 上 部 气 层 中 的 水 汽越 少 越 利 于 蒸 发 。 水 温 大 于 气 温 ， 海 洋 向 大 气 传 热 使 近 海 面 气 温 升 高发 生 热 力 对 流 ， 海 面 降 温 、 增 密 下 沉 ， 其 下 的 相 对 高 温水 上 升 至 海 面 ， 海 气 温 差 存 在 ， 加 速 蒸 发 。 反 之 产 生 稳定 的 层 结 ， 甚 至 发 生 凝 结 ， 以 致 蒸 发 停 止 。 风 以 湍 流 形 式 加 强 海 气 之 间 热 传 导 、 将 近 海 面 水 汽迅 速 向 外 输 送 ， 加 速 蒸 发 ； 风 浪 增 大 海 洋 的 蒸 发 面 ， 波浪 破 碎 时 直 接 将 海 水 输 向 大 气 。 蒸 发 的 热 量 消 耗 影 响 海 气 热 交 换 ： 海 面 风 速 （ 促 进 海 气 间 热 交 换 ）和 海 气 温 差 （ 决 定 热 传 导 多 少 和 方 向 ） 。 当 气 温 高 于 水 温 ， 近 海 面 大 气 层 结 稳 定 ， 热 量 向 下传 递 ， 主 要 是 分 子 热 传 导 。 当 水 温 高 于 气 温 时 则 不 然 ， 空 气 获 得 来 自 海 水 的 热量 后 产 生 热 力 湍 流 和 对 流 ， 能 把 所 获 得 的 热 量 迅 速 地 向上 输 送 ； 表 层 海 水 失 热 降 温 而 增 密 ， 也 产 生 了 对 流 ， 其效 应 是 把 下 层 海 水 的 热 量 再 输 运 到 表 层 ， 从 而 使 这 种 热交 换 过 程 得 以 进 行 下 去 ， 直 至 两 温 度 相 等 。 感 热 交 换 分 别 为 比 定 压 热 容 、 为 空 气 密 度 、 为 块 体 交 换 系数 、 高 度 为 Z处 的 风 速 和 温 度 、 海 面 的 风 速 和 温 度 。 海 面 热 收 支 随 纬 度 的 变 化 世 界 大 洋 年 平 均 海 面 热 收 支 各 分 量 ， 随 纬 度 变 化 通 过 海 面 进 入 海 水 净 辐 射 （ Qs-Qb） 随 纬 度 变 化 很大 ， 在 10 20 N年 均 达 157W/m2以 上 ， 在 20 S 25 N范 围 内 高 于 140W/m2； 纬 度 再 增 加 净 入 辐 射 值 急剧 下 降 ， 纬 度 高 于 50 N后 ， 便 降 到 50 W/m2以 下 。 蒸 发 耗 热 Qe量 级 与 （ Qs-Qb） 相 当 ， 在 中 高 纬 度 变化 趋 势 也 相 似 ； 但 在 低 纬 热 带 海 域 ， 因 热 带 洋 面 上 湿 度大 ， 蒸 发 量 显 著 低 于 亚 热 带 ， 呈 双 峰 形 式 。 Qk的 量 值 既 小 ， 且 随 纬 度 的 变 化 也 不 大 。 热 收 支 余 项 Q 在 各 纬 度 带 上 的 年 均 值 差 别 明 显 正值 区 （ 竖 直 影 线 区 ） 和 负 值 区 。 前 者 在 低 纬 海 域 ， 海 洋有 净 的 热 量 收 入 ， 最 大 值 出 现 于 0 10 N， 可 达 41 W/m 2以 上 ， 后 者 在 中 高 纬 度 海 域 ， 表 明 海 洋 有 净 的 热量 支 出 ， 在 50 70 N支 出 最 多 ， 近 35 W/m2。 全 年 平 均 有 净 收 入 的 海 域 水 温 没 有 升 高 ， 反 之在 热 量 净 支 出 的 海 域 水 温 也 没 有 不 断 降 低 。 虽 然 热带 海 域 表 层 水 温 比 温 带 、 寒 带 水 温 明 显 高 ， 但 它 们各 自 的 年 际 变 化 都 不 大 ， 换 言 之 ， 它 们 不 是 在 逐 年递 增 或 递 降 ， 而 是 基 本 上 维 持 在 多 年 平 均 值 附 近 。 据 布 德 科 等 对 整 个 世 界 大 洋 年 平 均 海 面 收 支 计算 的 结 果 ， 热 量 的 收 入 与 支 出 也 是 平 衡 的 。 低 纬 热 量 的 净 盈 余 没 用 于 升 温 而 用 于 何 处 ? 高 纬 热 量 净 亏 损 而 水 温 不 降 又 是 靠 哪 来 的 热 量所 维 持 ? 事 实 上 ， 海 面 之 下 是 否 有 热 量 从 低 纬 向 高 纬 海域 传 输 。 2. 三 维 海 洋 的 热 收 支 海 面 辐 射 的 向 下 输 送 与 透 射 辐 射 海 水 对 辐 射 （ 尤 其 红 外 波 段 ） 的 吸 收 很 强 。 洁 净 大洋 水 ， lm厚 水 层 吸 收 进 入 海 面 辐 射 能 55.5%， 10m可 吸收 77.8%， 100m可 吸 收 99.47%； 在 浑 浊 的 沿 岸 水 中 1m厚 的 水 层 可 达 （ 63 82.4） %， 5m即 达 （ 86 99） %。 如 果 这 些 辐 射 能 全 部 耗 于 增 温 ， 洁 净 大 洋 水 0 1m增 温 幅 度 ， 为 1 2m增 温 幅 度 的 9.3倍 ， 2 3m增 温 幅度 20倍 。 实 际 海 面 薄 层 没 有 急 剧 变 化 ， 一 是 吸 收 热 量 耗 于 蒸发 、 有 效 回 辐 射 、 海 气 感 热 交 换 等 ； 二 耗 于 增 温 时 风 和浪 和 流 引 起 的 涡 动 混 合 ， 使 一 定 厚 度 的 水 层 内 温 度 趋 于均 匀 。 均 匀 层 的 深 度 可 达 数 10m至 100m以 深 。 升 温 后 的 均 匀 层 与 混 合 作 用 所 不 及 的 下 层 之间 ， 温 度 差 异 很 明 显 ， 这 种 差 异 被 压 缩 到 下 界 附近 的 一 个 薄 层 之 内 ， 致 使 该 层 水 温 铅 直 向 梯 度 特别 大 ， 形 成 温 跃 层 。 如 海 面 吸 收 辐 射 继 续 增 加 ， 且 风 力 加 强 足 以使 混 合 可 达 更 深 层 时 ， 跃 层 深 度 即 随 之 加 深 。 下 图 实 线 是 东 方 红 调 查 船 1987年 5月 25日 观 测 的 水 温 铅 直 分 布 曲 线 ， 跃 层 在 10m附 近 ； 于 1987年 6月 10日 重 测 ， 如 点 线 所 示 （ 0 10） m层 水 温 统 统 升 高 了 3 多 ， 显 然 是 太 阳 辐 射 增 强所 致 ； （ 12 17） m层 几 乎 同 步 地 升 高 6 。 真 正 成 因 ： 6月 1 2日 江 淮 气 旋 ， 6月 5日 有 冷 锋过 境 ， 黄 海 风 速 达 15m/s左 右 ， 使 混 合 深 度 加 大 也 使(12 17)m水 层 大 幅 度 地 升 温 达 15.5 左 右 。 大 风 过 后 ， 混 合 的 深 度 又 恢 复 到 9m左 右 ， 通 过 海面 净 收 入 的 辐 射 ， 仅 使 9m以 浅 的 水 层 升 温 ， 形 成 了 双跃 层 。 在 大 洋 中 因 温 跃 层 较 深 （ 可 100m） ， 再 往 深 层几 乎 无 透 射 率 ， 故 仅 考 虑 混 合 层 内 辐 射 吸 收 即 可 。 浅 海 因 温 跃 层 较 浅 ， 进 入 的 辐 射 ， 大 部 分 在 上 混合 层 内 被 吸 收 ， 还 有 小 部 分 可 透 射 到 跃 层 之 下 。 尤 其在 春 夏 季 沿 岸 陆 架 区 跃 层 较 浅 ， 透 射 的 影 响 更 不 可 忽视 。 在 研 究 上 混 合 层 内 热 收 支 时 ， 应 考 虑 这 一 透 射 的影 响 。 上 图 18m至 底 层 的 增 温 ， 与 透 射 作 用 有 关 ，当 然 也 应 考 虑 底 层 潮 混 合 的 作 用 。 在 我 国 近 海 表 层 水 温 预 报 中 计 算 式 改 写 为 ： C系 数 0.61（ 依 我 国 沿 岸 资 料 年 平 均 值 ） ， tr透 射率 ； a 透 射 辐 射 在 海 水 中 的 衰 减 率 ； h为 水 深 ； 在 实 际计 算 中 ， tr =0.45， a=0.lm-1， As高 纬 海 域 取 0.08， 而中 低 纬 度 海 域 取 0.07。 埃 克 曼 抽 吸 和 大 风 卷 吸 对 上 混 合 层 的 影 响 夏 季 的 水 温 跃 层 强 度 较 大 且 稳 定 ， 在 上 层 海 洋 计算 中 常 以 跃 层 为 刚 底 ， 使 三 维 模 式 简 化 成 二 维 。 局 部 海 域 风 应 力 （ 及 其 旋 度 ） 达 到 一 定 强 度 ， 卷吸 和 抽 吸 作 用 也 会 破 坏 跃 层 刚 底 使 下 层 冷 水 涌 入上 混 合 层 从 而 减 缓 上 混 合 层 的 升 温 。 当 风 应 力 及 其 旋 度 达 到 更 大 强 度 时 ， 涌 入 冷 水 更多 ， 还 能 使 上 混 合 层 局 部 海 域 出 现 短 时 剧 烈 降 温 。 下 图 大 风 过 境 后 使 （ 0 18） m水 层 温 度 下 降 1多 ， 而 跃 层 深 度 下 沉 （ 7 8） m。 热 带 风 暴 和 台 风 经过 的 海 面 ， 常 常 留 下 一 条 冷 尾 迹 ， 则 是 因 强 烈 的气 旋 式 风 场 使 表 层 海 水 辐 散 ， 导 致 下 层 冷 水 上 涌 ， 即所 谓 埃 克 曼 抽 吸 而 造 成 的 。 海 洋 上 混 合 层 水温 短 期 预 报 中 ， 大 风卷 吸 和 埃 克 曼 抽吸 对 上 混 合 层 热 收 支的 影 响 必 须 考 虑 ， 因为 跃 层 强 盛 的 夏 季 ，也 正 是 热 带 风 暴 和 台风 最 活 跃 的 时 节 。 此类 天 气 系 统 过 境 期 间 ，恰 恰 缺 乏 现 场 观 测 。定 量 描 述 进 展 迟 缓 ，多 以 参 数 化 的 形 式 计算 其 影 响 。 研 究 较 长时 间 内 的 热 收 支 ， 对此 类 天 气 过 程 不 注 意 。 表 层 冷 却 对 流 与 温 跃 层 的 消 衰 由 春 到 夏 是 季 节 性 温 跃 层 形 成 和 增 强 时 期 。 太 阳 辐射 增 强 ， 表 层 海 水 积 累 了 较 多 热 量 。 热 量 向 下 输 送 以 涡动 混 合 为 主 。 涡 动 混 合 所 及 层 深 就 是 跃 层 的 上 界 。 由 下图 中 的 a可 见 ， 4 8月 是 季 节 性 温 跃 层 形 成 并 加 强 的 时期 ， 高 温 的 上 均 匀 层 厚 度 可 20m。 由 秋 到 冬 是 季 节 性 温 跃 层 削 弱 和 衰 亡 时 期 。 太 阳 辐射 减 弱 (特 别 是 进 入 海 面 辐 射 减 少 )， 干 冷 空 气 吹 掠 ； 海面 增 加 了 向 大 气 感 热 输 送 ， 更 重 要 的 是 蒸 发 旺 盛 ， 加 速了 海 面 的 失 热 。 表 层 海 水 被 冷 却 后 密 度 增 大 ， 导 致 海 水层 结 不 稳 定 ， 遂 产 生 对 流 混 合 ， 把 上 层 海 洋 前 期 贮 存 的热 量 陆 续 输 向 海 面 。 降 温 和 对 流 的 加 剧 ， 可 使 季 节 性 温跃 层 强 度 逐 步 削 弱 ， 深 度 下 移 ， 直 至 消 亡 (下 图 b)。 在浅 海 对 流 可 直 达 海 底 ， 使 整 层 水 温 趋 于 均 匀 ， 渤 海 和 黄海 秋 末 如 此 ； 东 海 北 部 陆 架 区 对 流 达 到 底 层 时 间 推 迟 。 下 图 跃 层 之 下 水 温 逐 月 变 化 ， 不 如 上 图 规 律 ， 这与 该 站 位 于 不 同 水 团 和 流 系 交 互 作 用 区 域 有 关 ，由 于 侧 向 混 合 与 冷 、 暖 平 流 ， 增 加 了 水 温 变 化 的 复 杂性 ， 8月 份 还 出 现 了 冷 中 间 层 现 象 。 升 降 流 和 平 流 热 输 送 海 洋 表 层 流 辐 散 或 辐 合 ， 会 使 表 层 以 下 的 海 水 形成 铅 直 向 上 或 向 下 的 流 动 的 升 降 流 。 其 速 度 一 般 都 不大 ， 只 有 (10-6 10-4)m/s。 但 海 洋 上 下 层 的 温 差 较 大 时 ，由 升 降 流 所 传 输 的 热 量 是 相 当 大 ， 并 能 导 致 升 降 流 区水 温 分 布 出 现 许 多 不 同 的 特 点 。 北 美 加 里 福 尼 亚 外 海 上 升 流 ， 每 月 上 升 20m， 南美 西 岸 的 上 升 流 ， 每 月 可 达 200 m。 来 自 下 层 的 海 水水 温 低 ， 在 断 面 图 上 呈 现 向 上 伸 展 的 冷 水 舌 ， 在上 层 大 面 图 上 则 出 现 相 应 的 冷 中 心 。 我 国 海 南 岛 东 北 方 夏 季 上 升 流 可 升 达 海 面 在 海 表层 水 温 分 布 图 上 形 成 低 温 中 心 ； 上 升 流 不 一 定 升 达 海面 ， 但 下 面 相 应 层 次 上 亦 可 发 现 低 温 中 心 。 世 界 上 最 强 上 升 流 ， 在 印 度 洋 的 索 马 里 和 阿 拉 伯半 岛 沿 岸 ， 那 一 带 海 面 水 温 分 布 ， 有 大 片 的 低 温 区 。 因 表 层 海 流 辐 合 而 形 成 的 下 降 流 也 很 多 ， 例 如赤 道 逆 流 和 南 赤 道 流 的 北 半 球 部 分 之 间 (海 洋 环 流 及水 团 的 章 节 )， 因 辐 合 而 形 成 的 下 降 流 ， 可 将 温 暖 的表 层 水 输 送 到 次 表 层 中 去 。 伴 随 升 降 流 而 进 行 的 铅 直 方 向 的 热 输 送 ， 输 送热 能 的 数 量 ， 所 能 送 达 的 深 度 ， 一 般 都 比 抽 吸 和 卷吸 大 得 多 ， 更 大 于 透 射 辐 射 。 然 而 就 世 界 大 洋 而 言 ， 更 大 规 模 的 热 输 送 ， 还应 属 冷 、 暖 平 流 。 一 些 强 劲 海 流 ， 水 平 流 速 大 ， 流 量 可 观 。 黑 潮在 27 37 N间 输 送 水 量 为 2.22 10 7m3/s， 湾 流可 达 3.25 107m3/s。 伴 随 的 热 量 输 送 更 显 著 。 湾 流每 年 向 西 北 欧 每 1km海 岸 输 送 的 热 量 ， 相 当 于 燃 烧6.0 1010kg煤 。 平 流 热 输 送 ， 与 海 流 的 流 速 、 流 量 有 关 ， 还 与 沿 流向 海 域 的 水 平 温 度 梯 度 ， 以 及 流 域 温 度 的 成 层 性 有 着 更密 切 的 关 系 。 如 果 海 流 经 过 的 海 域 ， 本 不 存 在 水 温 水 平 梯 度 且 海流 流 过 之 后 也 没 有 发 生 什 么 变 化 ， 那 么 ， 海 流 携 带 的 热量 只 是 走 过 场 而 已 ， 不 会 对 该 区 域 热 状 况 和 气 候产 生 什 么 影 响 。 但 是 ， 若 在 流 经 的 海 域 中 ， 通 过 与 流 向 垂 直 的 两 个断 面 的 水 平 热 通 量 之 差 不 为 0， 则 将 产 生 平 流 热 输 送 ：分 别 为 两 个 断 面 的 热 通 量 暖 平 流 ， 即 海 流 给 该 海 域 输 入 热 量 冷 平 流 ， 使 该 海 域 失 去 热 量 冷 、 暖 平 流 也 通 称 为 热 平 流 或 平 流 热 输 送 。 如 该 海 域 只 有 上 述 两 个 断 面 存 在 热 交 换 ：使 研 究 海 域 内 热 量 聚 集 ， 水 温 升 高 使 研 究 海 域 内 热 量 散 失 ， 水 温 降 低 为 研 究 海 域 的 热 量 的 改 变 量 事 实 上 ， 其 他 界 面 ， 例 如 海 面 也 存 在 热 交 换 。 假 如热 平 流 产 生 的 热 效 应 ， 不 用 于 改 变 研 究 海 域 热 含 量 ， 而是 用 于 和 铅 直 方 向 的 热 交 换 达 成 平 衡 ， 那 么 ， 研 究 海 域的 水 平 热 通 量 之 差 ， 就 应 等 于 铅 直 热 通 量 之 差 。设 在 深 度 为 Z1与 Z2的 水 层 内 的 热 平 流 为 ：下 界 面 的 铅 直 热 通 量 分 别 为 ： 1212 wwA QQQ 在 湾 流 和 黑 潮 等 强 劲 暖 流 流 域 ， 暖 平 流 异 常 巨大 。 相 应 海 域 水 温 并 未 持 续 上 升 ， 多 年 平 均 水 温 变动 相 当 小 。 一 海 域 蒸 发 耗 热 甚 多 ， 二 海 面 有 效 回 辐射 和 感 热 交 换 等 都 是 海 洋 失 热 ， 基 本 上 把 暖 平 流 所增 加 的 热 含 量 消 耗 了 。 水 平 方 向 给 该 海 域 所 增 加 的热 量 与 铅 直 方 向 通 过 海 面 失 去 的 热 量 大 体 相 抵 。 北 太 平 洋 (0 250)m热 平 流 的 贡 献 占 63%， 而海 面 进 入 的 净 热 通 量 仅 占 29%， 可 见 热 平 流 影 响 。 利 用 人 造 卫 星 观 测 的 向 上 和 向 下 辐 射 ， 可 以 计算 大 气 和 海 洋 输 送 热 量 之 和 ， 而 大 气 输 送 的 热 量 又可 以 用 气 象 探 空 资 料 计 算 出 来 ， 于 是 便 可 求 出 纯 粹由 海 洋 输 送 的 热 量 。 用 这 种 方 法 计 算 所 得 结 果 比 以往 ， 如 塞 勒 斯 (1965) 计 算 大 约 1倍 ， 证 实 海 洋 热 平流 的 作 用 比 传 统 的 估 算 大 得 多 。 导 致 以 前 估 算 过 小 的 原 因 ， 除 海 洋 资 料 本 身的 问 题 外 ； 还 有 两 点 是 显 然 的 ： 一 是 以 往 过 高 地 估 计 了 热 带 海 洋 的 海 面 反 射率 ， 使 辐 射 量 的 值 偏 小 ， 导 致 对 赤 道 向 极 地 热 平流 的 估 算 也 偏 低 ； 二 是 过 去 对 大 气 的 输 送 作 用 估 计 过 高 ， 把 大气 当 成 了 由 赤 道 向 极 地 热 输 送 的 主 角 而 视 海 洋 为配 角 。 根 据 无 线 电 探 空 的 新 资 料 计 算 ， 大 气 的 热输 送 作 用 和 海 洋 应 该 是 同 等 量 级 的 。 但 如 高 野 所说 ， 迄 今 为 止 的 一 些 大 洋 环 流 数 值 模 式 ， 计 算 所得 的 由 赤 道 向 高 纬 的 热 平 流 量 ， 仍 然 比 人 造 卫 星的 结 果 小 一 半 左 右 。 海 洋 的 全 热 量 平 衡 海 洋 全 热 量 平 衡 ， 应 该 扩 展 到 三 维 的 海 洋 ， 加 上QA 通 过 对 流 、 平 流 、 混 合 等 过 程 ， 与 研 究 区 域 外 进行 交 换 时 所 获 得 或 失 去 的 热 量 ， 于 是 该 式 通 常 被 称 为海 洋 热 平 衡 方 程 。 AQ AkebS QQQQQQ 0Q海 洋 的 热 量 收 支 并 不 平 衡 ， 因 而 海 水 的 温 度 （ 特 别 是海 表 ） 处 于 变 化 之 中 。 但 对 整 个 世 界 大 洋 的 年 平 均 来 说 ， 却 基 本 上 是 平衡 的 ， 这 是 布 德 科 等 许 多 学 者 的 计 算 所 得 出 的 共 同 结论 。 世 界 大 洋 平 均 水 温 多 年 来 几 乎 没 有 变 化 ， 证 实 了以 上 计 算 的 正 确 性 。不 仅 对 某 一 时 刻 ， 而 且 对 日 平 均 或 月 平 均 研 究 的 意 义 ： 在 分 析 海 洋 的 水 温 空 间 分 布 和 时间 变 化 的 特 点 与 规 律 时 ， 能 把 握 住 重 点 ； 研 究 局 部海 域 时 ， 以 平 衡 方 程 为 基 础 ， 通 过 估 算 热 平 衡 的 各 分量 ， 弄 清 制 约 该 海 域 热 状 况 的 主 要 因 子 ， 进 而 对 水 温预 报 ； 如 果 对 研 究 海 域 计 算 热 平 衡 各 分 量 后 ， 发 现 例 如 舒 莱 金 (1932)在 计 算 喀 拉 海 热 平 衡 时 ， 由于 当 时 还 不 知 道 大 西 洋 暖 流 能 进 入 该 海 区 ， 没 有 计入 这 项 热 平 流 ， 结 果 出 现 了 不 平 衡 。 于 是 他 推测 应 有 来 自 大 西 洋 的 暖 流 进 入 喀 拉 海 ， 这 一 预 言 在 3年 后 果 然 为 直 接 观 测 所 证 实 -海 区 北 部 深 层 的 确 有来 自 大 西 洋 的 暖 流 水 。0Q 且 排 除 了 计 算 误 差 ， 就 该 研 究 和 发 现 新 问 题 。 1.海 洋 水 量 平 衡 与 热 量 平 衡 的 异 同 地 球 上 水 量 平 衡 与 热 量 平 衡 不 同 。 地 球 上 热 量 的来 源 基 本 上 只 靠 太 阳 辐 射 这 一 外 部 热 源 输 入 ， 在 各 种过 程 的 制 约 下 ， 地 球 以 及 海 洋 的 热 量 收 支 得 以 达 成 某种 平 衡 ； 水 的 来 源 则 几 乎 完 全 靠 地 球 自 身 ， 又 在 地 球系 统 自 身 之 内 周 游 而 循 环 ， 所 以 也 称 为 水 循 环 。 尽 管海 洋 热 收 支 中 有 些 过 程 （ 如 蒸 发 与 凝 结 、 辐 射 与 逆 辐射 ） 等 似 为 可 逆 ， 但 并 不 可 周 而 复 始 ， 所 以 讨 论 地 球或 海 洋 的 热 量 收 支 时 ， 只 能 称 为 热 量 平 衡 而 不 能 称 为“ 热 量 循 环 ” 。 两 者 相 似 之 处 ， 都 有 收 入 与 支 出 并 可 达 成 某 种 平衡 ， 都 分 别 影 响 水 温 的 分 布 或 制 约 盐 度 的 变 化 。 2 海 洋 的 水 量 平 衡 海 洋 中 水 收 入 主 要 靠 降 水 、 陆 地 径 流 和 融 冰 ， 支 出主 要 是 蒸 发 和 结 冰 。 蒸 发 使 海 支 出 了 巨 额 水 量 。 每 年 海 洋 因 蒸 发 而 失 去水 量 约 （ 440 454） 103km3 ， 如 果 海 洋 得 不 到 水 量补 充 ， 世 界 大 洋 水 位 将 下 降 （ 124 126） cm。 然 而 蒸发 在 海 洋 上 的 分 布 是 很 不 均 匀 的 ， 如 下 图 所 示 ， 在 南 北亚 热 带 海 域 出 现 两 个 极 大 值 ， 海 面 年 蒸 发 量 可 达 140cm左 右 ， 在 热 赤 道 附 近 下 降 到 110cm左 有 ， 至 两 极 最 低 不到 10cm。 以 固 体 冰 形 式 在 陆 地 上 的 水 量 约 24 10 6km3， 如果 这 些 冰 全 部 融 化 并 流 入 海 洋 ， 会 使 海 平 面 上 升 66m。目 前 年 平 均 情 况 看 ， 结 冰 与 融 冰 的 量 基 本 上 是 平 衡 的 。 温 室 效 应 如 何 加 速 极 地 冰 盖 的 融 化 ， 正 在 研 究 中 。 海 洋 水 量 收 入 以 降 水 最 为 重 要 ， 由 大 洋 接 纳 的 年降 水 总 量 可 达 （ 411 416） 103km3， 但 其 分 布 不 均匀 。 不 仅 低 纬 与 高 纬 海 域 降 水 量 差 别 大 ， 而 且 随 纬 度的 变 化 比 蒸 发 更 复 杂 。 有 趣 的 是 ， 除 纬 度 大 于 50 的 高 纬 海 域 外 ， 蒸 发与 降 水 的 曲 线 ， 几 乎 恰 好 是 反 位 相 的 。 它 们 又 都 是 海洋 水 量 支 出 与 收 入 的 最 主 要 的 项 ， 对 大 洋 表 层 盐 度 的分 布 ， 必 有 巨 大 的 影 响 。 低 纬 度 海 区 ： 降 水 大 于 蒸 , E-P0， S高 ； 副 极 地 海 区 ： 多 云 带 ， 蒸 发 少 ， S低 。 大 陆 径 流 及 地 下 水 入 海 估 计 年 总 量 （ 29 38） 103km3， 其 中 又 以 大 陆 径 流 为 主 。 大 西 洋 ： 径 流 量 最 大 的 河 流 是 亚 马 孙 河 ， 几 乎 占全 世 界 总 径 流 量 20%， 其 次 刚 果 河 为 前 者 23.3%。 考虑 到 北 美 洲 还 有 密 西 西 比 等 大 河 ， 欧 洲 也 有 许 多 河 流注 入 ， 大 西 洋 的 入 海 淡 水 量 高 居 各 大 洋 之 首 ； 若 将 这些 淡 水 均 匀 展 布 整 个 大 西 洋 ， 可 使 洋 面 上 升 23cm。 太 平 洋 ： 注 入 的 最 大 河 流 是 我 国 的 长 江 ， 虽 也 有世 界 第 3位 的 径 流 量 ， 但 仅 及 亚 马 孙 河 的 18.9%， 更兼 太 平 洋 洋 面 广 阔 ， 年 入 洋 淡 水 量 只 能 使 水 位 提 高7cm。 还 有 1.2 10 3km3的 水 量 ， 是 由 陆 冰 滑 落 入 海 融化 而 汇 入 海 洋 的 ， 这 一 过 程 主 要 发 生 在 两 极 海 域 。 南 极 大 陆 是 世 界 上 最 大 的 冰 山 源 地 ， 冰 川 由 南极 大 陆 腹 地 以 每 天 lm的 速 度 向 低 处 推 进 ， 断 裂 入 海后 则 形 成 冰 山 ， 有 的 长 逾 100km,宽 达 数 10km。 英 国 捕 鲸 船 1953年 2月 在 罗 斯 海 60 S、 150 W处 见 到 一 座 冰 山 ， 长 145km， 宽 40km， 高 出 海 面30m； 1966年 美 国 观 测 到 的 一 座 冰 山 长 333km， 宽96km。 据 统 计 ， 南 极 大 陆 周 围 的 洋 面 上 ， 经 常 有 90多 座 大 冰 山 漂 移 。 北 极 海 域 的 格 陵 兰 岛 也 是 冰 山 的 发 源 地 ， 仅 仅 随拉 布 拉 多 寒 流 漂 游 到 大 西 洋 的 冰 山 ， 每 年 多 达 388座 。冰 山 终 将 融 化 ， 对 局 部 海 域 的 水 量 平 衡 有 一 定 影 响 。 3.水 量 平 街 方 程 海 洋 水 量 收 入 与 支 出 ， 对 局 部 不 一 定 随 时 都 能 达成 平 衡 。 不 平 衡 则 导 致 水 位 的 上 升 或 下 降 ， 这 又 会 引发 海 水 产 生 相 应 的 流 动 ， 从 而 使 水 位 、 水 量 得 以 调 整 。类 似 全 热 量 平 衡 ， 所 谓 水 量 平 衡 方 程 式 ：0UFEUMRPq i PRM iUEF0Uq 为 降 水 （ Precipitation） 大 陆 径 流 （ Runoff or groundwater） 融 冰 (Melting) 为 海 流 及 混 合 使 海 域 获 得 的 水 量 （ In） 蒸 发 （ Evaporation） 结 冰 （ Freeze） 海 流 及 混 合 使 海 域 失 去 的 水 量 （ Out） 余 项 是 研 究 海 域 在 给 定 时 间 水 交 换 的 盈 余 或 亏 损 对 整 个 世 界 大 洋 而 言 iUU 0 FM ERPq 则 有 ： 该 式 对 某 些 海 域 有 时 也 是 适 用 的 ， 例 如 在 大 多 数海 域 中 可 不 考 虑 M和 F的 影 响 ， 而 在 具 有 封 闭 环 流 系统 的 海 域 内 ， Uo和 Ui也 基 本 上 趋 于 0。 上 式 表 明 ， 大 陆 径 流 、 降 水 和 蒸 发 3项 就 基 本 决定 了 整 个 世 界 大 洋 的 水 量 平 衡 。 就 世 界 大 洋 总 平 均 而言 R=12cm/a； P=114cm/a； E=126cm/a； 故 q=0。 对 某 个 大 洋 若 只 考 虑 这 3项 ， 就 不 能 保 持 q=0 。 如 太 平 洋 因 降 水 与 径 流 之 和 大 于 蒸 发 （ 虽 然 其 蒸发 超 过 大 西 洋 而 径 流 小 于 大 西 洋 ， 但 其 降 水 是 4大 洋中 最 大 的 ， 在 东 部 赤 道 海 域 ， 年 降 水 量 可 达 3000mm以 上 ） ， 水 量 有 盈 余 ， 可 向 大 西 洋 输 出 。 大 西 洋 则 因 每 年 可 导 致 水 位 损 失 12 cm， 要 靠太 平 洋 、 北 冰 洋 来 补 充 。 北 冰 洋 水 量 盈 余 ， 蒸 发 小 而 径 流 多 （ 勒 拿 、 叶尼 塞 、 鄂 毕 等 河 ） ， 总 流 量 约 亚 马 孙 河 1/3， 但 北冰 洋 面 积 小 ， 折 算 为 水 位 就 与 大 西 洋 的 径 流 效 应 相当 ， 而 其 蒸 发 量 折 成 水 位 不 到 大 西 洋 的 0.1倍 。 所以 北 冰 洋 水 量 盈 余 多 而 盐 度 低 。 盐 度 低 又 可 使 海 水冰 点 升 高 ， 较 易 结 冰 。 大 洋 的 东 边 界 和 西 边 界 ， 流 向 相 反 ， 对 盐 度 的影 响 平 均 后 可 以 抵 消 ； 在 广 漠 的 大 洋 中 ， 径 流 影 响很 小 ， 海 表 面 盐 度 随 纬 度 的 平 均 变 化 ， 基 本 上 受 制于 蒸 降 差 (E-P) 了 。 )(0150.047.34 PES )(0125.092.34 PES 10 N 70 N 60 S 10 N 4 海 水 的 平 均 滞 留 时 间 和 海 水 的 年 龄 世 界 大 洋 海 水 的 总 体 积 约 为 (135 137) l07km3，年 平 均 蒸 发 约 (44 45) l04 km3， 若 将 大 洋 海 水 全 部蒸 发 出 去 则 需 3000多 年 ， 这 就 是 海 水 的 平 均 滞 留 时 间 。鉴 于 海 水 平 均 滞 留 时 间 长 ， 又 认 为 大 洋 深 、 底 层 流 很 弱 ，故 有 人 曾 想 把 深 海 沟 作 为 污 染 物 废 弃 的 场 所 ， 遭 到 激 烈反 对 ， 因 为 调 查 已 发 现 深 海 并 不 乏 强 流 ， 此 外 ， 由 海 面加 热 或 冷 却 以 及 风 应 力 所 引 起 的 大 尺 度 的 海 洋 环 流 ， 其铅 直 分 量 要 比 上 述 蒸 发 效 应 大 得 多 ， 海 水 的 更 新 一 般 并不 要 那 么 长 时 间 。 用 箱 式 模 型 可 以 估 算 海 水 的 更 新 期 。 即 使 地 中 海 那样 相 当 封 闭 的 海 区 ， 虽 然 只 有 直 布 罗 陀 海 峡 与 大 西 洋 沟通 (通 过 苏 伊 士 运 河 与 印 度 洋 的 水 交 换 其 量 甚 微 )， 但 由于 海 峡 上 下 两 层 的 流 入 、 流 出 促 进 了 水 交 换 ， 其 平 均 滞留 时 间 也 大 为 缩 短 。 所 谓 海 水 的 “ 年 龄 ” ， 是 指 它 离 开 海 面 下 沉 后 所 经历 的 时 间 。 用 同 位 素 14C或 3H等 可 以 直 接 测 定 海 水 的 年龄 。 资 料 表 明 ， 大 西 洋 北 部 深 层 的 水 相 当 年 青 ， 而 南 大西 洋 西 部 深 层 的 水 年 龄 可 达 1000年 。 太 平 洋 深 于1000m层 次 ， 处 处 都 有 老 龄 水 ， 而 东 部 深 层 水 更 老 ，有 的 可 达 2100 年 。 表 明 太 平 洋 和 大 西 洋 在 海 水 下 沉 运动 方 面 有 很 大 的 差 别 。 中 纬 陆 架 浅 海 如 渤 海 和 黄 海 ， 冬 季 强 烈 的 冷 却 对流 可 直 达 海 底 ， 海 水 年 龄 不 会 超 过 1年 。 强 劲 北 风 驱 动下 的 沿 岸 流 输 出 水 量 ， 主 要 以 补 偿 形 式 而 相 伴 加 强 的 黄海 暖 流 水 北 上 流 入 ， 更 促 进 了 这 些 海 区 的 水 交 换 。