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1、第三章 海洋水文要素观测,张旭晴,第三章 海洋水文 要素观测,发生在海洋中的血多自然现象和过程往往与海水的物理性质密切相关。人类要认识和开发海洋，首先必须对海洋进行全面深入地观测和调查，掌握其物理性质。人类的生存活动与海洋水文的关系、海洋能源的利用、海洋航运、造船、海洋工程、海洋渔业都迫切需要掌握海洋水文要素的变化规律。因此海洋水文要素的观测就显得非常重要。,水文观测是指在江河、湖泊、海洋的某一点或断面上观测各种水文要素，并对观测资料进行分析和整理的工作。 在江河、湖泊观测的主要内容有:测量水深、水位、流向、流速、流量、冰情、水的比重、含沙量、水色、透明度、水的化学成分等，并对上述资料进行分析
2、整理，为研究河床、海岸的变迁、河流径流规律、水文预报、水利计算和水工建筑物的设计施工提供资料。 在海域中主要观测海流、潮流、潮汐、波浪、盐度、密度、温度以及气象等要素，为编辑出版航海图、海洋水文气象预报、海洋工程设计与建筑以及海洋科学研究提供资料。,3.1.1 海水温度,温度是海洋的基本物理要素之一，很多海洋现象乃至地球现象都与海水的温度有关。海洋测量中，采用的很多设备是声学设备，而海水中声波的传播速度取决于温度、盐度和深度。尤其在潜水测量中海水温度是影响声速的首要因素。海水温度的分布，主要是垂直分布及其这种分布随时间的变化将直接影响到声波的传播速度和路径变化。,海水表层的水温取决于太阳辐射。
3、因而低纬度海区水温高，高纬度海区水温低，高低相差30。水温一般随深度的增加而降低，水深1000m处，水温为45；水深2000m处，水温为23;水深3000m处，水温为12。水温随深度的分布除了有较浅的季节性温跃层外，一般都存在主温跃层。主温跃层以上为水温较高的暖水区，其下为水温低、垂直梯度很小的冷水区。,最高的海水温度出现西太平洋和印度洋近赤道海域，温度可达2829。若将大洋水最高点连接起来，称为热赤道。从热赤道向两极，水温逐渐降低。大洋表层的等温线基本是沿纬向分布，在寒暖流交汇处，等温线较密。,NASA的Aqua卫星2003年8月27日给出的全球海表面温度。,3.1.2 海水温度观测,1.海
4、水温度观测 表层温度测定 测定海洋表层水温一般利用海水表面温度计、电测表面温度计及其他测温仪器，其构造与普通的水银温度计的基本相同，不过装在特制的圆筒内，使得温度计提出水面时仍浸在水中，避免与外界空气接触而发生变化。 另一种方法，即用水桶提取海水再用精密温度计测定水温。 另外，在卫星上通常利用红外辐射温度计测量海水表面的温度。 在海洋浮标上一般装有自记温度计，从这些仪器上直接测得海水表层温度。,海水表面温度计,3.1.2 海水温度观测,深层水温的测定 使用专门的仪器。颠倒温度计、深度温度计、自容式温盐深自仪器。,2.海水温度图 是海洋水文图的一种，反应海水温度分布情况的专题海图。分平面分布图和
5、垂直分布图两种。平面分布图通常按月或季表示，有时还分别表示表层海水温度和各深度层的海水温度，大多用等高线表示。垂直分布图以剖面的形式表示，也可按照月季绘制，并标示剖面位置,印度洋地区海水表面温度情况,3.2 海水盐度,3.2.1盐度的定义 盐度即海水中所含盐量的标度。定义为：在一千克海水中，所含碳酸盐转化为氧化物，溴、碘氯置换，而且有机物全部氧化后含有固体物质的克数，单位是克/千克，符号为S，也就是说盐度是以千分比来表示的又称绝对盐度。,各大洋盐度分布,大西洋最高：34.90 印度洋：34.76 太平洋：34.62 盐度垂直分布：寒带、温带、热带海域在1000m以内差异最大 寒带海域表层盐度最
6、低。随深度增加约200m水层达到极值 温带表层盐度随季节变化，200-300m以下随深度降低，1000m达到极值，1000-3000略有增加 热带：100-200m水层出现最大值，向下则急剧降低，800-1000m出现最小，深度增加，又出现缓慢上升 4500米以下，盐度基本一致,3.2.2盐度的测定方法,1.光学测定盐度法 此法是利用光的折射原理测定海水的盐度。不同盐度和不同温度的海水折射率不同，1967年的Rusby发表的折射率差值和盐度的关系式为：S=35.000+5.330210 3n+2.274105n2 +3.9106+10.59n（t-20）+2.5102n2 (t-20) 式中S
7、为盐度，t为温度（），n=nt-n35，光的波长=5462.27m。公式的使用范围n=-8.00010-47.00010-4；S为30.938.8；t为1730.,2.比重测定盐度法 依据国际海水状态方程，当测得海水的密度、温度和深度是，就可以反算海水的盐度。,3.声速测定盐度法 利用声速与海水盐度温度和压力里的关系，利用声速仪测得声速，并测出海水的温度和深度来反算盐度，其精度也不高。常用的经验公式为C=1449.2+4.6t-0.055t2+0.00029t3+(1.34-0.010t)(S-35)+0.016D,3.3海水密度,3.3.1 海水密度的定义、特点及分布 海水的密度也是海水的基
8、本物理要素之一。海水密度是指单位体积海水的质量。单位kg/m3,符号为。海水密度是海水温度，盐度和压力的函数，常表示为（S，t，P）。 盐度高，密度大；温度高，盐度小。由于太阳辐射和蒸发的作用，从总体看，赤道地区海水密度低，向两极则逐渐增大。垂直方向，密度向下递增。在深层，密度几乎不随深度而变化。密度随时间变化主要是表层海水的密度的日变化，另外还有年变化。,由于太阳辐射和蒸发的作用，赤道地区海水密度低，向两极逐渐增加 表层海水密度受到海流影响，有海流的地区，密度差异较大 垂直方向上密度向下增加。,大洋中不同位置的密度垂直分布,3.3.2 海水密度的测定 海水密度的测定可以通过Knudsen密度
9、模型通过测得获得。 海洋表层以下的海水密度一般采用数值计算的方法利用实测的盐度S，温度和压力求得。F.J.Millero等人于1980年提出了一个与1978年实用盐标相一致的海水状态方程，反映海水密度与温度，实用盐度和压力的关系，可用于计算海水密度。,其中，p(s,t,0)为一个标准大气压下的海水密度，温度为-2到40度。盐度范围在0到42,3.4 海水透明度，水色,海水透明度和水色是两个关键的海洋水文要素，它们决定着海洋测量中水深遥感以及机载激光测深的作用深度范围和精度，对海洋测量具有重要的作用。,透明度时表示海水能见程度的一个量度，即光线在水中传播一定距离后，其光能强度与原来光能强度之比。
10、 水色是指海水的颜色，是由水质点及海水中的悬浮质点所散射的光线来决定的。,水色与透明度之间存在着必然的联系，一般来说，水色高，透明度大，水色低，透明度小。决定水色和透明度分布和变化的主要因素是悬浮物质（包括浮游生物）。此外，海流的性质、入海径流的多少和季节变化等都将影响透明度和水色。 海水透明度是指用直径30cm的白色圆盘，将其垂直沉入海水中，直至刚好看不见的深度。,3.5 潮汐及潮汐观测,3.5.1 潮汐 受月球和太阳吸引力的作用，海水产生一种规律性的升降运动，称之为海洋潮汐。 在多数情况下，潮汐运动的平均周期是半天左右，一昼夜约有两次海面涨落运动。产生潮汐现象的主要原因是由于地球上各点距月
11、球和太阳的相对位置不同引起海面升降现象。 古人把白天的涨落称为潮，夜晚的涨落称为汐。,潮汐产生的原因,由于地球上各个地点距离月球和太阳的相对位置不同引起海面升降。,引力引起潮汐变化,相关术语,潮高：从某一个基准面量至海面的高度 月中天：月球经过某地子午线圈的时刻 月球每天经过子午线圈两次，离天顶较近的一次为月上中天，较远的月下中天。 高潮：在海面升起的每一个周期中，海面上涨到不能再升高时为高潮或满潮 低潮：海面下降到不能再下降时，为低潮或干潮。 平潮和停潮，当海面达到高潮时，在一段时间内海面暂停上升，此时为平潮。当海面达到低潮时，在一段时间内海面暂时停止下降，此时为停潮。,相关术语,潮差：两个
12、相邻的高潮和低潮的水位高度差。 潮差大小因地因时不同，杭州湾：8M 世界最大是北美芬地湾，18M 平均潮差：取一个时间段内潮差的平均值 周期：两个相邻高潮或低潮之间的时间间隔,澎湖渔民根据涨退潮的特性建石沪，涨潮时鱼随海水游进石沪，当海水退潮时，鱼被困在石沪内，渔民利用干潮到石沪捕捞被困住的鱼。,相关术语,潮汐日不等：通过长期的水位观测，可以从其记录曲线上发现，每日的潮差是不等。是由于太阳、月球、地球之间的相对位置的不同引起的。 每月有两次大潮，一般在塑（初一），望（十五）后两三天出现。,相关术语,风暴潮：气象海啸或风暴增水，是来自海上的一种巨大的自然灾害现象。由热带气旋、温带气旋和冷锋过境强
13、风作用以及气压巨变等天气系统引起的海面异常升降现象。 发生时间多在春秋。,3.5.2 潮汐观测,潮汐观测通常称为水位观测，又称验潮。验潮的目的是为了了解当地的潮汐性质，应用所获得的潮汐观测资料，来计算该地区的潮汐调和常数、平均海水面、深度基准面、潮汐预报以及提供不同时刻的水位改正数等，供给有关军事、交通、水产、盐业、测绘等部门使用。潮汐观测是海洋工程测量、航道测量等工作的重要组成部分。,各地潮汐变化曲线,1.水尺验潮 一种类似于水准尺量测水位的一种验潮方式。水尺上面标有一定的刻度，一般最小刻度为cm，长度大约为35m，利用人工方法读取水位。 2.井式自记验潮仪验潮 主要结构由验潮井、浮筒、记录
14、装置组成。 3.超声波潮汐计验潮 4.压力式验潮仪验潮 5.GPS在航潮位测量,验潮站与验潮原理,3.6 海洋波动类型及其影响,海洋中的波动是海水重要运动形式之一。按照波动周期分类。波动可根据其不同的性质及特点进行分类。 如按相对水深分为深水波和浅水波； 按波的传播分为行波和驻波； 按波动发生的位置分为表面波、内波和边缘波； 按成因分为风浪、涌浪、地震波、潮波等。 海面上最常见的波动是风浪和涌浪，合称海浪。风浪的特征是波面比较杂乱粗糙，波形比较尖陡，波向基本和风向相同。涌浪的特点是波面圆滑，波形对称，波陡小，其波峰线比风浪长，波向明显。,风浪,风力的直接作用下，海面或湖面产生的波动。 特点：波
15、面比较杂乱粗糙，波形比较尖陡，波向与风向基本相同。,涌浪,属于自由波。涌浪的特点是波面圆滑，波形对称，波陡小，其波峰线比较长，波向明显。,波浪对测深的影响,3.7 海流的类别及其特点,海流亦称洋流，海洋中海水以相对稳定的速度，沿一定的方向做大规模的非周期性运动。流动方向有水平也有垂直方向。环绕大洋或者海区做循环的刘称为海洋环流。 其强弱用流速表示：cm/s 表层一般为几个厘米到300厘米左右 深层10厘米 垂直方向很小几十个厘米,海流产生的原因,海洋环流发生的原因主要是海面风力，海水压强梯度力，地球偏向力和摩擦力，同时还受海底地形，海岸轮廓和水深的影响。 由盛行风产生的海流称为风成海流，若风成
16、海流有独自的体系，称为风成环流。 仅影响海洋上层和中层 由于海面受冷热不均匀，蒸发降水不均匀，结冰融冰及大陆径流等使海水的温度、盐度发生变化而导致密度分布不均匀，产生压强梯度力，由此产生的海流热盐环流。 上中下都可以发生,海流按照流经海洋温度的差异，可分为寒流和暖流。 寒流指水温低于所流经海区水温的海流。由高纬度向低纬度流动。北非加那利等 暖流与寒流相对，是指水温高于所流经海区水温的海流。方向相反 北大西洋暖流,3.8 ADCP及流速、流向测量,ADCP（声学多普勒流速剖面仪）根据多普勒原理，利用矢量合成法，测量水流的垂直剖面分布。 ADCP向水体发射声波脉冲，利用背向散射声波脉冲多普勒频移可以连续地测量各层水体的三维流速。当声波脉冲碰到水中的悬浮的，随水体移动的微粒后，产生反射，其中的部分信号被反射到ADCP，ADCP发射的声波脉冲和接受的被反射的声波脉冲的频率会一定的差异，该频率变化完全取决于反射体的速度，即水流的速度，根据该多普勒频移计算出相对于
