海洋水文气象

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透明度观测•观测透明度的透明度盘（图1）是一块漆成白色的木质或金属圆盘，直径30cm，盘下悬挂有铅锤（约5kg），盘上系有绳索，绳索上标有以米为单位的长度计号。绳索长度应报据海区透明度值大小而定，一般可取30～50m。•观测方法•在主甲板的背阳光处，将透明度盘放入水中，沉到刚好看不见的深度，然后再慢慢地提到隐约可见时，读取绳索在水面的标记数值（有波浪时应分别读取绳索在波峰和波谷处的标记数值）。读到一位小数，重复二到三次，取其平均值，即为观测的透明度值，记入水温观测记录表中。若倾角超过15°，则应进行深度订正。当绳索倾角过大时，盘下的重锤应适当加重。•透明度的观测只在白天进行，观测时间为:连续观测站，每二小时观测一次，大面观测站，船到站观测，观测地点应选择在背阳光的地方，观测时必须避免船上排出的污水影响。•2．注意事项•(1)出海前应检查透明度盘的绳索标记，新绳索使用前须经缩水处理（将绳索放在水中浸泡后拉紧晾干），使用过程中需增加校正次数。•(2)透明度盘应保持洁白，当油膝脱落或脏污时应重新油漆。•(3)每航次观测结束后，透明度盘应用淡水冲洗，绳索须用淡水浸洗，晾干后保存。水色的成因•海面的颜色主要取决于海面对光线的反射，因此，它与当时的天空状况和海面状况有关。而海水的颜色是由水分子及悬浮物质的散射和反射出来的光线决定的，称为水色，因此，水色和海色两者应加以区别。•海水是半透明的介质，太阳光线射达海面时，一部分被海面反射，反射能量的多少与太阳高度有关，太阳高度愈高，反射能量愈小；另一部分则经折射而进入海水中，而后为海水的分子和悬浮物质吸收和散射。由于各种光线在进入海水中后被吸收和散射的情况不同，因此就产生了各种水色。•阳光进入海水，七种单色光线被海水逐渐吸收，但七种光线所吸收的情况各不相同。有的容易被吸收，有的很难被吸收。各色光线波长不同，吸收率也不同。一般来说，波长长度与吸收率呈现正比例的关系•红光波长比其它的光的波长都长，所以红光吸收率最大，通过海水后，能量消耗也最多。因此，红光在海水的浅层就消失了。黄光、绿光、蓝光、紫光的波长短，所以它的吸收率很小，可以在海水中传入更深的深层。•吸收与散射互为相反的两种作用。吸收率大的光波，其散射能量小，而吸收率小的光波，其散射能量大。散射能量还与悬浮物颗粒粒径有关：颗粒粒径越小，短波散射能量越大。这种现象称为海水对光线的选择吸收和散射。•在大洋水中，悬浮物量少，颗粒粒径也小，蓝光散射能量大，故海水的颜色多呈蓝色。近岸海水，由于悬浮物增多，颗粒变大，黄光散射能量增大，所以水色多呈黄色、浅蓝或绿色。水色观测•水色根据水色计目测确定。水色计（图2）是由蓝色、黄色、褐色三种溶液按一定比例配制的21种不同色级，分别密封在22支内径8mm、长100mm的无色玻璃内，置于敷有白色衬里的两开盒中（盒的左边为1至11号，右边为11至21号）。其中1-2号是蓝色；3-4号是天蓝色；5-6是绿天蓝色；13-14号是绿黄色；15-16号是黄色；17-18是褐黄色；19-20号是黄褐色•观测方法•观测透明度后，将透明度盘提到透明度值一半的位置，根据透明度盘上所呈现的海水颜色，在水色计中找出与之最相似的色级号码，并计入水温观测记录表中。水色的观测只在白天进行，观测时间为:连续观测站，每2h观测一次，大面观测站，船到站观测，观测地点应选择在背阳光的地方，观测时必须避免船上排出的污水影响。水温、盐度观测•海水的温度是海洋物理性质中最基本要素之一。海洋水团的划分、海水不同层次的锋面结构、海流的性质判别等都离不开海水温度这一要素。水温的分布与变化又影响并制约其它水文气象要素的变化：海水密度的大小和温度的高低相关，地球上水温分布不均匀，导致海水发生水平方向与垂直方向的运动。此外，海雾、气温、风等也直接或间接地与水温有关。•掌握水温的分布变化规律对巩固国防、国民经济建设有重要意义。如水面舰船的主机和冷却系统需要根据海水温度的高低来设计；滨海电厂的取水口、温排水口的选择与水温的分布变化规律也有关系；水温分布变化能够制约生物的生长和活动状况。另外，了解水温与海水养殖的关系是至关重要的。此外，海温分布对敷设海底电缆、温差发电、海气交换的研究等都具有重大的意义。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••其中表层指海表面以下1m以内水层。•底层的规定如下：•水深不足50m时，底层为离底2m的水层：•水深在50~100m范围内时，底层离底的距离为5m；•水深在100~200m范围内时，底层离底的距离为10m；•水深超过200m时，底层离底的距离，根据水深测量误差、海浪状况、船只漂移等情况和海底地形特征综合考虑，在保证仪器不触底的原则下尽量靠近海底。规范上规定不小于25m。•观测时次•沿岸台站只观测表面水温，观测时间一般在每日0，8，14，20时进行。海上观测分表层和表层以下各层的水温观测，观测时间要求为：大面或断面站，船到站就观测一次。连续站每两小时观测一次。各式测温计简史•1液体和机械式温度计•液体温度计的代表者是表面温度计和颠倒温度计。颠倒温度计自1876年由英国涅格罗齐(Negrotti)和赞布拉(Zamhra)发明以来，至今已有100多年了。由于其观察精度高，使用方便，性能比较稳定，因此，到目前为止，仍然是深层水温观测的基本标准仪器。但颠倒温度计只能在停船时使用，且只能测定单层温度。机械式温度计的代表者当首推1937年发明的深度温度计。深度温度计(BT)是一种记录温度随深度变化的仪器，用于自动记录水深200m(或1000m)以内的水温变化情况，仪器附有带坐标网格的放大镜，用它来读取玻璃片上所记录的各深度层的水温数值，并对记录曲线进行分析，另一种深度温度计带有采水器，可同时在各指定的标准层采取水样，但观测精度为±0.2℃。在各种高精度的电子温度计问世以前，它一直被认为能连续反映温度垂直变化的最廉价的仪器，用它可以很精确地判别温跃层的深度和强度，在海洋界使用达30年之久，现在已被淘汰。•电子温度计,根据感温元件和传送讯号的不同，这类温度计可分为下列几种：•1．热电式温度计•热电式温度计其感应元件是热电偶，在这类温度计中，将感应元件的一端联接电缆，直接感应海水温度，另一端保持恒温。测出热电动势的大小即可求得海水温度。此类温度计可在定点或走航时使用。但测温度一般在100m以内，而不能测量更深层的水温，同时测温精度较低，约±0.5℃左右。•2．电阻式温度计•采用金属丝电阻（铂金丝或锰铜丝等）、热敏电阻作感温元件，并使它构成电流不平衡电桥的一臂，温度的变化引起电阻值的变化，通过直流不平衡电桥转换成电压的变化并转送至记录系统加以记录。这类温度计在定点或走航时均可使用，测温精度较高，约±0.1℃，测温深度可达500m，因此是目前国内外广泛采用的一种测温仪器。•3．电子式温度计，感温元件与电阻式温度计相同，仅是将感温元件作为阻容振荡电阻的调频元件。水温的变化转换为电阻的变化，再转换为频率的变化，将输出的频率信号加以放大记录，即可得海水温度。此类温度计在定点和走航时均可使用，其精度较高，在定点测温时精度可达±0.02℃，当航速为16节时，测温精度可达±0.1℃，因此也是目前国内外广泛使用的一种测温仪器。经常使用的XBT就是属于以上两种类型的温度计。•4．晶体振荡式温度计•采用石英晶体作为感应元件，石英晶体振荡频率随温度而变化，测得此振荡器频率即可得海水温度。此类温度计精度很高，可达±0.001℃，分辨率能达到0.0001℃，但此类温度计感温时间较长，不适于走航使用，专供定点观测及校正仪器之用。远距离海表温度辐射探测•近十多年来，根据红外谱区测得的辐射值，推算海表面温度技术已得到广泛应用。特别是在美国俄勒冈州太平洋沿岸上升流的研究中取得了极为显著的效果。通过飞机遥测的海表面温度可以反映出海洋与不同风应力之间相互关系，许多海洋工作者还应用遥感资料来分析湾流的涡旋。•在上升流与湾流的中尺度涡研究中，其演变的时间尺度是几天或几个星期，这么短的时间尺度是船只调查难以完成的，只有飞机或卫星能够在短时间内进行大面积调查，并在短时间内进行重新测量。用飞机或卫星揭露大洋中尺度涡特征，这在以前是无法想象的。目前已逐渐把海表面温度的变化看成是大范围气候变化的一种标志，可以用卫星提供的数据进行大洋气候业务预报。•在遥感中所应用的红外光谱区是所谓“窗口区”，即这里大气比较透明，红外光谱受到吸收和散射较少，海面的辐射强度受到大气温度及湿度的影响相对较低。•红外辐射计工作原理是：将海面发射的特定谱段里的辐射强度和接收器内黑体腔辐射强度进行对比而得。来自海面和黑体腔的辐射经过探测器的透镜前齿形调制片调制后，交替地进入探测器。当调制片挡住透镜时，其镀金表面就象镜子一样，把来自黑体腔的辐射反射到主探测器，调制结果产生一个交流信号，随后即进入放大器。玻璃液体温度计•目前海洋台站和海上观测表温度时一般使用的表面温度计和颠倒温度计，都属于玻璃液体温度计，它是利用装在玻璃容器中的测温液体，随温度改变而引起体积的变化，以液柱位置的变化来测定温度的玻璃液体温度计的测温原理•玻璃液体温度计的感应部分是一充满液体的球部，与它相连的是一根一端封闭，粗细均匀的毛细管。设温度为0℃时球部与管部的液体体积分别为V0，当温度改变到t℃时，液体体积为Vt，变化量为ΔV，则有：•ΔV=Vt-V0=V0(1+αΔt)-V0=αΔt•式中：α为测温液的视膨胀系数，即测温液体膨胀与玻璃膨胀系数之差。•温度变化Δt引起测温液体积的变化量为ΔV，这时，体积为ΔV的测温液进入截面积为Ｓ的毛细管，使得毛细管内液柱的长度改变了ΔL，即•ΔL=ΔV/S=(V0α/S)Δt•式中：V0，α，S对温度计来说都已固定(α近似常量)。故液柱长度的改变量ΔL与温度的变化成正比。温度升高，毛细管中的液柱就伸长。反之，温度降低，液柱缩短，这就是玻璃液体温度计的测温原理。•表面温度计与颠倒温度计的测温原理是相同的，颠倒温度计与表面温度计的不同之处，在于它们结构原理和制作方法上，颠倒温度计的毛细管是真空的，所以当颠倒时，由于重力的作用球部的一部分水银由毛细管流向接受泡，然而，另一部分水银由贮蓄泡经过狭窄处的盲枝时，由于表面张力的作用，水银就在此中断，此时不管温度计的水银是膨胀还是收缩，球部水银都不会越过盲枝进入毛细管中。若留在接受泡与毛细管的水银多的话，表示水温高，否则则低。而普通温度计不管怎么颠倒，其毛细管