2018-第5章-海洋水团

第5章海洋水团§5.1水团的概念§5.2温度、盐度和密度§5.3T-S图的理解§5.4世界大洋水团§5.5中国近海水团§5.6水团分析方法§5.7关于水团的思考第5章海洋水团ZJP世界水体的温度和盐度范围—第5章海洋水团ZJP§5.1水团的概念（1）水团的定义1.水团是指在海洋中某一特定区域内形成的，其尺度可与海洋相比拟的较大水体，它在较长时间内有相对均匀的理化和生物特征。（苏联《海洋学词典》，1977）2.在海洋中的某些水体之间的温盐变化有明显的相关性，这些水体就称为水团。（Sverdrup等，1942）不管水团的定义有多大的差别，水团的研究还是表示“内同性”与“外异性”，即水团内部的特征尽可能均匀，不同水团之间的差异尽可能显著。关于水团的定义仅仅是形态上的，人们在昀终确定水团时还是有一定的任意性，有些水团存在微小差别是难以准确区分的。第5章海洋水团ZJP（2）水型、水团、水系o水型：温盐性质一致，在T-S图上体现为一个点的水体称为水型。o水团：温盐性质相近的水型的集合。o水系：符合给定条件的水团的集合。第5章海洋水团ZJP（3）水团的生成机制o水团是运动的结果，海洋中的一切运动都将影响水团。o水团生成性因素环流——形成水平水团对流——形成垂向水团o水团破坏性因素混合——导致水团均匀扩散——导致水团均匀第5章海洋水团ZJP流动对水团形成的贡献海洋环流o流涡结构对上层海洋水团的贡献o热盐环流对下层水团的贡献海洋对流o结冰析盐对流o冷却增密对流o蒸发增密对流o混合增密对流o潜沉研究水团不只是关注其温盐性质的差异，而且要试图理解水团的来源与形成机制第5章海洋水团ZJP（a）结冰析盐对流产生的水团29.53030.53131.53232.53333.53434.5salinity(psu)6050403020100depth(m)-1.8-1.7-1.6-1.5-1.4-1.3-1.2temperature(oC)1024102510261027density(kg/m3)0801231第5章海洋水团ZJP—冰间湖结冰析盐产生的对流第5章海洋水团ZJP南极下降风产生的冰间湖第5章海洋水团ZJP冰间湖对深层水形成的作用第5章海洋水团ZJPPre-polynya,1973Post-polynya1977n1970年代威德尔冰间湖发生后，威德尔深层水温度和盐度降低。1977年比1973年温度昀大降幅达0.8°C，可以影响到2500m深度。n需要1.6～3.2Sv的接近冰点的表层水对流才能产生上述规模的深层水降温。（Gordon1978,1982）第5章海洋水团ZJP南极的结冰对流与南极底层水冷却对流只能达到1000米的深度，产生各大洋的中层水。北极中层水流向南，与南极中层水相遇。第5章海洋水团ZJP北极的结冰对流主要产生北极中层水第5章海洋水团ZJP（b）冷却增密对流产生的水团第5章海洋水团ZJP特殊的冷却对流——南极冰架水（ISW）oISW是南极陆架上独有的水团，其温度低于海面处的冰点温度，其形成与冰架下的冰川冰融化和海洋冰冻结的过程有关。70.57171.57272.57373.57474.575-800-700-600-500-400-300-200-1000-2.1-1.9-1.7-1.5-1.3-1.1-0.9-0.7-0.5-0.3-0.10.10.30.50.70.91.11.31.51.71.92003年1月埃默里冰架前缘断面温度分布第5章海洋水团ZJPISW的形成冰架冰架底部融化高盐陆架水冰架水海洋冰生成海底冷却，冰点升高冰点低至-3.4°C2000m,S=34.4第5章海洋水团ZJP（c）蒸发增密对流产生的水团第5章海洋水团ZJP地中海的蒸发对流第5章海洋水团ZJP地中海水对北大西洋水团的作用第5章海洋水团ZJP（d）混合增密对流产生的水团o混合后密度永远高于混合前密度的平均值第5章海洋水团ZJP混合增密对流o混合增密：任何水团混合都会发生混合增密现象o混合增密对流：主要发生在侧向混合，即两个并列水团界面上的混合o前提：流动有很强的剪切o混合增密对流普遍发生。但是，能够形成水团的并不多见。第5章海洋水团ZJP混合增密是深对流的主要原因之一o南极底层水位于3000～4000米以下的南极海盆底部，由流过狭窄陆架的南极陆架水与绕极深层水约以1∶1的比例混合,下沉到海底形成的。o格陵兰海和拉布拉多海的深对流主要是冷却下沉水与北极流出的冷水混合的结果，形成高密度的海盆下层水第5章海洋水团ZJP（e）温跃层通风产生的水团o通风Ventilation指等密度面抬升，与上混合层相交，形成混合层水进入主温跃层。o潜沉Subduction指进入主温跃层的水体进一步向深处移动，并向赤道方向扩展。o对大尺度运动而言，通风和潜沉合并成同一个过程，称为潜沉—第5章海洋水团ZJP水体潜沉示意图第5章海洋水团ZJP浅沉模型的动力学关系iiifqQh==0iivh∇⋅=r31iiEivhfwβ==∑rfkvζ×=∇rr位涡守恒地转平衡Sverdrup平衡质量守恒o第5章海洋水团ZJP世界海洋的模态水第5章海洋水团ZJP潜沉主要发生区域第5章海洋水团ZJP亚南极模态水o亚南极模态水（SubantarcticModeWater，SAMW）是亚极地模态水（SPMW）的一种，是指冬季在亚南极区由对流形成的、温盐性质均一的、比较深厚的混合层水。o温度约-1.8C，盐度约34.4。夏季，在50m有一个盐跃层将SAMW与表层水分开。o通常不认为SAMW是一个水团，它对南半球的中央水（CentralWater）有贡献，在南太平洋东部也贡献于AAIW。该水团以前曾被划入冬季水（WW）。•通风——潜沉——跃层抬升——模态水第5章海洋水团ZJP（f）风生混合产生的水团o各大洋表层水体的来源各不相同，但受到大气因素的影响，其性质被全面改变，其来源已经变得不重要了。o主要的因素包括：热带的蒸发，寒带的冷却，降雨、径流、大洋环流。o风生混合对上层水体的形成起着重要作用。第5章海洋水团ZJP第5章海洋水团ZJP各种不同因素的影响在风生混合的作用下形成具有区域性特征的不同上层水体第5章海洋水团ZJP（4）水团的变性o受热冷却变性：如果变性是受热或冷却造成的，变性水体在T-S图中主要在垂直方向变化。o蒸发降水变性：如果变性主要是蒸发或降水造成的，变性水体在T-S图中的位置主要在水平方向变化o混合变性：在浅海，水团会由于混合而发生变性。如果能够找到两个源水团，变性水团在T-S图上位于两个源水团的连线上。第5章海洋水团ZJP§5.2盐度、温度与密度（1）海水盐度海水中融解的主要元素包括钠、镁、钙、钾、锶等五种阳离子；氯、硫酸根、碳酸氢根（包括碳酸根）、溴和氟等五种阴离子和硼酸分子。这些离子之间具有恒定的比值。1978年实用盐标（PSS-78）实用盐标中采用了标准的称量法制备成32.4357‰的溶液，作为盐度的准确参考标准，定义盐度为：第5章海洋水团ZJP水96.5%盐3.5%钙(Ca2+)1%钾(K+)1%其他1%镁(Mg2+)4%氯(Cl-)54%钠(Na+)31%硫酸盐(SO42-)8%0.51.522.515151515150.0080.169225.385114.09417.02612.07081SKKKKK=−++−+K15为一个标准大气压和15°C条件下海水样品与S=35.000的标准海水电导率的比值。（2）海水温度o温度虽然是尽人皆知的物理量，却不能直接测量，因为分子的热运动还无法测量。我们平时看到的“直接”测量温度的各种温度计，实际上都是间接测量。o国际计量委员会1968年的国际实用温标（IPTS），采用基准铂电阻温度计作为标准器。1990年，国际计量委员会推出了1990年国际温标ITS-90，比IPTS更为准确。第5章海洋水团ZJP（3）位温o讨论海洋的温度时有两种方法：一种是现场温度（insitutemperature），在水团所在深度直接测量得到的温度，一种是位温（potentialtemperature），不是直观的物理量。o假如在5000米深的水现场温度为1.00℃，盐度为34.85，将这些水绝热地上升到海面，温度不再是1.00℃，而是0.57℃。我们称该水体微团的位温为0.57℃。o在水团分析中使用位温更为科学。ρρθηdTTSpp∫⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛∂∂−=0第5章海洋水团ZJP位温的计算第5章海洋水团ZJP23TApBpCpθ=−−−4572935778102910123.6504108.3198105.4065104.027410(35)(1.7439102.977810)8.9309103.1628102.1987104.105710(35)1.6056105.048410AtttStBttSCt−−−−−−−−−−−−=×+×−×+×+−×−×=×−×+×−×−=−×+×从物理上看，海水的位温是不随压力变化的物理量，不是深度的函数，而是海水热性质的一种指标，因而，各水层的位温是可以相互比拟的，用来判断水团运动的路径更加可靠。关于位温的讨论o有些学者对位温不够理解，认为100多年来没有使用位温，物理海洋学照样得到了很大的发展o其实位温是伴随着物理海洋学的观测一直存在的。以前用采水器把海水取到船上再测温，测得的就是位温。o在水团分析时就会看到位温的重要性。在T-S图上，位于不同深度的水团被强制地放在一起进行比较。用上面的例子，在6000米处5℃的水体如果有自然过程将其提升到海面后的温度是4.2℃，二者是同一个水团，如果不用位温，在T-S图上就是两个相互分离的点，会被误认为是两个水团。因此，T-S图是位温昀重要的用武之地。第5章海洋水团ZJP（4）海水密度o状态方程处于不断改进之中。Knudsen-Ekman(1901)、Tait-Gibson方程(1935)、Tumlirz方程(1958)、Crease方程(1962)、Cox-McCartney-Culkin方程(1970)。o目前使用昀广的是UNESCO（1980）推广的海水状态方程，简称EOS-80。oEOS-80可以满足各种精度的密度计算需要。然而，也存在一些问题:采用ITS-90温标之后，计算误差加大。实用盐标PSS-78为海洋学专用，未被其他学科认可。EOS-80的测量范围较窄，不能满足特殊区域的测量需要。第5章海洋水团ZJP(,,)STpρρ=TEOS-10o国际海洋物理联合会（IAPSO）正式研究并推出了海水热力学方程TEOS-10。其核心思想是利用海水的吉布斯函数求解海水的主要参数。吉布斯函数不能从热力学方程导出，只能通过采集海水样品和实验室试验来确定。oTEOS-10有两个昀重要的改变，一个是采用绝对盐度，一个是采用保守温度。通过绝对盐度、保守温度和压强计算密度，并可同时获得焓、熵、热容量等热力学参数。第5章海洋水团ZJP（5）位势密度o位密在计算海水稳定性方面有特殊的意义。通常定义的静力稳定性用威萨拉频率来表征，其中昀重要的是密度的垂向梯度。一般的海水密度受到压力的影响，垂直密度梯度会偏大，在中性稳定度时会影响对静力稳定度的判断，而用位密梯度判断静力稳定度会得到唯一的结果。第5章海洋水团ZJP,,01000Sθθσρ=−（6）海表温度o影响SST的因素很多。一般情况下，SST与太阳辐射有关，辐射会在海面形成温暖的水层，向下有很强的温度梯度，0-20m范围内的温度差别昀大可达6ºC。第5章海洋水团ZJP关于海表温度的深度范围有不同的认识，一般认为在1mm到20m范围内。在这个范围内，温度的变化很大。因此，当提到海表温度时，首先要理解是哪一种海表温度，是通过什么方法测量的海表温度，否则，各方会对海表温度的理解有歧义。§5.3T-S图的理解1916年海兰-汉森首创第5章海洋水团ZJP几种常用的T-S图oT-S点聚图oT-S曲线图oT-S范围图oT-S水团演化图第5章海洋水团ZJPCDW(circompolarDeepWater),WW(WinterWater),SW(Shel