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海洋水体特征之海水温度、盐度、波浪与内波

leejiafu 发布于 2022-11-2 18:31 706 0

分类专栏:海洋科普

海洋,气势磅礴,博大精深。地球上71%的面积为海洋所覆盖,全球96%以上的水储藏在海洋之中。21世纪是蓝色海洋的世纪,海洋中有着数量惊人的生物种群,构成了丰富多彩的生物大家庭。海水运动的能量、海水中的有用矿 ...


海洋,气势磅礴,博大精深。地球上71%的面积为海洋所覆盖,全球96%以上的水储藏在海洋之中。21世纪是蓝色海洋的世纪海洋中有着数量惊人的生物种群,构成了丰富多彩的生物大家庭。海水运动的能量、海水中的有用矿物质、海底的油气和锰结核等资源,都等待着我们去了解

海洋是云雨的故乡、生命的摇篮、资源的宝库、人类生存与发展的“第二空间”。海洋中的波浪、潮汐、洋流、(海底)地壳运动等,虽有一定的规律可寻,但是仍旧神秘莫测。海洋地理的研究对象包括海洋水体海岸与海底,其研究范围涉及地球的岩石圈、水圈、大气圈和生物圈四大圈层内容主要包括海洋地理环境、海洋资源开发利用、海洋环境保护、海洋立法与管理以及海洋信息技术应用等。本文就来谈谈海水温度、度及其分布,波浪及其运动规律,海洋内波及其危害等四个海洋水体方面话题,供大家学习与参考。


01



海水温度及其分布

海水温度是海洋热能的一种表现形式。太阳辐射是海水最主要的热源。受太阳辐射的影响,海洋表层水温的高低,随时间和空间而变化。同一海区,一般夏季水温高于冬季;不同海区,一般是低纬度水温高于高纬度。

全国年降水量及海洋表面平均温度、蒸发量与盐度按维度的分布

海水的等温线大致与纬线平行,局部地区因受地形及洋流的影响而发生弯曲,全球最高水温位于西太平洋28°N(受副热带高气压带、暖流、海陆位置等影响)附近。

除水平差异外,因海水导热率很低(太阳辐射首先到达海水表面),海水温度还表现出向深层递减的垂直差异。1000米以下的深层海水,海水温度随水深变化不大,经常保持着低温状态。即在垂直递减时,上层减速大于下层,在海洋深处水温趋向均匀。

中国南海海水温度随深度变化示意

海水水温的垂直分布可分三层:

①混合层,一般在大洋表层100米以内,由于对流和风浪引起海水的强烈混合,水温均匀,垂直梯度小。②温跃层,在混合层以下和恒温层以上,水温随深度增加而急剧降低,水温垂直梯度大。③恒温层,在温跃层以下直到海底,水温一般变化很小,常在2~6之间,尤其在2000~6000米深度区,水温为2左右,故称恒温层。

太平洋、印度洋、大西洋表层年平均水温为17.4。其中,太平洋最高,为19.1;印度洋居中,为17.0;大西洋最低,为16.9。此外,北冰洋和南极海域最冷,表层水温为-1.7至-3

当温度降至冰点并继续失热时,海水就会结冰。一切出现在海上的冰统称为海冰,包括大陆冰川滑入海中的淡水冰和由海水直接冻结而成的咸水冰。海冰通常出现于极地和高纬度海区,但因风的吹动、洋流及水深等原因,也可出现在中纬度海区(中国渤海湾海冰与之成因类似)。

海冰覆盖了大洋表面的3%4%,对海水的热量交换和大洋环流有着重要的作用。海上漂浮的巨大冰块,又称“冰山”,它是由大陆冰川的边缘冰体断裂、解体、下滑入海形成的,对航运(撞击冰山而沉船)能构成巨大威胁,属于一类中高纬度地区常见的海洋(自然)灾害。

由于海水的比热容大于陆地,因此海水温度变化比陆地小得多。这就使得海洋上空的气温变化比较和缓,从而对大气温度起着调节作用(海洋性气候)。当然,海水温度的变化也可能带来负面影响。据统计,以往100年间,由于表层水温上升,大西洋飓风发生的频率显著上升;19992004年,全球范围内海水温度明显升高,致使浮游生物数量显著下降,直接影响到鱼类、海鸟、海兽的食物供应,甚至威胁到它们的生存。

02



海水盐度及其分布

海水盐度是指溶解于海水中的盐类物质与海水质量的比值,用单位质量海水中所含盐类物质的质量来量度。世界海洋的平均盐度约为3.5‰。海水的味道之所以既咸又苦,是因为氯化钠(味咸)和氯化镁(味苦)是海水中主要的溶解盐类。

海水是一种混合水溶液,主要由水、无机盐、有机物和悬浮物组成。海水中溶解所有各种盐类物质,一般认为,海水中的盐类物质主要来源于地壳岩石风化产物及火山喷出物。此外,全球河流每年向海洋输送大量溶解盐,这也是海水盐类物质的来源之一。

在海洋表层,盐度主要与降水量和蒸发量有关。在近岸地区,盐度则主要受河川径流、海区形状等的影响。赤道附近降水丰沛,降水量大于蒸发量,盐度稍低;副热带海区降水少,蒸发量大于降水量,盐度较高;高纬度海区温度低,蒸发量小,加之反复结冰、融冰,盐度偏低。

有河流注入(径流量大的河流,淡水可拓展到河口外很远海域。诸如,长江在夏秋季洪水期小潮时,淡水向东北扩散,一直影响到朝鲜半岛以南的济州岛,向南进入杭州湾海域)的海区,海水盐度一般较低。在暖流流经的海区盐度较高,寒流流经的海区盐度较低。

全球海洋表层盐度的分布规律是:从南、北半球的副热带海区,分别向两侧的高纬度和低纬度递减。世界上盐度最高的海区在红海,盐度超过4%;盐度最低的海区在波罗的海,盐度低于1%。

海水盐度在垂向上存在着分层:浅表层盐度比较均匀;随着深度增加,盐度会发生显著变化(这一水层称为盐跃层);到一定深度,盐度又近似均匀分布。在中低纬度海区,表层盐度较高,随深度的增加,盐度降低;在高纬度海区,表层盐度较低,随深度的增加,盐度升高。

海水盐度的变化,会对渔业和生态产生重大影响。诸如,黄河河口区表层盐度的增加,以及海洋污染、入海径流量减少等方面的原因,导致海洋生物数量减少、种群退化,河口区生态结构发生较大改变。

海水中所含的盐类物质数量巨大,如果把世界上海水中盐都分离出来,平铺在陆地上,可使全世界陆地平均高度增加153米。利用海水盐,是人类利用海洋资源的重要方式。海盐主要是海水经自然蒸发而晒制出来的。

我国东部沿海的一些地方(四大盐场:渤海湾的长芦盐场,黄海苏北或淮海盐场,东海的台湾西部布袋盐场,南海的海南西部莺歌海盐场),海滩宽广,风力强劲,晴天多,日照充足,蒸发旺盛,适合晒盐。我国海盐产量长期居于世界首位。

03



波浪及其运动规律

波浪是水面有规律地高低起伏运动,并向一定方向传播的现象是海洋中海水经常性普遍存在的运动形式。其成因以风力作用为主,也有因海底火山喷发和地震、气压突变等产生。风力引起的波浪称为“风浪”,火山爆发和地震引起的巨浪称为“海啸”,气压突变而产生的波浪称为“气压波”。既具有巨大的破坏力,又蕴藏着很大的能量。

波浪要素

波浪是一种振荡波,振荡波的特点就是质点不随波形前进,而只是在原地往复的园周运动。波峰处水质点处于园周的顶点,波谷处水质点处于园周的最底点,峰谷之间,水质点处于园周的顶点及最低点之间。

水面向下水质点运动的园周直径逐渐减小,波浪则趋地平缓,这是由于随深度增加,水内磨擦也就是质点之间的磨擦力增大的原因(质点动能减小)。当水深小于1/2波长时(近海岸处)由于海底磨擦助使质点运动轨迹成为椭园形。

波浪岸近海时,水深变浅,由于海底磨擦前面的波浪较后来的波浪速慢,两波浪间距离减小,多余的能量使波高加大波峰前倾形成卷浪。卷浪前端悬空很快成为波浪,破浪被碎后,水质点不作园周运动,而迅速涌向海岸成为拍岸浪(激浪)拍岸是海水破坏海岸的主要动力。拍岸浪冲击海岸的过程中,能量消耗在克服沙或岩石的磨擦阻力,海水由于重力沿斜坡流回海中,这种流向海底的回流称底流。

拍岸浪冲击海岸的过程中,能量消耗在克服沙或岩石的磨擦阻力,海水由于重力沿斜坡流回海中,这种流向海底的回流称底流。

斜向海岸的波浪到达岸边后,一部分以底流回到海中,另一部分成为沿岸流,带动沉积颗粒移动。波浪是破坏海岸的主要动力当浪水迅速涌进沿裂隙时裂隙中原来空气来不及排出,被压缩在极小的空间产生很大的瞬间压力,使岩石崩裂瓦解。同时激浪抛弃全部起起巨大的岩屑、石块,撞击海岸岩石。

岩石在海浪的作用下:海蚀凹槽→海蚀崖→海蚀平台

如果地壳运动相对论是海洋平面位稳定时就不再发展这时,由于海浪(激浪)到达岸边平台外缘时,能量全部消耗在与平台海底的磨擦之上,不再具有剥蚀能力。这时的海岸刻面为海蚀平衡剖面。

地壳上升,海面下降,海蚀平台转为海蚀阶地地壳下降,海面上升,海蚀平台转为水下阶地波浪形成沉体沙岸,沿岸底砂在激浪进流推动下一步向岸移,返回底流下带回海堆积下来形成砂坝(平行于海岸)。

沿岸流在海湾处形成砂嘴

04



海洋内波及其危害

内波是一种水下的重力波,它经常发生于不同的分层介质中,比如我们将油和水两种密度不同的液体混合,在它们的分界面上,当受到一定的外力扰动时,会产生相互之间的扰动,从而在混合液体的内部形成“暗流汹涌”的状态,而混合液体的表面一般是看不到什么异样来的。

海洋实质上也是由不同密度的介质所构成的混合液体,其中上层海水往往温度更高、盐度更低,下层海水一般温度偏低、盐度较高,这样上下层海水之间,就会产生密度差,形成分层现象。当海水在流动的过程中,遇到海底复杂地形的影响,甚至强烈的风、潮汐等作用下,就会出现“内波”现象。

由于内波相较于海洋表面的波浪,其能量要小很多,所以在很小的外力扰动下就能够产生,所以,在靠近大陆架的海域、洋流常年流动的线路附近、热带气旋的主要发源地带,都有较大的几率产生“内波”。

虽然内波本身携带的能量没有海浪大,但是,在不同介质的水体界面上,水体的运动方向往往不一致,会呈现一定的角度甚至完全相反,那么就会在界面处产生相对运动的剪切效应,就如同一把剪刀一样,产生极大的破坏力。

其实,不光是海洋中会形成“内波”,在大气层中也有几率出现。因为大气层随着高度的不同,温度也会发生变化,特别是在大气密度最高的对流层中,也会出现具有冷热分层的空气,在空气对流扰动下,也会形成“看不见”的内波。

其实,海洋中的内波,和海面上的波浪一样,也是广泛存在于地球上的各大海洋中,只不过内波的传播速度、振幅、周期以及深度,会由于海水密度的差异程度、温度差异的高低、海底地形、外力扰动强弱,而出现很大的变化。

一般情况下,海洋中的“内波”,可以在海面之下传播几公里甚至几十公里,持续的时间可以延续到几个小时。从振幅来看,其上下波动的范围,经常会超过50米。有的“内波”形成以后,可以在水深10米左右的海面之下,形成高达4060米的水波,非常强烈地影响海水的稳定性,只不过这个水波的方向,一般是向下延伸的。由于“内波”扰动海水的能力非常强大,而且在海水表面还不容易发现,因此无论是从真实还是潜在的破坏力来看,威胁都是非常大的。

在世界各大海域中,“内波”发生频率较高、强度较大、破坏力较强的区域,最明显的莫过于直布罗陀海峡。比如1984年,前苏联一艘潜艇在通过该海峡时,突然失控撞向了一艘货船,潜艇和货船均出现了不同程度的损坏。之所以直布罗陀海峡“内波”效应非常显著,一方面在于其海水分层现象非常明显,另一方面是由于海底的地形地貌非常复杂。

除此之外,我国的南海区域,也是“内波”效应比较明显的海域,其造成的剪切力可能还更为剧烈,主要原因在于南海区域即靠近大陆架,其深度也很深,因此“内波”的振幅有时会高达300米。

除此之外,像印尼的龙目海峡、意大利墨西拿海峡、安达曼海等区域,也经常发生“内波”效应,对来往的船只以及近海潜水作业造成严重的影响。

“内波”就像是沉睡在海水中的“巨人”,它来无影去无踪,虽然我们很少能直接看到它,但是它的确普遍存在于海面之下,随时“窥视”着海洋中的一切,冷不丁来一下子来证明它的存在。如果我们在海面之上,看到有一行行间距非常大的微波,那极有可能下方就暗藏着“内波”,这个时候我们就得注意了。


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