热与水收支平衡.pptx
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1、13.2 3.2 海洋的热量与水量平衡海洋的热量与水量平衡 海面热收支海面热收支 海洋内部的热交换海洋内部的热交换 海洋中的水平衡海洋中的水平衡第三章 海水的物理特性及其表征2l 海洋热量来自海洋热量来自太阳辐射能太阳辐射能,几乎全部通过,几乎全部通过海海-气界面气界面到达海洋。到达海洋。l 通过海底向大洋输送的热量,除个别热活动强烈区域外,影响不大;海通过海底向大洋输送的热量,除个别热活动强烈区域外,影响不大;海洋内部放射性物质裂变、生物化学过程及海水运动所释放的热能更是微不洋内部放射性物质裂变、生物化学过程及海水运动所释放的热能更是微不足道,故对整个海洋而言,在考虑其热平衡时都可忽略不计。
2、当然,在研足道,故对整个海洋而言,在考虑其热平衡时都可忽略不计。当然,在研究极小尺度的海洋空间时则另当别论。究极小尺度的海洋空间时则另当别论。l 世界大洋世界大洋的平均温度在几十的平均温度在几十几百年的时间尺度内并未变化,可认为海几百年的时间尺度内并未变化,可认为海洋获得的热量与失去的热量相同,这种洋获得的热量与失去的热量相同,这种收支平衡收支平衡主要通过海面进行。主要通过海面进行。l 通通过过海面海面热热收支的主要因子有收支的主要因子有:太阳辐射:太阳辐射(Qs)、海面有效回、海面有效回辐辐射射(Qb)、蒸蒸发发或凝或凝结结潜潜热热(Qe)及海气及海气间间的感的感热热交交换换(Qh),即,即
3、 Qw=Qs-QbQeQh l Qw 为为通通过过海面的海面的热热收支余收支余项项,整体、长期而言应,整体、长期而言应Qw=0,但局部,但局部、短、短时时则则Qw0。Qw0,海水获热;,海水获热;Qw0,海洋失,海洋失热热。海面热收支海面热收支 海面热平衡方程3 太阳辐射Qs海面热收支l太阳辐射能太阳辐射能Qs:地球每年从太:地球每年从太阳接受的辐射能阳接受的辐射能量约为量约为5.51024J,相,相当于人类全年消当于人类全年消耗各种能源的耗各种能源的8.7万倍。万倍。l 太阳辐射能的太阳辐射能的99.999.9集中在集中在0.20.210.0mm10.0mm波段内,波段内,其中可见光其中可见
4、光(0.40(0.400.76mm)0.76mm)占占4444,红外线红外线(0.76m)0.76m)占占4747,紫外线,紫外线(0.40mm)0.40mm)占占9 9。4 4105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12Long-wave radioStandard AM radio Short-wave radioMicrowavesInfraredUltravioletX-raysGamma raysRed OrangeYellowGreenBlueViolet49%
5、7%43%波长(米)波长波谷波峰56海面热平衡方程 式中 为到达并进入海面的太阳总辐射(又称有效太阳辐射)为海面有效回辐射(又称海面净长波辐射)为蒸发或凝结潜热为海气间感热交换为海面热量收支平衡余项各项单位均为为平流热输送7地表吸收Qs=51太阳散射30大气散射6地球热辐射70潜热Qe=23显热Qh=7大气吸收16大气和云吸收112大气和云向上辐射64大气和云向下辐射Qa=97地表反射4地表热辐射Qw=118对流输运30太阳总辐射100云反射20云吸收3穿透大气和云层6有效回辐射Qb=Qw-Qa=21H2O,CO2,O3海面热收支8太阳辐射又称短波辐射,又称短波辐射,99.9%的辐射能集中在的
6、辐射能集中在0.210.0 可见光可见光0.400.76 ,占,占44%红外部分(红外部分(0.76 ),占),占47%紫外部分紫外部分(0,海水有净的热收入;,海水有净的热收入;南北中、高纬海域南北中、高纬海域Qt0,海水有净的热,海水有净的热支出。支出。海面热收支l 海海-气感热交换气感热交换Qh 随纬度变化不大,且量值较小。随纬度变化不大,且量值较小。24On the real earth:Warm(air)Cold(air)Convection!EquatorNorth PolePoleEquatorA single cell 25A hypothetical model of Ear
7、ths air circulation if uneven solar heating were the only factor to be considered.26EquatorNorth Pole30o60oHadley Cells (1935)Equator60o N60o S30o N30o SNorthPoleSouthPole27Global air circulation as described in the six-cell circulation model.28海面热收支年平均总热通量l 全年平均热净收入海域,因热量积累,水温应不断升高,反之热净支出海域全年平均热净收入
8、海域,因热量积累,水温应不断升高,反之热净支出海域水温应不断降低,但事实并非如此。虽然热带海区表温比中高纬温带与寒带海水温应不断降低,但事实并非如此。虽然热带海区表温比中高纬温带与寒带海域明显高,但它们的年际变化却不大。这说明大洋内部必然存在自低纬向中高域明显高,但它们的年际变化却不大。这说明大洋内部必然存在自低纬向中高纬的热量输送纬的热量输送 大洋径向环流大洋径向环流 完成。完成。29 铅直方向热输运Qzl 世界大洋整体的热收支应该相等,但局部海域、不同时段,其热世界大洋整体的热收支应该相等,但局部海域、不同时段,其热收支并不一定平衡。故海收支并不一定平衡。故海-气热交换余额势必在海洋内部重
9、新分配。气热交换余额势必在海洋内部重新分配。l 海洋内部的热交换方式由诸多因素引起,其表现形式是铅直和水海洋内部的热交换方式由诸多因素引起,其表现形式是铅直和水平方向上的热量输运。平方向上的热量输运。l 铅直方向上的热输运主要通过湍流进行,即通过海面上风、浪和铅直方向上的热输运主要通过湍流进行,即通过海面上风、浪和流等引起的搅动流等引起的搅动混合混合,把海面热量向下输送。,把海面热量向下输送。l 湍流混合一年四季在任何海域都能发生,故它是海洋内部铅直热湍流混合一年四季在任何海域都能发生,故它是海洋内部铅直热交换的主要途径。通常其作用多为将海水表层吸收的辐射能向海洋深交换的主要途径。通常其作用多
10、为将海水表层吸收的辐射能向海洋深层输送。而海面有净热量支出的海域,往往由于层输送。而海面有净热量支出的海域,往往由于降温增密降温增密作用引起对作用引起对流,结果使热量向上输送。流,结果使热量向上输送。l 海洋中的铅直热交换还起因于其它因素,如海洋中的铅直热交换还起因于其它因素,如埃克曼抽吸埃克曼抽吸和大风卷和大风卷吸作用导致下层冷水上涌;在吸作用导致下层冷水上涌;在升、降流升、降流海域,尽管速度很慢,仅海域,尽管速度很慢,仅10-610-4m/s,但因常年存在,故其输运热量也相当可观,使升、降流,但因常年存在,故其输运热量也相当可观,使升、降流区水温出现异常,等等。在研究局部海域热平衡时,不可
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