世界大洋的热量平衡

Distribution(分布）
• 海面水温和海洋上层的相对湿度的日变化 和年度变化相对较小，则Qb随纬度及季节 变化小。
3.1.3 蒸发潜热Qe Latent Flux
1、对海气间热交换起重要作用(important effect) 2、影响因素(influencing factors)： A.水汽温差 B.大气中水汽垂直分布 C.风速
3.1.1 太阳辐射能(Solar Radiation)
• 辐射定律(Law of radiation)
– 斯蒂芬—波尔兹曼定律： 任何温度高于绝对零度的物体都能以辐射的形式向 外释放能量，它与绝对温度Tk的4次方成正比。
为Stefan-Boltzmann常数,等于5.67051x10-8w.m-2.k-4. F为辐射体的透明系数， 绝对黑体F=1，绝对透明体F=0
a) BACD
b) ABCD
d) BCAD
e) DACB
• 海水的热力学性质
– 热容、比热容 – 绝热变化／位温 – 沸点升高／冰点降低
3. The Oceanic Heat Budget 世界大洋的热量平衡
3.1 海面热收支(Heat budget of the sea surface)
Heat-budget terms:
• 对于整个海洋来说，太阳辐射是产生海面水温升高的主要 因素 • 一天水温最高值并非出现在太阳高度最大的正午，而是出 现在午后1-3时即Qt由正转为负的时刻；同理，水温极小 值出现的时刻发生在Qt由负转为正的时刻，约在凌晨。一 年水温极大值出现在8月份，最低值则出现在1-2月份。
4. The ocean water budget 海洋中的水平衡
3、分布：寒暖流区较强
4、季节变化：冬季强，夏季较小
3.2 海洋内部热交换（Heat exchange in the ocean）
由于海水总是流动的，水平方向暖流能把热量带来，冷流 又使这里失去热量。例如，高纬度海域，海洋失去的热量比从 太阳那里得到的多，多余的失热，要靠黑潮、湾流将赤道附近 的热量向极地输送；而赤道附近从太阳获得的热量多于失去的， 只有流走一部分，才能保持那里的平衡。因此对局部海域来说， 必须考虑平流热传输（Qv）
总辐射能分布 (The distribution of total radiant energy)
• 随纬度升高而减小
• 总辐射能最大值出现副热带海域（与太阳 高度、云量有关）
• 太阳辐射的年变化随纬度升高而增大。
3.1.2海面有效回辐射Qb( significant reradiation of the sea surface)
一、铅直方向上的热输运Qz ( vertical) 二、水平方向热输送QA ( horizontal)
3.3 Conservation of heat:
Qt is the resultant heat gain or loss. Qt>0, heat gain, T↑ Qt<0, heat loss, T↓ Qt=0, equilibrium，Tmax or Tmin
3.4 海洋热平衡的分布与变化规律
• 对于整个海洋的年平均或多年平均而言，热量的收支是平 衡的Qt=0 • 但对于一年的某一时期或不同地区，海洋的热收支却不平 衡
– 海洋热收支的纬度变化特点
• Qe与(Qs-Qb)相当，在高纬变化趋势相似，而在低纬因赤道地区海面 湿度大，蒸发量显著低于副热带海区，使得Qe呈双峰分布 • Qh随纬度变化不大，且量值较小 • Qt变化显著：23N-18S海域Qt>0，海水有净热收入，中高纬海域， Qt<0，海洋有净热支出
Atmospheric Windows
太阳辐射通过大气时，紫外部分绝大部分被臭氧吸收；红外部分能量被大气中的 水汽，CO2等部分吸收。 部分能量又被大气中的分子颗粒等散射，而其中一部分也可达到海洋
总辐射能=直达辐射+散射辐射
影响因素（Influencing Factors）
• Latitude: The polar regions are heated less than the tropics • Season: Areas in winter are heated less thn the same area in summer • Time of day: Areas in early morning are heated less than the same area at noon • Cloudiness: Cloudy days have less than sunny days Average annual range: 30W/m2<QS<260W/m2
• Atmospheric water-vapor content（水汽含 量） (The more humid the atmosphere the less heat escapes to space) • Байду номын сангаасater temperature（海面水温）: The hotter, more heat is radiated
最大的潜热通量位于贸易风区，因为那里海—气湿度差最大 其次是湾流和黑潮区，那里湿度差大，风速也大。 潜热通量向高纬度海域渐次减少，这是因为那里海—气温差减少， 从而导致海—气湿度差减少之故。
3、分布及变化(distribution and changes)： (a)经向（南北）： 赤道蒸发量小（相对湿度大，风速小） 高纬度海区小（温度低，水汽含量少） 副热带和信风带海区大气流下沉，空气干燥， 气温高，风大 (b)季节变化： 冬季最强（风速大，水汽压差大，水温高 于气温，空气层结不稳）
you are given four water samples A, B, C and D with the temperatures and salinities shown in the TSdiagram. Which of the listed arrangements of water samples give(s) a stable stratification?
3.1.4 感热交换Sensible-Heat
1、海气温度不等，通过热传导也有热量传递。 2、有两个影响因素：海面风速Wind speed和海 气温差Air-sea temperature difference
High winds and large temperature differences cause high fluxes.
a)
b)
Typical Values (W/m2) World Annual Averag Range e QS +150 +30 to +260 Qb -50 -60 to 30 Qe -90 -10 to 130 Q & Qh may be -10 -2 to (Qeh positive for short period locally) 42
• Major Influencing Factor – Gain: Precipitation(P,降水), run off(R,径 流), melting(M,融冰) – Loss: Evaporation(E,蒸发), freezing(F, 结冰) – Current(海流)
• Conservation Equation
• High winds and dry air evaporate much more water than weak winds with relative humidity near 100% • In polar regions, evaporation from ice covered oceans is much less than from open waters.
• Insolation(太阳辐射) QS, the flux of sunlight into the sea • Net Infrared Radiation(长波辐射) Qb, net flux of infrared (long-wave) radiation from the sea • Sensible Heat(感热) Flux Qh, the flux of heat through the surface due to conduction • Latent Heat(潜热) Flux Qe, the flux of heat carried by evaporation/condensation 海洋内部 • Advection QV, heat carried by currents
– 维恩定律： 辐射能量的最大波长与辐射体表面的绝对温度成反比。
C=2898(•K)
太阳辐射能最强的波长为0.475 m（短波辐射） 太阳辐射能量的99.9%集中在0.2-10m波段内，其中可见光(0.4-0.76 m)部分占 44%,红外部分(>0.76 m）占47%，紫外部分(<0.40 m)占9%.
relativeuniformconditionsextendoceanbottom表层高随深度增加而降低temperaturedepthrelationshippenetratingsolarradiationgreenwavelengthspenetratefurtherthaninfraredlongerwavelengthlightallotherwavelengthsquicklyabsorbedlowlatitudesgetincomingradiationhighlatitudesgetlittleincomingradiationmidlatitudesgetradiationturbulentmixing低纬海域的暖水只局限于薄薄的近表层之内其下便是水温垂直梯度较大的跃层大洋的主温跃层或永久温跃层在不太厚的水层中水温由17降到若以12等温面作为主温跃层的核心其在赤道海域上升而在亚热带下降到中纬度海域复又上升至亚极地可升达海面形成极锋
As Salinity increases density increases. As Temperature increases density decreases
Of the four diagrams shown, only one shows the correct density dependence on temperature and salinity. Which one is it? ？( a ) a b
QS
Qb
Qe
Qh
QT
Qv
Heat gain and loss with latitude
Heat is transferred away from the equator by winds and ocean currents
Sea surface temperatures
• Temperatures vary with latitude • Temperatures vary with season
• Effect of pressure, temperature and salinity on density – S>24.7, the density will continue to increase with decreasing temperature until the water freezes – When T is constant, the density increases with increasing S
• 定义(definition)： 海面向大气的长波辐射与大气向海洋的 长波辐射之差。
根据维恩定律，海洋向大气辐射能量最强的波长约 在10m（长波辐射）。海洋辐射的能量90%以上集 中在4~80 m范围。
Influencing Factor
• Cloud(云）
– Clouds thickness (The thicker, the less heat escape to space)
c
d
Review
• Properties of pure water • Temperature( T, ℃)、 Salinity (S) and Conductivity(电导率) 、 Density (, kg/m3)
• Effect of pressure, temperature and salinity on density – Density increase with increasing pressure (depth)[ relative little] – S < 24.7, the density will increase with decreasing temperature until it reaches a maximum value and will then decrease until the water freezes - just as pure water behaves