2第二章海洋表面热平衡与水平衡

第二章海洋表面热平衡与水平衡

§2-1 海洋热平衡

一、海洋获得的热量

1．由海底进入海洋的地热：每天0.1cal/ 2

cm

2．海洋表层吸收的太阳辐射能：平均每天400 cal／2

cm 海洋垂直剖面温度曲线：随深度增加温度降低，在海底以下随深度增加温度升高。

二、海水温度的变化

变化很慢

海水温度由于温室效应略有升高，变化很慢。在不严格的条件下，可以假定进入海洋的总热量和从海表面释放出的热量是近似相等的。

将60多年前的深层海洋温度与当前测量结果相比较，发现温度的变化是很小的。

三、太阳辐射能(

Q)

s

1.大气上界太阳辐射能

（1）辐射能的数值

地球的大气上界处：太阳辐射能约2-2-1

⋅⋅

cal cm min

（2）辐射能的变化

辐射能随日-地间的距离、太阳黑子的多寡和太阳耀斑的变化而变化，变化范围仅有百分之几。

平均值叫做太阳常数1.96±0.01-2-1

⋅⋅。

cal cm min

太阳辐射能在宇宙空间传递过程中，损耗可以忽略。

大气层外层相当于温度为6 000℃的黑体辐射源。

（3）辐射能的组成

约49％的能量是可见光谱，其波长在0.4～0.7 m μ之间；

9％是紫外光谱； 42％是红外光谱。

（4）地球获得的太阳能

射达地球大气外界的太阳能量:

等于太阳常数乘以地球的截面积

理论上射达地球的太阳能

平均约为0.49-2-1 cal cm min ⋅⋅。或者700-2-1 cal cm d ⋅⋅。 在假定没有云层或大气吸收的条件下，

在两极:太阳能量的变化范围是0～1100 -2-1 cal cm d ⋅⋅ 在42o

纬度处:变化范围大约为300～900 -2-1 cal cm d ⋅⋅。 (5)在真实大气中太阳辐射能的分配

以理论上射达地球的太阳能0.49-2-1 cal cm min ⋅⋅为100%计算 云层吸收：3%；

水蒸气、烟雾和空气分子吸收：16%； 反射或散射回到太空：30% 加热陆地、海洋和冰原：51%

(6)云量和反射率对射达海面太阳辐射的影响

低层云密集覆盖:把80％的太阳能吸收或反射回太空中，只有20％～25％的能量可以到达海面。 其经验公式为

()()0

10.71s s s Q Q C A =--

式中，0

s Q 为未经散射和吸收的太阳辐射量，C 为云量，s A 为反射

率(反射量与入射量之比)。

反射率：3％～30％ 海面反射率平均值：6％ 海冰的反射率：大约30％～40％ 清洁雪面反射率：可能高达90％。 (7)海水对太阳辐射能的吸收

在清澈海水中：99％的太阳能都被100 m 以上水层所吸收

55％的太阳能都在最初1 m 深度内被吸收掉。

在沿岸、河口附近，超过63％(最多82％)的太阳能都在最初1 m 深度内被吸收掉。

（8）大洋中吸收的太阳能分布

平均到达海面并被吸收的太阳辐射能(W ／m 2

)，如图所示。

四、有效回辐射(b Q )

(1)海洋表面温度：

太平洋：平均292.1 K

大西洋：平均289.9 K

印度洋：平均290.0 K

(2) 辐射热量与温度的关系

辐射的热量与绝对温度的四次方成正比(斯蒂芬一玻耳兹曼定律)：

4w Q F T σ=

式中：w T 是海水绝对温度；

σ是斯蒂芬-玻耳兹曼常数，12

-2-141.3610

cal cm s K --⨯⋅⋅⋅；

F 是水面辐射特性常数。绝对透明体F=0，绝对黑体F=1。a. 水面向大气辐射 F 近似于1 b. 大气向海面辐射

F 小于1,F 的量值取决于空气中的水汽含量，水汽含量越多，F 越大。辐射的最大波长与绝对温度成反比(维恩定律)：

max w c

T λ=

式中，32.910c K m -=⨯⋅

（3）海面辐射与太阳表面辐射的比较

1 2cm 6 000o

C 的太阳表面的辐射功率约是10o

C 海面辐射功率的200 000倍。

太阳辐射最多能量的波长：0.5 μm 海面辐射能量最多的波长：10 μm 左右 （4）净辐射值

有效回辐射：海面向大气的长波辐射与低层大气向海面的回辐射之差，即净长波辐射耗损。

有效回辐射随着空气中水汽的含量而变化。 晴朗的夜晚，海水温度降低大；

有云或相对湿度较高的夜晚:海面温度降低少。 根据卫星资料算出的海面的有效回辐射。

海面有效回辐射(w ／m 2

)

五、蒸发耗损的热量(e Q )

液态水变为同温度下的气态水所需要的热量称蒸发耗损热量，又称潜热通量

蒸发1 g 海水所需要的热量：平均值为590 cal ／g 海洋每年通过蒸发要失去126 cm 厚的水层。200 -2-1 cal cm d ⋅⋅

计算蒸发量的经验公式：()e e w a Q LC e e W =-

式中：a e -是水面上方一定距离处的水汽压

w e -是水面上贴水层空气的饱和水汽压

e C -是蒸发系数

W-风速 L-蒸发潜热。 如果风速以海上8 m 高处风速来计算，单位为

1m s -⋅，水汽压以Pa 为单位，

则56.910e C -=⨯。2010-9-9

全球每天平均海面潜热通量(w ／m 2

) 由图可知

最大的潜热通量位于信风区，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； 冬季，强冷空气吹过海面，使蒸发量显著增加；

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。

六、显热耗损(Q h )

显热耗损是接触热交换。靠空气与海面接触、借助于两者温度差产生对流作用来传递热量。

与水气温差和风速密切相关

显热耗损最大值只有潜热耗损最大值的6％。