大连海事大学气象学教案：海温、海浪、海流与海冰

1、第十一章第十一章 海温、海浪、海流和海冰海温、海浪、海流和海冰1.1.海温海温2.2.海浪海浪3.3.海流海流4.4.海冰海冰5.5.船舶气象定线船舶气象定线海水温度海水温度 (Sea-water Temperature)(Sea-water Temperature)n海温：海温：海水的温度，简称海温，是表征海水冷热程度的物理量。海表温度一般指海表面到0.5米水深的平均温度。影响水温变化的因子是比较复杂的，如太阳辐射，海面蒸发，海气热交换，海洋热平衡和大陆径流等。海水温度的变化对天气和气候有着极其重要的影响。n影响海水温度分布的主要因子：太阳辐射随纬度的不均匀，冷暖海流和海陆分布等。大洋海水温

2、度的水平分布特征大洋海水温度的水平分布特征n1. 海温水平分布与气温分布一致，在赤道附近是高温，随着纬度增加海温下降。n2. 在北半球，大洋西部的等温线密集，东部的等温线稀疏。这主要是冷暖海流交汇处温度梯度大， 形成一个等温线密集带，称为“海洋锋”。n3. 南半球等温线分布比北半球规则，大致与纬圈平行，而北半球的等温线分布比较复杂。n4. 北半球的表层水温较高，而南半球的较低。主要是北半球的海陆分布阻碍了北冰洋的冷水大量流入。 n5. 夏季水温高于冬季，而冬季水温分布的经向梯度比夏季大得多。 世界大洋海水温度的水平分布世界大洋海水温度的水平分布中国近海水温分布中国近海水温分布n年平均水温：年平

3、均水温： 渤海为11 ；黄海为14-19 ；东海为20-24 ；南海北部25-27 ；南部为28。 n冬季：冬季：表层水温,渤海0左右，黄海0-10，东海8-20，南海16-26。南北温差较大，近海水温低于外海，。n夏季：夏季：表层水温,渤海25-27，黄海25-27，东海28 ，南海28-29。水温分布趋于均匀，南北温差小，近海水温高于外海，。 中国近海水温分布中国近海水温分布 海水温度的日年变化海水温度的日年变化n1. 1. 日变化：日变化：大洋表层水温的日变化甚小，一般为0.4左右，在平静无风的天气条件下可达1。最高出现在14-15时，最低出现在早晨6时。n日较差日较差: : 低纬大于高

4、纬，夏季大于冬季。n2. 2. 年变化：年变化：大洋表层水温的年变化一般比气温滞后1-2个月,北半球最高在8-9月，最低在2-3月。n年较差年较差: : 低纬小于中高纬。海温的异常现象海温的异常现象n厄尔尼诺（El Nino）是指赤道太平洋东部和中部海域大范围海水出现异常增温的现象。可造成全球天气异常。厄尔尼诺可能是海洋和大气之间不稳定的相互作用引起的。n拉尼娜（Lanina）是指赤道附近东太平洋水温反常变化的一种现象。拉尼娜现象与厄尔尼诺现象正好相反。n他们都可成为预报全球气候异常的最强信号海浪海浪 (Sea Wave)(Sea Wave)n海浪与海流都是海水运动的重要形式，对船舶航行有很大

5、的影响。大风浪造成航速下降，舵效降低，甚至停止不前；在狂涛巨浪中还会出现“中垂”或“中拱”使船舶结构变形，严重时造成船体断裂。海流不仅对航海有不可忽视的影响，而且对天气和气候也有显著的影响。波浪的分类波浪的分类（按成因分类）（按成因分类）n风浪：风浪：由风直接作用而引起的水面波动称为风浪。n涌浪：涌浪：风浪离开风区传至远处或者风区中风停息后所留下来的波浪，称为涌浪。n近岸浪：近岸浪：风浪或涌浪传至浅水或近岸区后，因受地形影响将发生一系列变化，称近岸浪。n风暴潮：风暴潮：由于气象原因，如台风，强风暴等引起的海面异常升高现象称风暴潮，亦称风暴海啸。n海啸：海啸：由于海底或海岸附近发生的地震或火山爆

6、发所形成的波动。亦称海啸。n潮汐波：潮汐波：由于天体引潮力作用所产生的波动。n内波：内波：不同密度的水层界面处而产生的波动。深水波和浅水波深水波和浅水波n深水波：深水波：波长远小于海深的波（ ） 波速与波长和周期有关，与水深无关。n浅水波：浅水波：波长远大于海深的波（ ）n波速取决水深，与与波长和周期无关20h4hghc Tc5.1 水质点的运动与波形传播的关系水质点的运动与波形传播的关系理论上证明：理论上证明：深水波中海面上水质点运动的轨迹是以波高为直径的圆，在海面以下其直径以指数形式迅速减小。浅水波中水质点运动的轨迹为椭圆。 群群 波波海洋中的波浪常以“群”的形式出现，通常称为群波(Gro

7、up of Waves)。设两列波向、振幅相同，波长和周期稍有差别的正弦波相互叠加，叠加以后的合成波形如下图。 驻驻 波波由两列波向相反的正弦波叠加，可以得到一种波形不向前传播的波，波面只在原地振动，称为驻波（standing wave）。海滨峭壁处常出现驻波，台风眼区的“金字塔浪”就是驻波。波腹处的水质点只作垂直运动，波节处的水质点只做水平运动。波高的测算波高的测算n1. 1. 平均波高：平均波高：Hp=（H1+H2+H3+Hn）/n 其中n为观测到的波的总个数，H1，H2，.Hn为各实测波的波高。n2. 2. 合成波高：合成波高：H = HW2 + HS2 n3. 3. 部分大波的平均波高

8、：部分大波的平均波高：将观测到的波高按大小排列起来，取最高的一部分波的波高计算平均值，称为部分大波的平均波高。一般计算H1/100，H1/10，H1/3，它们的意义是，若观测1000个波，则分别代表其中最高的10，100，333个波的平均波高（有效波高）。nH H1/31/3：称为有效波高。是波浪预报的一个重要指标。 流波效应和海气温差对波浪的影响流波效应和海气温差对波浪的影响n流波效应流波效应: 波浪与海流成一定角度时，海流会影响波浪的波高、波速和传播方向等。当波浪与海流相向或接近于相向时，波高会增大2030%（流速为23kn，风速为1015m/s）。如黑潮流域上冬季风形成的波浪常增大。n海

9、气温差海气温差: 在风速相等的情况下，气温低于海温时的波高比海气温度相等时的大。据统计，气温比海温每低1 ，波高增大约5%。如气温比海温每低10 ，波高增大约50%。n在冬季西北太平洋中高纬海域，强盛的锋面气旋，气温低于海温，加之流波效应，有时出现比预料高2-3倍的异常大浪，是海事多发的海域，有“魔鬼海域”之称。波浪分析图波浪分析图n图中粗实线表示等波高线，单位为米。从2m开始，两相邻等波高线间隔为1m。图中还绘出主波向（几列波并存时波高最大者的传播方向）、乱波区和海上观测船点的水文气象要素实况，其中包括风向、风速、风浪向、风浪高、风浪周期、涌浪向、涌浪高和涌浪周期等。.此外图中还标绘出同一时

10、刻的高、低气压、热带气旋中心位置、强度及锋线位置等。绘制等波高线所依据的数据是风浪高（HW）与涌浪高（HS）两者的合成波高（HE）：n式中：HW和HS为海上观测船分别目测得到的平均显著波高。22SWEHHH波浪分析图波浪分析图波浪预报图波浪预报图n日本东京JMH台发布的西北太平洋24h波浪预报图。其中绘有等波高线（单位为米）、主波向及主波的波高和周期。此外，还标绘出H、L、TD的中心位置、强度以及锋线位置等。在波浪预报图中，等波高线的数值为有效波高（H1/3）。它是基于波谱分析等海洋学理论经复杂计算得出的。n我国国家海洋局也通过广播传真和电视每天发布我国海域及外海的24h波浪预报。波浪预报十分

11、困难，目前世界各国发布的波浪预报时效一般不超过3648h，最长72h。 海流海流（Ocean Current）n海流海流:是指海洋中的海水具有相对稳定速度的流动，它是海水运动的形式之一。n流向流向: 海流的方向是指去向，常用8个方位或以度为单位表示。例如，由西向东的流，流向为900，称为东流。海流的主轴是指海流流动方向上流速最大点的连线。海流的规模常用流幅来表示，流幅是指垂于主轴的水平宽度和上下厚度。海流的强弱常用平均流速或平均流量表示。n流速流速: 流速的单位常用Kn（节）和n mile/d（海里/日）表示。按海流的成因分类按海流的成因分类n1. 1. 风海流：风海流：包括风生流和漂流，是由

12、风对海水的牵引作用而产生的海流。风生流是短暂风力引起的暂时性的海流，其流速和流向随风向，风速而变化。漂流是由信风或盛行风的长期作用而引起的海流，流向和流速比较稳定，又叫定海流。n2. 2. 密度流：密度流：由于海水中的密度不均匀而产生的海流，又称梯度流。如非洲的红海，蒸发大，盐度高密度大，产生由红海流向印度洋的海流。n3. 3. 补偿流：补偿流：由于海水的连续性，一处海水流失，它处海水将流来补充，形成补偿流。n4. 4. 潮流：潮流：由于天体引潮力引起的海水周期性水平运动。n实际上由单一原因产生的海流极少，往往是几个因子共同作用的结果，但有主次，近海以潮流为主，外海多风海流和梯度流。风海流风海

13、流n海流的成因主要是盛行风带、地转偏向力、和海陆地形分布等因子共同作用的结果。n风海流风海流n是海洋上最主要的海流，其强度较强。风海流是在海面风作用下形成的海水流动。通常将大范围盛行风所引起的流向、流速常年都比较稳定的风海流称为定海流，或漂流。而将某一短期天气过程或阵风形成的海流称为风生流。表层风海流的方向和大小表层风海流的方向和大小 表层风海流方向：表层风海流方向：在无限深海中，由于地转偏向力作用，表层风海流的流向在北半球偏于风去向之右约45，在北南球偏于风去向之左约45。 在浅海中，流向与风向几乎一致。 风海流流向随深度增加向右偏转（北半球），流速随深度增加逐渐减小。（见图）地转流及其他类

14、型海流地转流及其他类型海流n倾斜流：倾斜流：是在不均匀的外压场作用下的地转流。海洋上大气压分布不均匀，使海面发生倾斜而产生海水的流动。 测者背流而立，右侧等压面高，左侧等压面低。倾斜度越大，水平压力梯度越大，流速就越大。 n 密度流：密度流：由于海水密度分布不均匀引起等压面倾斜而产生的地转流。测者背流而立，右侧等压面高，密度小左侧等压面低，密度大。n补偿流：补偿流：某处海水流失，其它地方的海水流过来补充，称为补偿流。n潮流：潮流：潮波运动中水质点沿水平方向的周期运动。航海学中讲述。按海流的物理属性按海流的物理属性( (温度温度) )分类分类n水团：水团：来自相同的源地，具有独特的相对均匀的物理

15、性质（如温度，盐度，溶解氧等）的海水称水团。n 暖流：暖流：流动水团的温度比它所经过海区的水温高称暖流。一般从低纬向高纬流动的海流为暖流。n 冷流：冷流：流动水团的温度比它所经过海区的水温低称冷流。一般从高纬向低纬流动的海流为冷流。n 中性流：中性流：流动水团的温度比它所经过海区的水温相差不大称中性流，一般东西向的流。世界大洋表层海流模式世界大洋表层海流模式1.1.信风流和赤道逆流：信风流和赤道逆流： 在赤道区有一支从东向西的海流，即 北赤道海流（NEC）和南赤道海流(SEC)，南北赤道海流之间有一支从西向东的赤道逆流。2. 2. 西边界流和西风漂流：西边界流和西风漂流：在西风带中，海流基本上

16、自西向东流，西边界流大多来自热带洋面，水温高，流速大，是较强的暖流。在南半球三大洋的西风海流彼此沟通，形成一个连续的水环。又称西风漂流。世界大洋表层海流模式世界大洋表层海流模式3. 3. 东边界流：东边界流：西风漂流在大洋东岸流向低纬的海流。东边界流流动缓慢，幅度宽广具有寒流性质。4.大洋两岸的海流在强度上不对称，大洋西边界的海流比东边界的海流窄而强。如墨西哥湾流和黑潮均为强海流。Distribution of Current in the world Ocean海流实况图海流实况图n海流一般变化缓慢，比较稳定，因此传真海流图的时间间隔比天气图要长的多。常见的有旬和月两种海流图，其中又有海流实

17、况图和海流预报图之分。n海流实况图是根据上个旬（或上个月）的海流实测资料绘出的图。下图为东京JMH台发布的1989年7月中旬的表层海流图。图中箭矢表示流向，不同形式的箭杆表示不同流速。图中还标出黑潮与亲潮的主轴位置、水平范围和流速分布海流预报图海流预报图n下图为东京JMH台发布的1990年4月上旬北太平洋表层海流预报传真图。图中粗矢线和其中数字表示主轴的推算位置和流速(kn)，细实线为该旬表层海水等平均温度线，单位为摄氏度。n海流传真图比根据多年海流资料绘出的旬、月海流气候图更接近实际情况，对航海有更高的参考价值。例如，远洋航行的船舶可以利用近期的海流传真图精细地调整航线，顺流时尽量将航线选在

18、主轴位置附近，逆流时则尽量避开主轴位置，或从两个主轴之间逆流速度相对较小的区域通过。海海 冰冰（Sea Ice）n海冰海冰: : 广义的海冰是指海洋中各种冰的总称，它包括海水本身结冰和由大陆冰川，江河流入海洋中的陆源冰。海冰能破坏港口设施，造成港口封冻，航道阻塞。流冰，特别是冰山严重威胁船舶的航行安全。n冰源：冰源：1. 由海水直接冻结而成的冰，称咸水冰。2. 从陆地流入海洋的冰，称淡水冰。江河的流冰和大陆冰川的崩裂。n影响海冰形成的主要因子：影响海冰形成的主要因子：1. 长期冰点下的温度。 2. 海水的表层盐度。 3. 垂直盐度的分布。 4. 海水的深度 。海冰的分类海冰的分类n1. 1.

19、初生冰：初生冰：由松散冰晶最初形成的冰。包括冰针，油脂状冰，粘冰和海绵状冰。n2. 2. 尼罗冰：尼罗冰：由初生冰继续增长，结成厚度为10厘米以内的薄冰层。n3. 3. 饼状冰：饼状冰：直径为30-300厘米的，厚度为10厘米以内的圆形冰盘。n4. 4. 初期冰：初期冰：由尼罗冰或莲叶冰和冰块冻结在一起形成厚度为10-30来厘米的冰层。n5. 5. 一年冰：一年冰：由初期冰发展而成，时间不超过一个冬季的冰。厚度在30-300厘米。n6. 6. 老年冰：老年冰：至少经过一个夏季而未融尽的冰。厚度大于300厘米 。冰山的形成和分类冰山的形成和分类n形成：形成：极地地区不断降雪，在重力作用下低温凝固

20、变成冰，形成了两极的冰帽（Ice Cape），厚度达几千米。冰在高压下向四周流动称为冰川，移动速度约为30m/天，当巨大的冰川流到海洋沿岸断裂成巨大的冰块，并随海流和风漂流称为冰山(Icederg)。n分类：分类： 碎冰山：冰川分离出来的碎冰块（高5米，长小于15米）；小冰山（高6-15米，长16-60米）；中冰山（高16-45米，长61-122米）；大冰山（高46-75米，长123-213米）；特大冰山（高大于75米， 长大于213米）。冰山和浮冰的漂移规律冰山和浮冰的漂移规律n影响海冰漂流的主要因素是风和海流影响海冰漂流的主要因素是风和海流 1.在无风海域在无风海域: 冰山和浮冰随流漂移，其漂移的速度和方向与海流一致。 2.在无流海域在无流海域: 冰山和浮冰随风漂移，其漂移的方向在北半球偏离风的去向之右约28，在南半球偏离风的去向之左约28，漂移速度大约为风速的1/50。n冰山的水上部分与水下部分比较冰山的水上部分与水下部分比较 冰山冰的比重约为0.9，冰山体积的水上部分只占冰山整个体积的1/10。冰山露出海面的高度为总高度的1/71/5。船体积冰船体积冰n冬季高纬度航行，当气温很低，海上风浪