物理海洋丛书 叶安乐李风歧 编著 青岛海洋大学出版社 WU LI HAI YANG 海 物 理 XUE 洋学 WU国IAI YANG CONG SHU
前 言 人类社会而胎人口膨张、资源紧缺和环境污染等一亲列问题， 海洋的升发利用是解决这些问题的一个重要途径，自？0年代以 米，沿海国纷纷刻定二百海里专萬经济区，到1990年己有80多 个国家和地区宣布建立海洋经济区。许多国家扩大并深化对海洋 开发利用的铺城，加强对海区的宏观控制射海区功能区刘，并进行 海详基础理论的调重研完。 我国濒临西太平洋，跨越热带，亚热带和温带三个气候带，大 陆架宽广，151等深线以浅水城和滩涂面积约2亿亩，1989年海 水养殖产量为1979年华产量的3.？倍。沿海主要港口码头泊位 ì240个，海运南船总吨位列居世界第八位，海盐年产量300多万 电，一查保持世界第一位.近海油气田资源约为90一10亿电，具 有良好的开发潜力。总之，近年来我国海洋产业正在烟起，前景十 分广词。 海洋开发的历史表明，对海洋进行开发利用的成功与否，往柱 不仅取决于科学技术和管理水平，在猥大程度上还依箱于对海深 环坑要章分布变化规律的掌握。浸有深入而全而地了解海洋状况， 待别是不拿蓝物理海洋要素，例如流，浪、潮和风扬等方面的皋统 和识，要都作出科学的结论是不可能的。因此，在对物理海洋进行 桑统研究的基础上建立海洋经济开发水城的环境综合保障及其预 报体枭，是进行海洋开发的一个重要条件。海洋所发生的各种物理 过程，其中有不同类型、不同尺度的海水运动。如海洋密度分布不 一致产生的“热垫环流”，由海面风应力驱动的风生流和风生环流· 由天朱引潮力所产生的潮波运动，因各仲扰动而产生的风波，涌
浪、调性波，行星波等多种波动，以芨国上述种种运动所产生的端 流，混合等等，它们是使得海洋环境发生变化的基本动力或原因。 这些动力学现象由于它们和海洋生产活动息息相关，很竿便受列 人】的关注，从学科发展来看，它们历史校长，研究的比较深入和 亲统，已建立了各自的体亲。 我校物理海洋学和海洋气聚学亲，游身为原山东大学海洋亲。 她成立近40年了。平在1952年第一任亲主任精荣本教投便卓有 远见地把动力海洋学分成海流，潮沙、海浪三门独立的深程进行讲 授，使得这些分支学朴发展较快，形成了各自的案统，并出瓶了专 著：它们巴能直楼为生产、海防、就滲等方面服年。刷后，文有风暴 潮、海雾等方面的专著问世。如今，浅海动力学、内波和海洋蛾搬钻 构、海气和至作用，海洋热学和水国等方面的研完均败得一定成 果，上述工作为我们编写一套物理海洋学教材打下了良好基础。 开发利用海洋、开展海洋研究工作离不开人才的培养，而人才 的培养又离不开教材，要怒妈写出既能总结本学科的识体系的 糖华，又能反映当代本学科发展水年的教材是不容易的，我们愿为 此作出努力。 本案列教材不仅道用于大学本料生的学习，对于海洋科学枝 术的所究、海洋环保、海洋工程、海洋水产、就海和从常管理、应用 等方面的工作者均有参考价值，限于编著者水平，不恰当和错误之 处，请读者批评指正。 文圣常 1990年10月于青岛
序言 海洋对人类的过去，现在和未来，都有至关重要的意义。海洋 资源开发的诱人前景，海运与军事活动的日益频繁，环境保护败趋 严峻的现实，都使海洋科学越来越为人们所重视。 最近几十年来，海洋科学在国内外均取得了巨大的进展，物理 海洋学的迅速发假亦令人刮目。相继问世的物理海洋学各分支的 专著，浩如烟海的研究论文和报告，从不同角度论述和发展了物理 海洋学的基本理论，极大地丰富了物理海洋学的内容。当然，对于 大多数读者而言，面对如此浩繁的文献，难免有目不暇接之虞。 鉴于此，本书较系统地阐述了物理海洋学的基本理论及其发 展，并尽量注意反映该学科80年代以来的一些新的研究成果，以 期使读者了解物理海洋学发展的全貌、已达到的水平及今后发展 的动向，本书可作为物理海洋学专业的专业基础课教材，同时也可 作为海洋气象和其他有关海洋专业的教学参考书，此外，对于攻读 海洋专业的研究生以及其他海弹科学工作者，本书亦可供参考， 由于国际单位制(S1)的推行和我国国家法定计量单位及科学 术语(GB)的发布。物理海洋学中过去某些习用的单位和术语，应 予废止或修改。为此，本书对所涉及的单位和术语，已按新规定予 以换算或改写， 为使读者查阅方便，书末附录了部分资料、表格和主要参考文 献。 本书的出版，在国内尚属首次尝试，限于笔者的水平，也因时 间紧迫，错误与不妥之处在所难免，欢迎批评指正
声岛海洋大学、物理海洋与海洋气象系的党政领导以及青岛 海禅大学出版社的同志们，对本书的出版给予大力支持：冯士笮教 授审阅全书并是出宝贵意见：许多教师给子热情鼓励和县体指导， 张增糕先生清绘全书插图，谨此一并致谢。 作者1991.3
目录 第一章海水的物理性质…*… (1) 多1，】海淋空间的特点……… (1) 1.1.1海洋空间的特点………… (1) 1,1,2海洋与周图环境的相互作用…+… () S】.2水的特性…4…+… (5) .2.【水分子的结构特殊……… (6) 【.2.2水的溶解能力很强……… (6) 1.2.3水的密度变化有反常……… (7) 1.2.4水的热性质特殊 (8) 茶.3海水的盐度……” (9) 1.3.|盐度的首次定义…… (10) 【.3.2盐度的重新定义*………………… (10) 1.3.3】978年实用盐度标度+……… (ID 1.3.实用盐度标瘦的计算………… (13) 1.3.5使用盐度历史资料时应注意的问题… (15) 苓】.1海水的热性质…… (16) 1,小.1热容和比热容……… (I6) 1.A,2体积热膨胀………………+4…… (22) ].小，3乐缩性、绝热变化及位温……… (23) 1.4,A发潜热及饱相蒸汽压… (3i) 1.1,5热传导…………… (33) 【。6沸点升高、冰点降低……+…… (34) 令1.5游水的密度- ·(36) 1
1,5.1海水的密度及比容… (37) 1.5.2密度的简略表示法……… (37) 1.5.3比容偏差和热比容偏差…” (38) §1,6海水状态方程…*…………… (39) 1.6.1克努曾一埃克曼经典状态方程…+… (40) 1.6.2皮耶克尼斯和桑德斯特勒姆状态方程… (40) 1.6.3陈一米勒罗状态方程… (40) 1.6.4根据声速导出的海水状态方程……… (42) 1.6.51980年国标海水状态方程(E0S80)**" (42) 1.6.6E0S80的应用4+…… (16) 及1,7海水的声学和光学性质…… (48) 17.1声波在海水中的传播速度… (48) 1.7.2海洋中声速的铅直分布… (50) 1.7.3海洋声学技术在物理海洋学中的应用… (51) 1,7,4光在海洋中的度减… (54) 1.7.5水色和透明度*……4+***4*+” (56) 1,7.6光学技术在物理海洋学中的应用… (61) §1,8海水的其他物性及海冰…………… (62) 】,8.】海冰… (62) ,8.2海水的其他物理性质……… (65) 第二章世界大洋热量、水量平衡和温、盐、密度场… (68) 发2.】海面热收支………………*… (68) 2,.1通过海面进入海洋的辐射能Qg……” (69) 2.1.2海面有效回辆射？……… (70) 2。】.3泰发耗热Q。+*4**4*” (71) 2.1.4感热交换Q (73) 2,」.5海面热收支随纬度的变化…*+· (74) 及2.2三维海洋的热收支+*+…*++…(76) 2
2.2.1海面括射的向下输送与透射辐射…·(76) 2.2.2埃克曼抽吸和大风卷吸对上混合层的影响…(78) 2.2.3表层冷却对流与温跃层的消衰……… (79) 2.2.4升降流和平流热输送……+*… (80) 2.2.5海洋的全热量平衡………*+*…++… (84) 分2.3海洋中的水量平衡………… (85) 2,3。」海洋水量平衡与热量平衡的异同… (85) 2.3.2海洋的水量平衡*“… (86) 2,3.3水量平衡方程……… (89) 2,3.4海水的平均蒂留时间和海水的年龄… (91) 82.才世界大洋的温度场…*……… (91) 2,4.」海洋水温的大面分布…… (92) 2,4,2海洋水温的铅直向分布*++*… (97) 2..3水温随时何的变化……… (101) §2.5世界大洋的盐度场和密度场… (I05) 2.5.1海水盐度的火面分布… (I06) 2.5.2海水盐度的铅直向分布……… (110) 2.5.3盐度的日变化和年变化……… (I13) 2.5,海洋的密度场*… (114) $2.6海洋温、盐、密度的细微结构 (118) 第三章世界大洋的水团和环流…+…… (123) 多3.1水团的有关概念……… (123) 3,.g水团定义的演化…………… (123) 3.1.2水型、水系及其与水团的关系…… (I24) 3.1,3水团的核心、强度、边界与混合区… (126) 3,】.4水团的形成与变性**4……* (I27) 令3.2水团划分与分析方法………… (129) 3.2.1定性的综合分析方法…… (129) 3
3.2.2浓皮混合分析方法*…(131） 3.2.3概率统计分析方法 4…4444…4………(132】 3.2.4模糊数学分折方法……… (131) .2.5其他方法及展望………” (136】 草3。名世界大洋的水团……… (139) 3.3.1水系的划分… (139) 3.3.2骏水系的水闭…………… (1M2) 3.3.3拎水系的水困………… (150) $3.4海洋环流及其与水团的关系……(164) 3.1.暖水系的环流…*… 164) 3..2冷水系的环流*” (72) 3.A.3水闭与环流某些关系的讨论……… (175, S3.5海流的大弯曲和中尺度涡… (178) 3.5.1气侯式游流图象与海流的大亭曲… (179) ?.5,2尺度涡4…… (I8A) 第四烫海水运动基本方程……(18B》 §4.手海水动力学相热力学基本为程…(188) 。1运动方程………”(188) 1.1.2连续方程 (196) 小.1,3盐量扩散方程*…+ (198) 1,】.热传导方程…**+4……4…… (200) 小.1.5热膨胀方程………… (201) 4.1.6海水水层流运动基本方程组…*…… (202) 多小，2边界条件…… (204) 4.2.1运动学边界条件…………(205) 4,2,2自出海面有质量交换时的运动学边界条件和 贫f边界条件………(206) 4.2.3动力学边界条件…………(208)
/,2.个阁度边界条件……44……………… (212) 及1.3时间平均的基本方程和边界条件…(212) 人。3.1基本方程的平均化………… (214) .3.2边界条件的平均化……… (222) 苓4，有铅直向平均基本方程*……… (221) $4,5基本方程的尺度分析与简化………… (229) .5.1尺度分析………… (229) 1,5.2几种常用的近似与假定… (235) 人.5.3常用的几种简化方程组… (238) 第五章海流4*4*4* (213) $5。]不考虑摩擦的定常流动…一地转流… (21t) 5.1,1梯度流………+…**…… (21-1) 5.1.2梯度流的计算…*………… (217) 5.1,3倾斜流 (25!) 發5.？考虑摩擦的定常流动… (252) 5.2,1无限深海的漂流…* (252) 5.22有限深海的源流… (257) 5.2.3源流的分离……… (262) E,2.4底流“*+*4** (263> E.2.5非均匀风场的风生流 (267) 5.2.6升降菌 (272) 95.3非定常流动 (280) 5.3.】源流的发展… (280) 5.3.2惯性流 (281) §5.4风生大洋环流 (281) 5.4.1边界层技术 (285) 5.4.2大洋中部海区风生环流的Sverdrup解… (286) 5,4,3 Stomme1的西向强化理论……(291) 5