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海水温度

海水温度是反映海水热状况的一个物理量。海水温度有日、月、年、多年等周期性变化和不规则的变化,它主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。 [1]

海水温度(sea-watertemperature)是表示海水热力状况的一个物理量,海洋学上一般以摄氏度(℃)表示,测定精度要求在±0.02℃左右。海水温度体现了海水的热状况。 [2] 太阳辐射和海洋大气热交换是影响海水温度的两个主要因素。海流对局部海区海水的温度也有明显的影响。在开阔海洋中,表层海水等温线的分布大致与纬圈平行,在近岸地区,因受海流等的影响,等温线向南北方向移动。海水温度的垂直分布一般是随深度之增加而降低,并呈现出季节性变化。

1、表层海水温度的水平分布规律

(1)海水表面平均温度的纬度分布规律:从低纬向高纬递减。这是因为地球表面所获得的太阳辐射热量受地球形状的影响,从赤道向两极递减。

(2)海水表面温度的变化特点:海水表面温度受季节影响、纬度制约以及洋流性质的影响。

2、海水温度的垂直变化

海水温度的垂直分布规律是:随深度增加而递减。表层海水到1000米,水温随深度增加而迅速递减,1000米以下,水温下降变慢。其原因主要是海洋表层受太阳辐射影响大,在海洋深处受太阳辐射和表层热量的传导、对流影响较小。

世界海洋的水温变化一般在-2℃30℃之间,其中年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上。经直接观测表明:海水温度日变化很小,变化水深范围从030米处,而年变化可到达水深350米左右处。在水深350米左右处,有一恒温层。但随深度增加,水温逐渐下降(每深1000米,约下降1°2℃),在水深30004000米处,温度达到2°-1℃。 [2]

影响海水温度的因素:

(1)纬度:不同纬度得到的太阳辐射不同,则温度不同。全球海水温度分布规律:由低纬度海区向高纬度海区递减。

(2)洋流:同纬度海区,暖流流经海水温度较高,寒流流经海水温度较低。

(3)季节:夏季海水温度高,冬季海水温度低。

(4)深度:表层海水随深度的增加而显著递减,1000米以内变化较明显,1000米2000米变化较小,2000米以常年保持低温状态。

海水温度是海洋水文状况中最重要的因子之一,常作为研究水团性质,描述水团运动的基本指标。研究海水温度的时空分布及、航海、捕捞业和水声等学科也很重要。

研究、掌握海水温度的时空分布及变化规律,是海洋学的重要内容,对于海上捕捞、水产养殖,及海上作战等都有重要意义,对气象、航海和水声等学科也很重要。

三大洋表面年平均水温约为17.4℃,其中以太平洋最高,达19.1℃,印度洋次之,达17.0℃,大西洋最低,为16.9℃。水温一般随深度的增加而降低,在深度1000米处的水温约为4~5℃,2000米处为2~3℃,深于3000米处为1~2℃。占大洋总体积75%的海水,温度在0~6℃之间,全球海洋平均温度约为3.5℃。海水温度还有日、月、年,多年等周期性变化和不规则变化。

颠倒温度计

(1)结构原理

由主温表和辅温表组装在厚壁玻璃套管内而成的温度表。专用于测量海洋或湖泊表层以下各水层的温度,准确度高达±0.02℃,只适用于定点不连续的测量。测量时常与颠倒采水器配合使用。

受压型的颠倒温度计的套管一端封闭,防压型的两端完全封闭 。主温表为双端式水银温度表 ,由贮蓄泡、接受泡、毛细管和盲枝等部分组成。贮蓄泡和玻璃套管之间充以水银,为避免深水水压影响主温表中水银柱的升降,特留有一定的空间。感温时贮蓄泡向下,盲枝的交叉点(断点)以上的水银柱高度取决于现场温度。将温度表颠倒时,水银柱便在断点处断开,从而保留了现场的温度读数。将温度表提出水面后,即可读出所测量的水层的温度。辅温表为普通的水银温度表,可用其测量环境的温度,计算出主温表读数的误差而加以订正。闭端颠倒温度表的水银柱高度不受水压(或水深)的影响,故可利用闭端的和开端的颠倒温度表的差值算出仪器沉放的深度。

(2)方法步骤

①、将装温度计的采水器 从表层至深层集中安放在采水器架上,根据测站水深确定观测层次,并将各层的采水编号、颠倒温度计的器号和值记入颠倒温度计测温记录中。 ②、观测时,将绳端有重捶的钢丝绳移至舷外,将底层采水器挂在重锤以上1m的钢丝绳上,然后根据各观测水层之间的间距下方钢丝,并将采水器依次挂在钢丝绳上。若存在温跃层,在跃层内应适当增加测层。 ③、当水深在100m以浅时,在悬挂表层采水器之前,应先测量钢丝绳倾角;倾角大于10°时,应求得倾角订正值。若订正值大于5m,应每隔5m加挂一个采水器。当底层采水器离预定的底层在5m以内时,再挂表层采水器,最后将其下放到表层水中。 ④、颠倒温度计在各预定水层感温7min,测量钢丝倾角,投下“使锤”,记下钢丝绳倾角和打锤时间。待各采水器全部颠倒后,依次提取采水器,并将其放回采水器架原来的位置上,立即读取各层温度计的主、辅值,记入颠倒温度计测温记录表内。 ⑤、如需取水样,待取完水样后,第二次读取温度计的主、辅温值,并记入观测记录表的第二次读数栏内,第二次读数应换人复核。若同一支温度计的主温读数相差超过0.02℃,应重新复核,以确认读数无误。 ⑥、若某预定水层的采水器未颠倒或某层水温读数可疑,应立即补测。若某水层的测量值经计算整理后,两只温度计之间的水温差值多次超过0.06℃,应当考虑更换其中可疑的温度计。 ⑦、颠倒温度计不宜长期倒置,每次观测结束后必须正置采水器。 ⑧、如因某种原因,不能一次完成全部标准层的水温观测时,可分为两次进行,但两次观测的间隔时间应尽量缩短。 ⑨、如果需测表层水温,出颠倒温度计外,还可用表面温度计或电测表面温度计进行观测。

(3)仪器应用

1874年,英国人制成的一种温度计叫颠倒温度计,这是海洋测温技术的重大革新,它大大提高了海洋测温的精度。现代的温度计就是在此基础上改进而成的。 渔业生产的一个重要的环境因素。测定温度是一个经常性工作:围网船必须根据水温及其它因素来判断渔场,钓船也必须根据水温来决定钓绳的长短,养殖更需要在池内测定水温,以决定采取相应措施,保证养殖对象生存的最佳条件。目前,在渔业上广泛使用的仍是颠倒温度计和表层水温筒。随着电子工业的发展,数字式温度计也得到应用。

表面温度计

表面温度计(Surface Thermometer)是用于测量物体表面温度的仪器。它是温度计中的一个分类,是专门用于精确的测量物体表面温度。由表面温度传感器和显示仪表构成。表面温度传感器是构成表面温度计的关键性器件,其性能优劣直接决定的表面温度计的性能优劣。通常表面温度传感器是一种专用的温度传感器,必须是具有极薄厚度的片状外形,以避免由于传感器的自身形状导热干扰原温度场而引起测量误差。

表面温度传感器可以是热电偶,也可以是热电阻。显示仪表可以是通常使用的热电偶或热电阻显示仪,或数据记录仪,或计算机数据采集系统。

玻璃液体温度计

玻璃液体温度计是一种膨胀式温度计.是根据物质的热胀冷缩原理制造的。它利用作为介质的感温液体随温度变化而体积发生变化与玻璃随温度变化而体积变化之差来测量温度。温度计所显示的示值即液体体积与玻璃毛细曾体积变化的差值。

玻璃液体温度计的结构基本上是由装有感温液(或称测温介质)的感温泡、玻璃毛细管和刻度标尺三部分组成。感温泡位于温度计的下端,是玻璃液体温度计感温的部分,可容纳绝大部分的感温液,所以也称为贮液泡。感温泡或直接由玻璃毛细管加工制成(称拉泡)或由焊接一段薄壁玻璃管制成(称接泡)。感温液是封装在温度计感温泡内的测温介质.具有体膨胀系数大,粘度小.在高温下蒸气压低,化学性能稳定,不变质以及在较宽的温度范围内能保持液态等待点。常用的有水银.以及甲苯、乙醇和煤油等有机液体。玻璃毛细管是连接在感温泡上的中心细玻璃管,感温液体随温度的变化在里面移动。标尺是将分度线直接刻在毛细管表面,同时标尺上标有数字和温度单位符号,用来表明所测温度的高低。

液体和机械式温度计

液体温度计的代表者是表面温度计和颠倒温度计。颠倒温度计自1876年由英国涅格罗齐和赞布拉发明,具有观测准确性高、使用方便、性能比较稳定的优点。但只能停船使用,且只能测定单层温度。机械式温度计最早在1937年发明。深度温度计是一种记录温度虽深度变化的仪器;仪器附有带坐标网格的放大镜,用来读取玻璃片上的所记录的各深度层的水温数值,并对记录曲线进行分析。另一种深度温度计带有采水器,可同时在各指定的标准层采取水样,但观测准确度为±0.2℃。

电子温度计

(1)热电式温度计

热点式温度计其感应元件是热电偶。即将感应元件的一端联接电缆,直接感应海水温度,另一端保持恒温,测出热电动势的大小即可求得海水温度。此类温度计可以在定点或走航时使用,但测温度一般在100m以内,而不能测量更深层的水温。

(2)电阻式温度计

采用金属丝电阻、热敏电阻作感温元件,并使它构成电流不平衡电桥的一臂,温度的变化引起电阻值的变化,通过直流不平衡电桥转换成电压的变化并转送至记录系统加以记录。

(3)电子式温度计

感温元件与电阻式温度计相同,仅是将感温元件作为阻容震荡电阻的调频元件。水温的变化转换为电阻的变化,再转换为频率的变化,将输出的频率信号加以放大记录,即可得到海水的温度。

(4)晶体振荡式温度计

采用石英晶体作为感应元件。石英晶体振荡频率随温度的变化而变化,测得此振荡器频率即可得知海水的温度。但此类温度计感温时间较长,不适于走航使用,专供定点观测及校正仪器之用。

远距离海表温度辐射探测

近十几年来,根据红外谱区测得的辐射值,推算海表面温度技术已得到广泛应用。待别是在美国俄勒冈州太平洋沿岸上升流的研究中取得了极为显著的效果。通过飞机遥测的海表面温度可以反映出海洋与不同风应力之间相互关系,许多海洋工作者还应用遥感资料来分析湾流的涡旋。

在上升流与湾流的中尺度涡旋研究中,其演变的时间尺度是几天或几个星期.这么短的时间尺度是船只调奄难以完成的,只有飞机或卫星能够在短时间内进行大面积调查,并在短时间内进行重新测量。用飞机或卫星揭露大洋中尺度涡旋特征,这在以前是无法想像的。目前,已逐渐把海表面温度的变化看成是大范围气候变化的一种标志,可以用卫星提供的数据进行大洋气候业务预报。

在遥感中所应用的红外光谱区是所谓“窗口区”,即红外光谱受到吸收和散射较少,海面的辐射强度受到大气温度及湿度的影响相对较低。

红外辐射计工作原理是将海面发射的特定谱段里的辐射强度和接收器内黑体腔辐射强度进行对比而得。来自海面和黑体腔的辐射经过探测器的透镜前齿形调制片调制后,交替地进入探测器;当调制片挡住透镜时,其镀金表面就像镜子一样,把来自黑体腔的辐射反射到主探测器,调制结果产生一个交流信号,随后即进入放大器,从面确定辐射强度。在此基础上,通过一些反演方法可以反演出海表温度。 [3]

海水温度预报是指对海水温度场、特别是对表层水温作出随时间变化的预测。

国家海洋环境预报中心自1986年7月起, 把过去所开展的中国近海及其外缘海域表层月平均海温预报改为旬平均海温预报业务, 并通过中央电视台和中央人民广播电台向全国发布。青岛、上海海洋环境预报区台也通过当地的广播电台发布所分担的渤、黄海海域和东海海域的旬平均海温预报, 及时提供给当地用户使用。

海温预报方法近年来也日臻完善, 其方法可概括地分为三类:

根据海温自身变动的持续性、周期性、相似性以及与其它要素的相关性, 来做出定性或定量预报。特别是由于海温变动具有很大的保守性, 因此以持续性为基础并考虑到其突变性的经验预报方法多为人们所采用。国家海洋环境预报中心宋学家等提出了一种简便易行的海温经验预报公式, 该公式主要含有预报旬的多年平均项、当旬准距平项、趋势变动项、急剧变动项等。利用此公式可预报一个水文特征相同的海温场, 而且预报准确率较高, 也可以预报个别站点。一般情况下中国近海的沿岸冷水、黄海冷暖水、台湾暖水等强弱的经验预报是可能的, 而因天气的剧变, 如寒潮、台风等引起的海况急变的预测则比较困难。因此高精度的短、中、长期海洋气象预报对于海温预报是不可缺少的。应用该经验预报方法制作中国近海及其外缘海域旬平均表层温度预报, 其精度一般在0.7℃ (均绝差)左右。

概率统计方法被引用到水文气象预报中来, 至今已有余年。到年代后期, 统计预报己成为要素预报的重要手段, 尤其是年代以后“ 模式输出统计预报” 在预报业务中使用以来, 使统计预报出现了新的局面。现在水文、天气预报的概率统计方法已形成为一个独立的分支, 它已成为自动化预报系统中不可缺少的组成部分, 是使海温预报走向客观化、定量化的有效手段之一。

海水运动的规律是不确定的, 是随机的。即使观测资料足够多, 也不可能把海洋运动规律完全描写出来, 因而必须应用概率论、数理统计的方法预报未来海水温度变化的可能性, 这就是概率统计海温预报, 简称为统计预报。

就目前使用的统计方法来看, 应用最广的有多元分析中的一些方法, 如回归分析、判别分析、聚类分析、主成份分析、相似分析等。时间序列分析方法如方差分析、谐波分析、平稳外推和马尔可夫链等也已广泛应用。近年来多元时间序列分析和交叉谱、时空谱、最大嫡谱等方法也取得一定成效, 同时对非平稳随机时间序列统计方法提出了新的论证。

由于概率统计方法是分析、研究海温随机过程的一种重要手段, 所以从国内外的海温分析与预报的情况可以看出, 采用统计方法来进行海温分析和预报均占有相当大的比例, 有属于统计预报方法。可见统计预报方法是海温预报中不可缺少的主要方法之一。同时, 通过对海温演变统计规律的了解, 可以进一步加深对海洋动力学、热力学规律的认识, 从而促进数值预报和统计学方法的发展。当前, 人们对海洋演变的动力学规律了解得还很有限, 而且国防和国民经济建设所需要的海洋预报内容又如此繁多、复杂,在要求时效长、精度高的情况下, 对许多复杂的海洋现象的局地海洋预报和中长期海洋预报, 还主要靠统计方法来制作。尤其是海洋水文预报服务的手段正在走向自动化。因此, 研究和发展统计预报方法, 具有很大的现实意义和深远影响。必须指出, 统计预报需与海洋动力学相结合。只有这样, 才能将概率统计方法正确地运用到海洋预报这个具体领域中去, 使统计预报具有丰富的海洋学意义、物理内容和坚实的理论基础, 才能提高海洋预报的准确度。因而, 必须力求使预报因子的选取和统计方程的建立有比较明确的物理基础。

在“ 七五” 期间, 中国海洋界开始投入较大的人力和物力进行海温数值预报方法的开发研究。国家海洋环境预报中心和青岛海洋大学分别提出的距平模式和混合层模式,填补了中国海温数值预报方法的空白。

混合层模式中不但考虑了海流输送对热平衡的贡献, 而且考虑了在强烈海洋天气扰动下的海洋上混合层的物理变化过程。同距平模式的旬、月预报时间尺度相比, 该模式属短期预报模式(3-5d)。从1989年4月开始该模式直接与气象预报模式连接并进行了3个月的连续试预报。

中国海异常海温数值预报模式研究

该模式的特点有①建立新的混合层参数化模式, 纠正了已有模式出现上混合层不断变浅的缺陷②考虑了副热带环流引起的暖水辐聚, 这将导致异常高温的出现。在处理中将暖水辐聚与温度平流分开。为独立考虑这一因子提供了理论依据, 并提出一个合理简便的参数化方案③考虑了影响上混合层深度和温度的浅海效应, 合理处理吸收系数、卷出和卷入的关系从而使异常海温的数值预报得以实现。 [4]


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