《水文学》-第4章　海洋的结构与海水的运动

'第四章 海洋的结构与海水的运动主要介绍三节§4.1海洋的组成与结构§4.2海水的运动§4.3海洋资源和海洋环境保护P147－149 §4.1海洋的组成与结构一、海洋的组成二、海洋运动的结构 一、海洋的组成通常，人们把海和洋看成同类事物，并称之为海洋，指地球表面连续广阔的水域的总称。事实上，二者既相联系，又有区别。地球上各海洋彼此联系勾通形成一个连续而广大的水域称为世界大洋。根据水文物理特性和形态特征，可分为主要部分（主体部分）和附属部分。主体部分是洋，附属部分为海、海湾、海峡，它们处在与陆地毗邻的位置，是洋的边缘部分。 地球上广大连续的咸水水体的总称为海洋。地球上陆地全部为海洋所分开与包围，所以陆地是断开的，没有统一的世界大陆；而海洋却是连成一片，各大洋相互沟通，它们之间的物质和能量可以充分地进行交流，形成统一的世界大洋，使海洋具有连续性、广阔性，成为地球上水圈的主体。 （一）洋及其区分洋——是世界大洋的主体，远离大陆，具有深度大，面积广，不受大陆影响等特性，并具有稳定的理化性质、独立的潮汐系统和强大的洋流系统的水域。世界大洋按岸线轮廓、洋底起伏、水文特征分成四个部分，即太平洋、大西洋、印度洋和北冰洋。 太平洋——thePacific(Ocean)，世界第一大洋，面积约1.8亿KM2，占世界大洋总面积一半，也是世界最深的大洋，它的平均深度4028m，世界上最深的马里亚纳海沟（11034m）位于太平洋西部。大西洋——theAtlantic(Ocean)，位于欧、非大陆与南北美洲之间，大致呈S形，面积和最大深度居世界第二。面积0.93亿KM2。印度洋——theIndianOcean，第三大洋，大部分位于热带和温带地区，其北、东、西分别为亚洲、大洋洲和非洲，南临南极大陆。北冰洋——theArctic(Ocean)，位于亚欧大陆和北美洲之间，大致以北极为中心，是面积最小的大洋。 各大洋间的分界线四大洋间无天然界线，只能以水下海岭或人定经线为界。太平洋北边通过白令海峡与北冰洋相通，东边以通过南美合恩角的经线（68°W）到南极洲与大西洋分界，西边与印度洋的分界：从马来半岛起，经苏门答腊、爪哇、帝汶等岛，澳大利亚的伦敦德里角，再沿塔斯马尼亚岛的东南角至南极洲。印度洋与大西洋的分界线：从非洲南部厄加勒斯角起经20°E经线至南极洲。北冰洋则大致以北极圈为界。 （二）海及其分类海——指位于大陆的边缘（或大洋的边缘），由大陆、半岛、岛屿或岛屿群等在不同程度上与大洋主体隔开的水域。具有深度浅、面积小、兼受洋、陆影响的特性，并具有不稳定的理化性质，潮汐现象明显，基本上不具有独立的洋流系统和潮汐系统，是大洋的附属部分，即海总从属于一定的洋。据国际水道测量局统计，全球共有54个海（包括某些海中之海）。依据海与大洋分离程度和其他地理标志，可以把海分成边缘海、地中海和内海。 边缘海——又称陆缘海、边海或缘海。位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋或邻海相分隔，但直接受外海传播来的洋流和潮汐的影响。如白令海、鄂霍次克海、日本海、黄海、东海和南海等。内海——又称内陆海、封闭海，指伸入大陆内部，仅有狭窄水道（海峡）同大洋或边缘海相通的海。例如我国的渤海、西亚的波斯湾、红海、欧洲的波罗的海等。地中海——以称陆间海，指位于两个或多个大陆之间的海。如亚、欧、非大陆之间的地中海，位于安的列斯群岛、中美地峡和南美大陆之间的加勒比海等。 （三）海湾和海峡海湾——bay,gulf，指洋或海的一部分伸入大陆，深度逐渐变窄的水域。海湾中的海水因其与邻近海或洋相通，故海水性质与相邻海洋的性质相似。海湾中的最大水文特点是潮差很大，原因是深度和宽度向大陆方向不断减小。如杭州湾的钱塘江怒潮，潮差一般为6－8m。北美芬地湾潮差更达18m之最。海峡——strait,channel，指位于两块陆地之间，两端连接海洋的狭窄水道。如连结东海与南海的台湾海峡等。 海湾海湾是海洋伸入大陆的部分，其深度和宽度向大陆方向逐渐减小的水域。一般以入口处海角之间的连线或湾口处的等深线作为洋或海的分界线。海湾的特点是潮差较大。 海峡海峡是连通海洋与海洋之间狭窄的天然水道。如台湾海峡、马六甲海峡、直布罗陀海峡等。其水文特征是水流急，潮速大，上下层或左右两侧海水理化性质不同，流向不同。 二、海洋运动的结构（一）海洋形态结构根据海底地貌的基本形态特征，可分成大陆边缘、大洋盆地、洋中脊三个单元，见表4—2。 1、大陆边缘大陆边缘一般包括大陆架、大陆坡和大陆基（大陆隆），约占海洋总面积的22％。大陆架或大陆浅滩是毗连大陆的浅水区域和坡度平缓区域，是大陆在海面以下的自然延续部分，通常取200米等深线为大陆架外缘。大陆架宽度极不一致，最窄的仅数公里，最宽可达1000公里，平均宽度约75公里。大陆坡和大陆基构成了由大陆向大洋盆地的过渡带。大陆坡占据这一过渡带的上部，水深约200—3000米的区域，坡度较陡。大陆基大部分位于3000—4000米等深浅之间，坡度较缓。 2、大洋盆地大洋盆地是世界海洋中面积最大的地貌单元，其深度大致介于4000—6000米之间，约占世界海洋总面积的45％左右，由于海岭、海隆以及群岛和海底山脉的分隔，大洋盆地分成近百个独立的海盆，主要的约有50个。 3、大洋中脊洋中脊或中央海岭是世界大洋中最宏伟的地貌单元。它隆起于海洋底中央部分，贯穿整个世界大洋，成为一个具有全球规模的洋底山脉，大洋中脊总长约80000公里，相当于陆上所有山脉长度的总和；面积约1.2亿平方公里，约占世界海洋总面积的32.7％。洋中脊的顶部和基部之间的深度落差平均1500米。 4、海　沟海沟主要分布在大陆边缘与大洋盆地交接处，是海洋中最深区域，深度一般超过6000米。世界海洋总共有30多条海沟，约有20条位于太平洋，大多数海沟沿着大陆边缘或岛链伸展，宽度小于120公里，深度达6—11公里；深度大于1万米的海沟有马里亚纳海沟、汤加海沟、千岛-勘察加海沟、菲律宾海沟、克马德克海沟，均位于太平洋。其中，马里亚纳海沟的查林杰海渊深达11034米，是迄今所知海洋中的最大深度。 （二）海水运动结构广阔无垠的海洋，永远处于不停的运动之中。水的运动不仅仅发生在表层，而且直到近底层的深处。水的移动不仅可以在水平方向上，而且也发生在垂直方向上。海水的运动不仅是输送水量，而同时输送能量和物质促进了海洋生态的良性循环和影响着全球的气候和天气。引起海水运动的原因很多。其中主要有：天体作用、太阳辐射作用、大气压力梯度等等，使海水运动形成多种多样的结构形式，但海水运动结构主要有：规模宏大首尾相接的洋流系统；周期性涨落和水平运动的潮汐系统；澎湃激荡的波浪系统；永无休止的混合系统。对它们进行研究，由分析到综合，最后达到认识海水总的运动规律的目的。 4.2海水的运动P135－144本节内容主要参照《自然地理学》“4.3海水的运动”一节。海水的运动形式多种多样，其中波浪、潮汐、洋流是海水运动的三种普遍形式。一、波浪（wave)P137－139二、潮汐（tide,morningandeveningtide）P135－137三、洋流（Oceancurrent）P139－144四、复习思考题 一、波浪（wave)P137－139（一）波浪及其形成波浪——是指发生在海洋、湖泊、水库等有宽敞水面的水体中的波动现象，其显著特点是水面呈周期性起伏。波浪发生时，好象是水体向前移动，但实质上是波形的传播，而并非是水质点的向前移动。 当水体表层或内部受到风力、地震等外力作用时，水质点便离开原来的平衡位置而运动，但在内力（如重力、表面张力、水压力等）作用下，水质点又有恢复到原来平衡位置的趋势。因此，水质点便在其平衡位置附近作周期性的封闭圆周运动或接近封闭的圆周运动。这种水质点在其平衡位置附近作周期性的往复运动称为水质点的振动。由于惯性作用，水质点的振动保持着并通过四周的水质点向外传播，引起水面周期性的起伏，便形成波浪。可见，波浪的实质是波形的传播，而非水质点的向前移动。水质点只在其平衡位置附近作周期性的振动，水质点的振动在水体中的传播，引起水面周期性的起伏形成波浪。 （二）波浪要素1、波浪的形态要素：有波峰与波顶、波谷与波底、波高和波幅、波坡、波长、波陡、波向线和波峰线等（图5．33）。波峰是静水面以上的波浪部分。波顶是波峰或波面的最高点。波谷是静水面以下的波浪部分。波底是波谷或波面的最低点。描述波浪形状、尺度和运动特性的物理量称为波浪要素 1、波浪的形态要素（续）：波高h，是相邻波顶与波底之间的垂直距离。波幅，是指波高的一半即波浪振幅。波长，是相邻波顶（或波底）间的水平距离。波陡，波高h与半个波长1/2之比值。波峰线，是指垂直波浪传播方向上各波顶的连线，可以是直线、曲线，也可以高低起伏。波向线，是指波浪传播的方向线或引起波浪力的方向，与波峰线垂直。 2、波浪的运动要素有波长　　、波速C、波浪周期　　　。波长，是相邻波顶（或波底）间的水平距离。波速C，指波形移动的速度，单位m/s。波浪周期　　，指波形传播一个波长所需的时间，以秒计。三者关系： （三）波浪分类波浪从不同角度有不同分类。1、根据成因分类（1）风浪（摩擦浪）和涌浪①风浪指在风力直接作用下引起的海面波动即风力作用引起的波浪。风浪的典型特点是：波形两侧不对称，迎风面坡度比背风面小。风浪的大小主要取决于风速即风力大小。至少要有多大的风速才能产生风浪，看法不一。一般认为引起风浪的临界风速为0.7－1.3m/s。空气在海面上的流动，借助于对海面的摩擦力而引起海面的波动，并通过对迎风波面上的正压力和切应力将风能传给波浪，推动着波浪的发展。 风浪从风获得能量而生成、发展，同时又由于种种过程而消耗能量。风浪的生成、发展和消衰，取决于能量的摄取和消耗之间对比关系。当能量的收入大于支出时，风浪就成长、发展；反之，风浪将逐渐趋于衰退。风浪的大小不仅取决于风速（风力大小），而且还与风作用的时间（风时）、风作用的海区范围（风区）以及海区的形态特征，是各影响因素综合作用的结果。一般地风力越大，风区越宽广，风时越长，水深越深，风浪就越大。一般地讲，中、高纬海区多风浪。最大风浪带发生在南半球的西风带，因为这里西风强劲而稳定，三大洋又连成一片，故有“咆哮四十”之称。 ②涌浪当风力减弱或平息后继续存在的波浪，或者风浪离开风区向远处传播的波浪称为涌浪，简称涌。涌浪的特点：波峰比较圆滑，波形两侧对称，波高小，波长和周期长。 （2）海啸（tsunami;seismicseawave）指由火山爆发、地震或风暴等引起的巨浪。分地震海啸和风暴海啸两种。①地震海啸：指由海底或海边地震、火山爆发以及海中的核爆炸等引起的长周期波动，其周期为数分钟至数十分钟不等。海啸的特点：具有长波性质，波长长、波速快，到浅海区波高很大，破坏力惊人。②风暴海啸（风暴潮）:指由台风、强低压、强寒潮或地方性风系所引起的海洋巨浪。风暴潮常伴随强台风或寒潮大风等天气而来，使沿海附近造成异常的增水或减水。 内波：发生在海水的内部，由两种密度不同的海水作相对运动而引起的波动现象。潮波：海水在引潮力作用下产生的波浪。 海啸：由火山、地震或风暴等引起的巨浪。 破坏性的地震海啸，只在地震构造运动出现垂直断层，震源深度小于20—50公里，而里氏震级大于6.5的条件下才能发生。没有海底变形的地震冲击或海底的弹性震动，可引起较弱的海啸。在绝大多数情况下，海啸源地的海底断层呈狭带状。在水深急剧变化或海底起伏很大的局部海区，会出现海啸波的反射现象。在大陆架或海岸附近，海啸在传播过程中遇到海岸边界、海岛、半岛、海角等障碍物时，还会产生绕射。海啸进入大陆架后，因深度急聚变浅，能量集中，引起振幅增大，并能诱发出以边缘波形式传播的一类长波。当海啸进入海湾以后波高骤然增大，特别是在V型（三角型或漏斗型）的湾口处更是如此。这时湾顶的波高通常为海湾入口处的3—4倍。在U型海湾，湾顶的波高约为入口处的2倍。在袋状的湾口，湾顶的波高可低于平均波高。海啸波在湾口和湾内反复发生反射时，往往诱发出湾内海水的固有振动，使波高激增。这时可出现波高为10—15米的大波和造成波峰倒卷，甚至发生水滴溅出海面的现象。溅出的水珠有时可高达50米以上。 世界上有记载的由大地震引起的海啸，80％以上发生在太平洋地区。在环太平洋地震带的西北太平洋海域，更是发生地震海啸的集中区域。海啸主要分布在日本太平洋沿岸、夏威夷群岛、中南美和北美。中国是一个多地震国，但海啸却不多见。从海面到海底，海啸的流速几乎是一致的。当它传播到近岸处时，海水的流速很大（若波高为10米，流速也大致为10米/秒），骤然形成“水墙”，伴随着隆隆巨响，汹涌地冲向海岸，它可以使堤岸决口。若最先到达的是波谷，则水位骤落，可看见从未裸露的水下礁石。几乎所有的海啸灾害都是由最初2—3级波所造成的。（表4-7）海啸灾害常发生在第一波到达岸边几个小时内。海啸破坏力很大，1960年5月23日在智利发生的海啸，曾把夏威夷群岛希洛湾内护岸砌壁的约10吨重的巨大玄武岩块翻转，抛到100米外的地方。海啸给沿岸地区的人、畜、树木、房屋建筑、港湾设施、船舶和海上建筑物等造成的严重灾害，往往大于地震灾害。 2005年9月26日，18号台风“达维”卷起的大浪冲击着海口的海堤 潮波、气压波与船行波（3）潮波指由天体（太阳、月球等）引潮力引起的海面波动，是一种长周期波。（4）气压波指某一海区气压突变或暴雨集中等因素引起的波浪。事实上，气压突变引起的风暴潮是一种气压波。（5）船行波因行船作用引起的波浪。 2、按波长λ与水深Z间的相对关系分类（1）深水波指水深Z大于1/2波长λ的波，也称短波。水质点运动轨迹为圆形。（2）浅水波指水深在λ/25λ/2）深水波余摆线理论是从以下几个假定条件出发的：①海是无限深广的；②海水是由许多水质点组成的，它们之间没有内摩擦力存在；③参加波动的一切水质点均作圆周轨迹运动，并且当水质点作圆周轨迹运动时，在水平方向上，它们的半径相等，在垂直方向上，则自水面以下逐渐减少，在波动前位于同一直线上的一切水质点，在波动时角速度均相等。这样波浪发生时，水质点在其平衡位置附近运动，水质点未前进，只是波形向前传递，如此所形成的波形曲线是余摆线（图5．34）。对水深Z>λ/2的深水余摆线波具有以下特点： （1）波浪前进时，洋面上的每个水质点都沿直径和波高相等的垂直圆形轨道运动。波峰上水质点运动方向与波浪前进方向一致，而在波谷中水质点运动方向与波浪前进方向相反。水质点运动一周的距离等于1个波长，水质点运动的轨迹圆半径等于波幅，直径为波高，水质点运行一周的时间即振动周期等于波浪周期。 （2）波动的铅直变化在铅直方向上，水质点运动的圆形轨道直径和波高随深度增加循指数规律递减，而波长、周期和波速不变。某深度Z处水质点运动轨道半径r可表示为：式中：rz为z水深处水质点的运动半径；r0为表面水质点运动半径；e为自然对数的底数；为圆周率；λ为波长；z为水深。 令Z＝λ/2，则r=r0/23（波动已很微弱）Z＝λ，r=r0/512；Z＝2λ，r=r0/30万。对于波高为10m，波长为200m的波浪，在相当于1个波长的深度处，半径减小到10mm，这时水质点已接近静止状态。据目前所知，最大波长可达400m，甚至824m，因此波浪的最大影响深度可达400－800m。对于数千米的大洋，波浪只集中在洋面附近。总之，深水波的波动主要集中在洋面附近，在半个波长的深度处波动已很微弱，在1个波长的水深处波动几乎停息。这个深度称为波浪底部，即波浪能量向深处传递的极限。 （3）深水波的波速C只与波长λ有关，与水深无关。有g为重力加速度。可见，只要知道一个要素，便可推知其他两个要素。 2、有限水深的余摆线波（椭圆余摆线波）λ/25