海洋输运过程.ppt
第13章海洋输运过程,第13章内容,海水中存在各种各样的流动过程，海水中的物质随着海水的流动而迁移，称为输运过程（transportation process），也称为输送过程。物质在海水中的存在状况是各种各样的，有的融解于海水，有的悬浮在海水之中，有的漂浮在海面之上，有的时而悬浮时而沉降。这些物质与海水运动相联系，形成了海水的输运能力。不同物质的输运过程可以很不相同，同一流场中也可以发生多种物质输运过程。广义的物质浓度变化都是用浓度方程来表达的，求解浓度方程的过程可以获得浓度的空间分布和时间变化，这些变化已经体现了流动对浓度分布的贡献。然而，求解浓度方程并不能直接给出物质输运量，物质输运还是要用流场和浓度场的结果另行计算。本章将分析各种输运过程，明确输运过程的表达方法，介绍输运过程在物理海洋学中的作用。,第13章内容,13-1 融解物质输运13-2 淡水输运13-3 动力沉积13-4 中尺度涡输运13-5 物质输运对环境的影响13-6 物质输运的若干问题,13-1 融解物质输运,海水体积的输运如果把海水看做一种物质，则物质输运过程包括对海水的输运。描写海水输运的物理量就是海水通量，定义为通过某一断面的体积通量（流量）或质量通量，体积通量 质量通量（单位：m3/s）（单位：kg/s）其中，为海水密度，vn为垂直于断面的流速分量，A为断面的面积。海水的流量非常大，例如，太平洋西边界流黑潮的流量达到50Sv以上，比长江的流量大1600倍。海水的流动形成的海水的输运能力，形成各种尺度的海水循环。如果不考虑海水密度的差异，对海水循环的描述主要用体积通量，因为从体积通量可以轻易地转换为质量通量。海水密度的变化主要发生在千分位，对估算海洋质量通量的影响很小。,海水热量的输运具有一定温度的水体携带特定的热量，水体的输运过程导致了热量的输运。热量的输运是海洋温度分布的基础运动形式，对全球海洋的水团结构及其对气候系统的形成发挥了重要作用。与体积输运的形式相似，用热通量来描述海水热量的输运，热通量（单位：J/s或者W）热量是一种特殊的物质，是以热形式存在于海水中的能量，本身没有质量，因此没有质量通量。热量是不保守的物质，在输运过程中会与周边海水和海气界面交换热量。,海水盐度的输运另一个典型的融解物质是盐分，以离子形式存在于海水中。盐度的定义为每千克海水中溶解无机盐类的克数，盐度与密度的乘积表达了单位体积水体中无机盐类的公斤数。水体的输运过程也形成了盐度通量，表达为 盐度通量（单位：kg/s）可见，盐度通量是物质的质量通量。如果不用密度，则盐度通量为盐分体积的通量。由于无法知道盐分的密度，得到盐分的体积通量是没有意义的。因此，物质输运用单位时间通过的质量是很有应用价值的定义。,其他融解物质的输运除了盐度之外，海水中各种溶解物质，其输运特性与盐度的表达方式一致，即需要知道物质的浓度。物质在溶液中的浓度有多种定义，物理海洋学中常用的有两类：“质量浓度（Cm）”是指溶质的质量占全部溶液质量的百分比，单位用%表示，盐度的表达方式就是盐分的质量浓度。“质量-体积浓度（Cv）”指单位体积溶液中所含的溶质质量，单位为kg/m3。为了将物质通量表达为单位时间通过的质量，相对于这两种浓度定义，物质输运的质量通量定义为 物质通量（单位：kg/s）,融解物质的垂向输运海洋中的融解物质除了在水平方向上输运之外，还发生垂直方向的输运，融解物质的垂向输运由海洋的上升流和下降流来实现。上层海洋中的营养物质供养着海洋中庞大的生物系统，生物的繁殖导致营养物质的消耗，因而上层海洋的营养物质含量总是很低。而在深海，营养物质丰富。海洋上升流将深层海水带到海洋表面，同时将营养物质输送到海面，增加了海洋中营养物质的丰度，供养更大的生物种群。因此，存在上升流的海域通常都是重要的渔场。营养盐垂向通量（单位：kg/s）其中，w为流速的垂向分量，A为水平范围的面积。,13-2 淡水输运,如果将入海淡水看做是一种特殊的物质，淡水输运是一种特殊的输运方式。在海洋中，淡水的密度小，往往只存在于海洋表面和次表层，受风浪的作用混合到一定的深度，又受风的输运作用向远处移动。世界上的淡水90%以上封闭于大陆冰川和地下水，只有不到10%的淡水资源成为江河湖海中可用的淡水源。进入海洋中的淡水主要有三个来源：径流、降雨和海冰融化。其中，直接降到海面的降雨由海面进入海洋，河流的径流由海洋的边界进入海洋，而海冰的融化也增加了淡水的含量。在两级海域，冬季海面结冰，一部分淡水转化为固体，夏季又有部分海冰融解为淡水。另外，海面在夏季的蒸发将减少海洋的淡水含量，在中纬度海域，一个夏季海洋表面的蒸发量可以达到1m以上，对海洋的盐度影响很大。在热带，由于蒸发强烈，海表的盐度可以高达36以上。而在大陆附近，由于有河流径流注入，形成大范围的冲淡水，近岸海域海水的盐度较低。,海洋中的淡水的两种定义,绝对淡水，定义海水是由纯水（H2O）+海水中的盐分S组成的。盐度S部分是由海盐构成的，而(1-S)部分是由淡水组成的。这种定义被用于通过垂直断面的淡水通量的计算。淡水通量为 绝对淡水通量（单位：m3/s）相对淡水的定义要求给定一个参考盐度，将高于参考盐度的水视为海水，低于参考盐度的海水中包含部分淡水。设海水的盐度为S，参考海水的盐度为Sref，则海水的比例为S/Sref，淡水的比例为(Sref-S)/Sref。参考盐度实际上定义了一个区域海水的最低盐度，低于这个盐度就认为有淡水掺混到海水中。在垂直断面上对盐度大于参考盐度的水体进行积分，得到的淡水通量为：相对淡水通量（单位：m3/s）其中，在垂直方向的积分为从海面积分到盐度等于参考盐度所在的深度。,绝对淡水通量相当于将海水中的盐分去除后的体积通量，计算的淡水实际上绝大部分是海水，故而在计算混合在海水中的淡水时不能采用绝对淡水的定义，而是要采用相对淡水的定义。如果参考盐度选取合理，相对淡水通量比较可靠地代表了混合到海水中的淡水通量，即淡水输运量，用于区域性淡水收支的计算。,海冰的淡水输运,一种特殊的淡水通量是海冰的体积通量。计算海冰的淡水通量需要用绝对淡水的定义，将其中的盐度换为海冰的盐度。海冰的盐度不大，夏季通常低于3。需要注意的是，上式只能表达海冰密集度Ci为1的情况，当海冰密集度小于1的时候，厚度为h的海冰的体积通量为 海冰淡水通量（单位：m3/s）虽然海冰的厚度远小于海洋上层海洋的厚度，但由于海冰的盐度小，2m厚的海冰输运的淡水相当于上层数十米厚度的海水层输运的淡水量。,13-3 动力沉积,海洋中有些颗粒状物质一方面受海水运动的影响而发生输运，另一方面在适宜的条件下会脱离水体，这些物质的运动过程称为动力沉积过程，是海洋中物质输运过程的重要组成部分。世界海洋的海底有着厚厚的沉积层，是来自大陆和空气中的物质沉降积聚的结果。海洋沉积物的来源主要有来自陆地的物质和来自海洋的物质。陆源物质主要是陆地岩石风化剥蚀的产物，如砾石、砂、粉砂和粘土等，还有火山喷发形成的尘埃和气溶胶。海洋物质主要是海水中由生物作用和化学作用形成的各种沉积物，如海洋生物的遗体和排泄物等。此外，还有来自宇宙的尘埃等。人类活动进入海洋的物质也在增加，如污染物质和投放的养殖饵料等。,在这些物质进入海洋之前，有各种不同的过程将其运送到海洋。为了区别于海洋的输运过程，我们将进入海洋之前的过程称为搬运过程。搬运过程主要有三种：陆源物质主要由河流搬运入海；风携带大量的微小颗粒物质远距离搬运到世界各地的海洋，通过海面进入海洋；在海冰覆盖的区域，陆缘冰和河冰会冻结较大的石块和其他陆源物质进入海洋，并搬运到远处的冰区，当海冰融化时进入海洋。进入海洋中的颗粒大、重量大的物质将直接就近沉积到海底，几乎不受海洋动力条件的影响。而细颗粒物质到达海中将受到海洋动力条件的作用，向远方输运。,河口附近的沉积由河流搬运入海的陆源物质主要是泥沙，绝大多数在河口区附近沉积下来。海水的携沙能力与流速有关，流速越大，携沙能力越大。河流在流动过程中流速高，具有很强大携带泥沙的能力，使大量泥沙随流而下。到达河口后，受海洋的阻拦，河流速度骤减，携沙能力大幅下降，泥沙迅速沉积下来。河流入海的泥沙密度大，进入海洋后迅速下沉，到达河口附近的海底。高密度的泥沙在河口附近形成密度流，也称异重流，沿海底向更深的水域流动，呈扇形向河口之外的海域扩展。河口入海的泥沙短时间内并不能形成稳定沉积，而是很容易受潮流的影响而发生移动。潮流的流速呈现周期性变化，在浅水水域，潮流强时携沙能力增大，可以使不稳定沉积的泥沙再悬浮起来，随潮流输运；当潮流减弱时，海水中的泥沙就会沉降到海底。潮流的周期性变化形成了未稳定沉积底质的间歇式输运。这种在海底附近随潮流间歇式移动的沉积物质在工程上称为推移质。随着进入海底物质量的增大，推移质厚度加大，不稳定沉积层底部的水逐渐排出，形成稳定的沉积层，长久沉积下来。在夏季丰水期入海物质多，可以迅速形成稳定沉积，成为河流造陆过程的重要组成部分。象黄河这样的高泥沙河流，每年都会由于泥沙的快速沉积形成新的陆地，使海岸线向外移动。,风暴是影响稳定沉积的重要因素。（1）风暴将更大的能量输入海洋，通过风暴的压力扰动将稳定沉积一段时间的沉积物再次掀起，使之重新回到不稳定沉积状况，这种情况通常称为风暴冲刷。（2）风暴引起的巨浪作用在海岸上，会使岸线附近稳定沉积破坏掉，使一些稳定沉积的泥沙回到海洋，这个过程成为岸线侵蚀。冲刷和侵蚀是近岸海域沉积过程的破坏性因素。,影响沉积的其他因素,悬浮在海水中的泥沙称为悬移质。一些密度低的细小泥沙颗粒可以长期悬浮在海水中，随海水的运动而移动。更多的悬移质是细颗粒的泥沙，能够使这些泥沙悬浮的最小流速为启动流速。当潮流速度达到启动流速后，这些泥沙悬浮到海水中；而当潮流速度低于启动流速后，这些泥沙再次沉降到海底。因此，悬移质和推移质频繁发生物质交换，沉积泥沙在悬移质和推移质之间依潮周期进行转换。近岸海域的潮流呈现往复式运动，悬浮泥沙随往复式潮流在沿岸水域运动，并沿着余流的方向向远离河口的方向输运，形成沿岸的浑浊水带，称为冲淡水。冲淡水可以运移到远离河口的海域。流量大的江河冲淡水除了沿岸输运之外，还会向远海扩展。长江冲淡水在沿岸方向可以扩展300km以上，在垂直于岸线的方向上也可以扩展到济州岛海域，甚至进入日本海。,陆架海域的沉积没有在近岸海域沉积下来的泥沙由海洋中的潮流和余流向远离海岸的方向输运。输运到远方的物质在冲淡水中以悬移质的形式存在。冲淡水携带的泥沙最终将在潮流较弱的海域结束悬浮状态，沉降到海底成为沉积物。远离海岸的海域水深较大，潮流较弱，为入海物质在陆架海域沉积创造了条件。泥沙颗粒越小，启动流速越小，就可以输送到更远的地方。因而，陆架海域的沉积是一个筛选过程，颗粒越大的泥沙沉积的范围越小，小颗粒泥沙的沉积范围较大。在风暴的强扰动情况下，陆架海域的沉积物也存在再次悬浮等问题，但随水深的增大，风暴的影响逐渐减小，因而有利于形成稳定的沉积层。,陆架海盆相互作用进入大洋中的物质主要来自陆架海域，陆架上河流入海的物质会向海盆中输运，称为陆架海盆相互作用，也称为陆海相互作用。陆架上的物质有几种方式进入深海。一种是继续以悬移质的方式运移，进入深海水体。当遇到强流时，加入强流向远方输运。离开强流带后，由于大洋海流流动弱，有利于悬移质的沉降，形成大洋沉积物。因此，大洋沉积物里也体现了洋流的运动特点，在古海洋学中可以通过沉积物的组分分析确认其来源和流路。沉积在陆架上的不稳定沉积物在遇到斜度较大的坡面、沟槽或海底峡谷时会顺坡而下，形成沿海底流动的密度流（有时称为浊流），直接进入深海，形成海底的陆源物质沉积区。切割陆架外缘和陆坡的海底峡谷就是输送沉积物的重要通道，在峡谷底部通常出现呈扇形的沉积区域，称为深海冲积扇。密度流是将沉积物从陆架边缘搬运到深海区的主要机制。陆架向海盆输送的不仅是泥沙，还有大量水体，含有来自陆源的丰富营养物质，成为大洋营养物质的重要来源。浩瀚的海洋中除了其内部生物量的转化之外，没有其他的营养物质来源，大洋中新增的营养物质几乎全部来自陆地。因此，陆架海盆相互作用是供养大洋的重要物质输运过程。,来自海洋表面的沉积除了来自陆源的沉积物之外，主要的沉积物质来自大气，大气可以搬运各种细小颗粒进入海洋。来自陆地上的尘土、来自沙漠的岩石碎屑、来自火山的火山灰和气溶胶、来自人类活动的炭黑颗粒等，都可以进入大气层，随风搬运到海洋上空。在适宜的气象条件下，大气携带的颗粒物质发生沉降，到达海面并进入海洋。能够由大气携带的物质都具有颗粒小的特点，在海洋中通常不会很快沉积下来，而是会随着洋流加入海洋循环。离开洋流之后，在相对平静的海洋条件下，逐渐下沉到达海底，形成海底的沉积层。因此，海底沉积物记录着历史上发生的重要大气过程，是我们研究古海洋学和古气候的重要数据源。,海洋生物物质的沉积海洋中生物繁殖过程产生大量物质，包括动植物的残骸，动物的粪便，植物的种子等。这些物质在海流较弱的时候也会向下沉降，到达海底形成沉积物。这些沉积物表征了不同种类海洋生物的生存区域，是研究历史上海洋生态过程的重要信息。更为重要的是，海洋浮游植物在繁殖过程中吸收二氧化碳，使海洋成为重要的碳汇，对减轻大气中二氧化碳含量发挥重要作用。浮游植物进入海洋生物的食物网，形成的海洋生态系统具有特定的固碳能力。然而，不论是浮游动植物的残骸还是海洋动物的粪便，一旦在海洋中被分解，吸收的二氧化碳又会释放出来，削弱海洋的碳吸收能力，称为生物地球化学循环。海洋沉积过程导致动植物残骸以颗粒有机碳的形式沉积到海底，长期埋藏起来，真正形成了海洋对大气二氧化碳的吸收。,沉积过程的度量海洋动力沉积过程输运的是不融解于水的颗粒物质。悬浮性颗粒物质的输运与溶解性物质的输运一样，也需要知道其“浓度”，单位为kg/m3，然后计算质量通量。当悬浮物与沉积物通过沉降与再悬浮过程相互转换时，悬浮性物质不仅有水平输运通量，而且有垂向输运通量。垂向输运通量表征了转换效率。了解各种物质在海洋中的沉积需要施放仪器到海底直接采集沉积物样品，通过对样品的分析，了解沉积物成分和结构。然而，如果需要了解沉积速率，需要在海洋中布放带有沉积物捕获器的潜标，直接采集下沉过程中的物质，直接测量沉积率。到达海底的不稳定沉积物质沿海底输运，形成推移输运和密度流输运。这两种输运方式还无法定量给出，因为缺乏有效的观测手段和研究手段。海底沉积物质不能融解于水，不能用海洋动力学方程组来描述。因此，我们对推移运动和密度流的了解很少。如果我们知道了近底流动的流速、物质浓度和流动的截面积，仍然可以计算这些物质的输运量。,各种沉积动力过程的差异,河口附近的沉积陆架海域的沉积陆架海盆相互作用来自海洋表面的沉积海洋生物物质的沉积沉积过程的度量,13-4 中尺度涡输运,大洋中存在的各式各样的中尺度涡，尺度在10-100km。中尺度涡的形态和产生机制在第7章做了介绍。这里，我们强调中尺度涡的输送功能。中尺度涡产生于流动的不稳定，从流动中分离出来。有的中尺度涡位置不变，这样的中尺度涡不具有输运功能，而有些中尺度涡则离开主流，向其他海域运动。中尺度涡在运移过程中携带了大量水体，一个水平尺度为50km，垂直尺度为100m的中尺度涡可以携带5106m3的水体，形成了海水的大规模输运。,中尺度涡的主要能量是其转动动能。有的中尺度涡在产生之后继续从主流撷取能量，维持自身的发展；而从主流分离出去的中尺度涡失去能量的持续供给，会逐渐走向消亡。中尺度涡在输送过程中与周围的流体有显著的流速梯度，加强了湍流运动，中尺度涡的动能通过湍流运动转化为热能，是中尺度涡的主要消亡机制。由于中尺度涡携带有大量动能，其消亡速度不会很快。有的中尺度涡在耗散性很强的环境中运移，由于失去了能量供给会较快消亡，平均寿命只有几天-十几天。而发生在极区的涡旋由于海水的耗散很弱，中尺度涡的寿命很长，观测到的最长寿命的涡大于半年。中尺度涡的运移规律还不是非常清楚，各种不同种类的中尺度涡运移机制很不相同。,中尺度涡对海洋中物质的混合有重要贡献。然而，中尺度涡主要起到输运作用，其本身并不直接参与混合，而是通过两种方式贡献于混合，一是在其运移过程中涡旋边缘与周边海水进行混合，二是涡旋消亡后逐渐与周边海水混合，改变了那里的海水性质。但是，从海洋整体运动来看，中尺度涡的输运作用极大地扩大了不同水体相互联系的尺度，相当于形成了海水更大范围的混合，因此，在理解上有人将中尺度涡输运的结果认为是大尺度混合的结果。虽然这种比拟在数学方法上是可以接受的，但在物理上是有问题的，因为中尺度涡不是随处存在的，其运移也不是各向同性的。在有些海域存在中尺度涡输运，有些海域没有。中尺度涡的输运作用还是其主要作用方式。,中尺度涡输运的表达方式,中尺度涡的输运特性决定了这种输运是间歇性的，如果只有一个涡到达，只能产生一次性的输运。如果有持续到达的中尺度涡，才能彻底改变一个海域的水体结构。对于连续输运的物质采用通量描述，对于特定长度的时间可以得到输运的总量，单位是kg。而对于中尺度涡，携带的物质总量可以直接通过浓度Cv对体积V的积分计算出来，即在一定的时间段，可以通过对每个中尺度涡输运量的积分来计算总输运量。,涡旋引起的水体输送,13-5 物质输运对环境的影响,海洋输运过程与海洋环境有密切关系。海洋中有各种各样的污染物质，主要包括：可溶性污染物以化学需氧量(COD)或生化需氧量(BOD)，重金属的污染物，轻质污染物（如溢油等）。海洋环境对污染物质有最大容忍度称为环境容量。环境容量定义为：在充分利用海洋的自净能力和不造成污染损害的前提下，某一特定海域所能容纳的污染物质的最大负荷量。环境容量愈大，可接纳的污染物就愈多。污染物质的浓度超过环境容量的限制就形成海洋污染。环境容量的大小由海域的自净能力确定。决定海洋自净能力的有两个主要因素，一个是海域流动对污染物质的转移能力，一个是生物过程对污染物质的降解能力。,流动对污染物质的转移能力主要由输运过程来实现。一个有较强净输出能力的海域将会把污染物质很快输送到海域之外，形成比较大的环境容量。然而，一个区域较强的净输出能力对相邻的区域就形成了较强的净输入能力，如果这个区域没有能力将这些输入的污染物质有效地排放出去，在该海域将形成污染加强的局面，使其环境容量减小。因此，输运过程只是将污染物质转移到其他地方，并不能减少海水中污染物质的量。比较特殊的是，动力沉积过程本身就包含污染物质的沉积，导致一部分污染物质脱离海水，在海底沉淀下来，减少了海水中污染物质的含量。但是，这种沉积也是污染物质转移的一种方式，暂时地减少了海水中的污染物，一旦遇到强风搅拌，沉积的污染物质会发生再悬浮，成为海域的重要污染源。而且，沉积到海底的污染物是潜在的危险，发生特殊情况时，污染物质还有可能再次释放到海洋中。真正能减少污染物质总量的是生物降解过程，可以将一些污染物还原成没有毒性的化学元素或化合物。,13-6 物质输运的若干问题,输运与平流的关系输运与扩散的关系输运与分散的关系欧拉输运与拉格朗日输运,输运与平流的关系对于融解物质的输运是以流动为基本载体的，以体积通量或质量通量为参量。在海洋动力学方程组和各种守恒方程中，都存在非线性项，称为平流项。由于平流项首先与流动本身有关，是受流动影响的项。同时，平流项又包含物质的梯度，如动量分量梯度、温度梯度、物质梯度等。平流项表达的是平流对广义浓度变化的贡献。例如：平流将温度不同的水体输运到某点，导致该点温度的变化。然而，如果物质是均匀的，即没有浓度的梯度，则平流项为零，意味着平流项对物质浓度的变化没有贡献。可是在这种情况下，物质输运仍然是存在的。因此，物质输运表达的是输运量或输运率，是平流的物理基础，而平流表达的是输运对浓度变化的影响。平流项是非线性项，是流动与浓度梯度的相互作用，对于动量情形，造成了不均匀动量的迁移；对于温度的情形，造成了不均匀热量的迁移；对于物质的情形，造成了不均匀物质的迁移。流动带动不均匀的物质移动，改变了不均匀物质的分布。,输运与扩散的关系输运与扩散的不同在于：输运只将物质输运到其他海域，而不改变物质内部的分布。而扩散改变物质内部的相对分布，不论这种物质漂流到什么地方。同理，平流与扩散的不同是，平流只将物质的空间不均匀性带到其他地方，而不改变物质的空间不均匀性；而扩散是削弱物质的空间不均匀性。在有些时候，有人将扩散过程也看做是一种输运过程，认为扩散过程也形成了物质事实上的输运。由于物理机理的差异，将输运与扩散区分开来有利于对两个不同过程的理解。,输运与分散的关系在环境研究中，用扩散过程的实际参数不足以描述物质的扩散速度，实际物质扩展到更大的空间主要是由于输运，而不是扩散。输运过程将物质输送到更远的地方，而扩散将其融于周边环境，形成了物质在更大范围的扩展，也就是说，输运和扩散同时发挥作用。为适应实际情况用分散系数表达实际的输运过程与扩散过程的联合作用。,欧拉输运与拉格朗日输运当我们计算或观测获得了欧拉流场之后，用来直接计算的输运都是欧拉输运。在潮流比较强的海域，由于存在斯托克斯漂流，漂浮在海面上或融解于上层海水中的物质往往不是欧拉输运，而是拉格朗日输运。在这种情况下，我们在本章的公式中的法向流速全部改为拉格朗日法向流速就可以满足计算拉格朗日输运的目的。,第13章内容,13-1 融解物质输运13-2 淡水输运13-3 动力沉积13-4 中尺度涡输运13-5 物质输运对环境的影响13-6 物质输运的若干问题,思考题,物质输运用什么物理量来表达？淡水输运如何计算？浓度为C的物质通量如何计算？海洋动力沉积有几种物质输送功能？中尺度涡的输运特点是什么？什么是欧拉输运，什么是拉格朗日输运？输运、扩散、分散、平流之间是什么关系？,
