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1、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
2、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 融解物质输运融解物质输运13-2 淡水输运淡水输运13-3 动力沉积动力沉积13-4 中尺度涡输运中尺度涡输运13-5 物质输运对环境的影响物质输运对环境的影响13-6 物质输运的若干问题物质输运的若干问题13-1 融解物质输运海水体积的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，体积通量体积通量 质量通量质量通量 （单位：m3/s）（单位：kg/s）其
3、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。dAvFnvdAvFnm海水热量的输运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
4、似，用热通量来描述海水热量的输运，热通量热通量 （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。dATvcFnph海水盐度的输运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
5、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。dASvFns其他融解物质的输运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 物质通量物质通量 （单位：kg/s）dAvCFnmcdAvC
6、Fnvc融解物质的垂向输运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。wdACFmn13-2 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
7、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
8、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
9、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。dAvSSFnrefrf)1(dAvSFnaf)1(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。
10、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。dAvSFnaf)1(dlvShCFniii)1(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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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。陆架海域的沉积陆架海域的沉积没有在近岸海域沉积下来的泥沙由
16、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
