1、本科毕业论文（20 届）东中国海海表热通量的计算与分析所在学院 专业班级 海洋科学 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I目录目录 .I摘要 .IIAbstract.III1. 引言 .11.1. 海表热通量分量特性及计算 .11.2. 国内外研究情况 .31.3. 本文的研究工作 .52. 数据及分析 .72.1. 数据的来源 .72.2. 处理的软件 .82.3. 处理过程 .82.3.1. 建立研究区域的网格 .82.3.2. 处理数据 .92.3.3. 插值的研究区域 .113. 结果分析 .123.1. 海表热通量时空变化 .123.2. 海表热通量年变化 .134.
2、总结与展望 .164.1. 结论 .164.2. 展望 .16参考文献 .17致谢 .18II东中国海海表热通量的计算与分析摘要本文在回顾前人研究的基础上，阐述了热通量的相关知识，从海表热通量随时间变化角度对东中国海海表热通量进行研究，同时也分析了其空间特征。利用已有的太阳短波辐射、净长波辐射等数据（NOAA）进行 Matlab 绘图，并对数据进行处理，图形进行系统分析。分析结果显示，东中国海海表热通量有很明显的季节变化，其时间变化特征基本为冬季失热最大，夏季得热最大。从冬季的失热到春季的平衡，再到夏季的得热，最后是秋季的稳定，在年尺度上，东中国海海气热通量交换处于一个循环状态。东中国海海表热
3、通量还有明显的空间分布特征，其海表热通量的异常分布与黑潮的走向相一致。关键词：东中国海，热通量，时间变化，空间特征IIIThe calculation and analysis of surface heat flux in the East China SeaAbstractThis paper elaborates some knowledge about heat flux on the basic of the previous studies. The study of the surface heat flux on the East China sea is on the poi
4、nt of sea surface temperature varieties among with the time, also have an analysis about the spatial characteristics. Using the existing data such as solar radiation、net longwave radiation (from NOAA) to make some figures with Matlab, before that we should do some work about the data,then we analysi
5、s these figures systematically. The results show that the sea surface heat flux exchange in the East China has a clear seasonal variation. When it is in winter, the sea surface is in a state which losses temperature most, but in summer it gets the most heat. And the heat flux is in a circulation sta
6、te from spring to winter. Except for the time chang, the surface heat flux also have a spitial characteristics. The distribution about the difference among flux in the figure have the same path with Kuroshio.Key words： East China Sea, heat flux, time variation, spatial characteristics11. 引言随着人类生活水平的
7、提高和人口的不断增加，气候的异常越来越引起整个社会的关注。气候系统的各个组成部分之间存在着复杂相互作用过程，其中海-气相互作用过程对全球气候变化的影响越来越明显，最直观显著的表现形式为 ENSO 事件的频繁发生。海-气相互作用已成为研究气候变化的一个世界性的前沿课题。其中海-气界面通量的交换是海- 气相互作用的关键环节，海-气相互作用主要是在海表面发生的。因此说明海-气界面热通量交换的基本特点，是我们研究相关海洋工作的基础。在海气相互作用过程中，热带大洋的作用尤为重要。ENSO 事件是热带太平洋海温变化的最显著显示，所以研究海面热通量可以用于预报各种灾害，因此研究海表热通量的变化在多年前已被各
8、学者所重视。1.1. 海表热通量分量特性及计算众所周知，大约一半的太阳能被海洋和陆地吸收，这些能量都暂时被储存在表面，只有大约 20%的太阳能直接被大气吸收。被海洋吸收的太阳能大部分都通过蒸发和红外辐射等形式释放到大气中，当然还有对流的影响，尤其是在中纬度地区。由于进出海表面的热通量之间的不平衡，所以在一特定海域特定时间内，其海面可能处于失热状态，也可能是得热状态，即存在一净热通量数值。整个世界大洋的海表热通量处于一个平衡的状态，热通量数值为零。进出海表面的热量收支对海域的温度及气候变化都有严重的影响，而且热量的交换主要是在海面上进行的，所以研究海表面的热量交换对海域的气候变化有一定的科学意义
9、。影响海表热通量的因素很多，我们所要研究的主要是太阳短波辐射，海面长波辐射，海洋与大气之间的感热通量与潜热通量，以及平流。他们影响海表热通量的机制是不同的。但是我们可以用下面的计算公式来计算海表热通量的值：Q=QswQlwQsQlQv其中 Q 表示净海表热通量，单位是 watts/m2。Qsw 表示太阳短波辐射，Qlw 表示净海面长波辐射，Qs 表示感热通量，Ql 表示潜热通量，Qv 表示平流。2接下来分析各主要影响因素对海表热通量的影响。首先是太阳短波辐射。太阳辐射主要取决于纬度，季节，时间，和云量。极地地区得到热量比热带少，同一区域，冬季得热比夏季少，同样的清晨时分得热比中午时分少，阴天得
10、到的热量比晴天少的多。我们在详细地说明一下影响因子，其一是海平面以上的太阳高度，这主要取决于纬度，季节，时间，需要注意的是晚上没有太阳辐射。其二是取决于纬度和季节的日时间长短。第三个是吸收太阳光的表面横断面的面积，主要依靠于太阳高度。第四个是依赖于太阳高度角和海面粗糙度的表面反射。最后是一些衰减因素，比如说具有吸收和散射作用的云量，尘埃以及大气通道长等。因此真正进入海洋的部分可以用下面的经验公式：Qsw=Qso(1-0.7C)(1-As)计算得到。式中，Qso 是晴空无云是到达海面的总辐射量，C 为云量，数值介于01，As 表示海面反射率。计算得到的年均太阳辐射量值是 30 watts/m2
11、Qsw 260 watts/m2 。 同样的是净长波辐射，根据思维定律，它向大气辐射最强的波长 2898(273十 174) 10( )，因此称为长波辐射。影响净长波辐射的因素有：云厚度，因为云m越厚，逃离进海面的热通量就越少。还有就是云高度，这决定了云将热量反射回海面的温度，这反射率与 t4 成比例，其中 t 表示的是在开尔文体系下辐射体的温度。高处的云的温度比低处的低。大气中水汽的含量同样影响净长波辐射数值，大气越潮湿，逃离进海面的热通量就越少。同样的是水温，水温越高，辐射越强。当然还有海冰等因素的影响。在狭窄的范围内，我们可以根据各种已有数据和公式等，计算得到的年均净长波辐射是 60 w
12、atts/m2 Qlw 30 watts/m2。最后需要了解的是感热通量与潜热通量。海水的蒸发和水汽的凝结本来是个可逆过程。感热通量主要是受到风速和相对湿度的影响，大风和干燥空气条件下蒸发强度要比弱风及 100%湿度时强的多。在极地区，冰覆盖区域的蒸发强度比外海小很多。海面上的风加大了海洋与大气之间的热量交换，同时，海风还会掀起海浪，加大了蒸发的面积。当然，进一步的我们也知道蒸发速率是很不稳定的，随着季节变化非常明显。潜热通量主要是受到风速和海气温差影响，大风和大的海气温差会引起巨大的热通量。其风速影响与感热通量一样。3由于应用各种辐射计进行现场测量感热通量和潜热通量的开销非常巨大，所以我们通
13、常应用块体公式来计算两者的数值。块体公式如下： 210aT=DCUpsasQt10ELalq其中 Cp 表示空气比热容，数值为 1030 J.kg-1.k-1，CD 表示拖曳系数，其数值是（0.50+0.071U10） 10-3，Cl 和 Cs 分别表示感热转换系数和潜热转换系数，其数值分别是 1.2 10-3 和 1.0 10-3，LE 表示蒸发热， qa 和 qs 分别表示海面上 10 米处大气比湿和海表面的大气比湿，ta 和 ts 分别表示海面上 10 米处的大气温度和海表面的大气温度，U10 表示海面上 10 米处的风速， 表示大气密度。根据上面的块体公式，我们计算得到感热通量和潜热通
14、量a的数值范围分别是 130 watts/m2 Ql 10 watts/m2 和 42 watts/m2 Qs 2 watts/m2。我们可以很明显的看到。四个主要影响因子中，只有太阳辐射量值是大于零的，其他三个的数值均小于零。1.2. 国内外研究情况中国海岸线宽广，研究海洋各种通量的情况有助于我们了解海洋基本情况，有助于我们预报各种海洋灾害。其中海-气相互作用过程对全球气候变化的影响非常大，大家都非常了解的一种灾害就是 ENSO，它给我们带来了巨大的灾难，因此研究海-气相互作用已成为研究气候变化的一个世界性的课题。当然我们知道海气相互作用的一个重要指标就是海气界面上各种通量的变化，研究个通量
15、的变化可以帮助我们解释一些自然的和非自然的现象，是我们进一步了解海洋、分析海洋、预报海洋的基础。在海气相互作用过程中，热带大洋的作用非常明显，众所周知的 ENSO 事件的一个重要指标就是热带太平洋的海温变化，知道海温的异常变化，就可以提前做好预防措施。因此，研究海面热通量的重要性在多年前就已被世界广大海洋方面的学者所公认。我国科学家对于海气热通量的研究起步比较晚，研究区域基本上就在西太平洋及中4国近海，主要研究的就是局部海域。随着全球气候变暖，海洋平均温度逐渐升高，厄尔尼诺事件等的频繁发生，使得越来越多的科学家加目光集中于研究海气通量变化上。作为太平洋的西边界以及与人类生活的陆地紧密相连的边缘
16、海，东中国海的长期变化颇受关注。一些研究表明，在过去的几十年当中，渤、黄、东海的海表温度也表现出相当程度的升高。实际上，由于观测资料的缺乏，关于黄、东海长期气候变化趋势的研究到目前为止还比较少，已有的研究也不够全面。东中国海东部是西太平洋，西边接壤欧亚大陆，气候变化非常复杂，其海气相互作用过程受陆地、海洋和季风变化的三重影响，研究东中国海及其邻近海域海气热通量的变化特征对于认识该海域的热力变异在中国东部大陆气候变化中的作用有重要意义。由于太阳辐射的影响，东中国海海表面温度随纬度从南到北逐渐降低，由于黑潮携带大量的暖水，东海表层温度呈东北-西南走向，使黑潮及其延伸体区成为太平洋尤其是在冬季失热最
17、多的海域（Wyrtki，1965） 。受东亚季风的影响，东中国海海域冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，春季开始季风交替。随着季节的变化，风向也发生变化，同时影响着海洋及陆地上其他物理因素的变化。国内的研究虽然起步较晚，但是已有部分成绩。其中，于非和许一对东海海表面温度的长期变化趋势进行了研究，他们利用美国 NOAA 极轨卫星上的高级甚高分辨率辐射计（AVHRR ）来反演的海表面温度，研究了近 13 年的海表热通量变化。但是由于数值资料本身有很多的缺值，采用一系列方法计算差值后，存在一定的误差。他们研究发现，东海海温很大程度上受到黑潮的影响，其温度走向与黑潮相一致，东海海表面温度基本也呈东北- 西
18、南走向，由黑潮区向东海西北部逐渐递减。同时他们还发现东海海表面温度有很强的季节变化特征。在冬季，可以明显地看到东海东北部区域有一暖水舌插入黄海，春季该现象减弱，而夏、秋季不明显。同样的，冯琳，林霄沛也就东中国海海表温度长期变化趋势进行了研究，他们研究了 62 年之久的海面温度，发现东中国海海温具有非常明显的与太平洋相似的长期升高变化趋势。综合考虑各个因素的作用，他们认为太平洋的长期变化极有可能间接地影响了东中国海海温长期升高。周明煜和钱粉兰对中国近海感热和潜热通量的季节变化和地理分布特征进行了分析，指出中国近海感热通量在冬、秋季较大，在春、夏季较小；其地理分布特点在黑潮区域较大。随纬度变化十分
19、明显，纬度越高感热通量越大。在秋冬5季节，中国近海的热通量在黑潮区域最大。同时，国外也有很多学者就东中国海海域的热通量情况进行研究。其中Kondo（1976）首先用大气质量转换实验（Air Mass Transformation Experiments）的结果研究了东中国海和黄海的热量平衡。结果表明沿黑潮海流海洋向大气有很强的失热，尤其是在冬季。这与 Wyrtki（1965）的研究结果一致， Wyrtki（1965）发现黑潮是太平洋尤其是在冬季失热最多的海区。Hirose 等（1999）用数据分析和数值模拟方式计算了东中国海和黄海的海表热通量，数据分析的结果比直接观测的太阳辐射和以前关于海表热
20、通量的模拟更加合理，并与 RIAMON（Lee，1996）的模式结果分析比较对 SST 的影响。Chu 等（ 2005）利用美国海军海洋观测数据集（MOODS） ，通过分析 1945-1989 年COADS 热通量资料，分析了海气界面通量变化，其研究表明夏季温度最高，冬季温度最低。但是他们并没有在此基础上进一步深入研究黑潮海域温度季节变化的成因。针对中国东部陆架边缘海的海表面热通量的变化特征，在国内外有一些研究工作（Kondo，1976；Na 等， 1999；Hirose 等，1999） ，这些研究的结果也并不一致，主要是由于数据的限制和不精确以及经验公式的不确定性造成了差别。 综上所述，中国
21、近海的年际和年代际变率对我国气候具有重要影响，开展近海年际和年代际变率机理的研究，对于理解全球和我国气候异常具有重要意义。但是关于该问题的讨论，却受到资料短缺的影响，目前的全球海洋观测资料在时空分布上都难以满足研究工作的需要。基于观测资料和耦合模式的分析指出，虽然潜热通量对中国近海年际尺度上的变率贡献显著，但主要还是海洋对大气强迫的动力响应的结果;关于近海的年代际变率，海气热通量交换异常在其中发挥着重要作用，其中短波辐射和长波辐射占主导作用，而潜热通量的贡献则基本可以忽略。总体而言，当前关于中国近海的气候变率机制的讨论，相对于热带要少得多。1.3. 本文的研究工作查阅相关的文献之后发现，有关海
22、气热通量的时空变化特征及其对气候变化研究还存在较大的不足，海气热通量各种周期信号（ENSO）的变化及其与气候异常之间的关系分析较少，还有以往关于东中国海海表热通量季节变化的研究大多存在时间上不连续或空间分辨率不高等问题，并且关于东中国海海域海表面温度季节变化的影响因素分析尚6不清楚。因此，为了更好的理解东中国海海表面热通量的季节变化特征，同时还有空间上的变化特征，我们需要对东中国海海表面热通量的季节变化进行分析，分别从时间和空间角度来剖析。本文研究的内容海表热通量是本科阶段物理海洋学重要学习内容，主要目的是为了提高学生对海表热通量的认识，提高学生处理分析数据的能，并能将所学知识应用于实际，分析数据能得到有意义的结果。本文的主要内容是在熟悉热通量相关知识（净长波辐射、太阳短波辐射、感热、潜热、 ）的基础上，下载东中国海热通量的相关数据，运用插值、平滑等数据处理方法对下载数据进行处理，再运用 Matlab 软件对数据进行绘图，最后分析所得的结果。分别从时间角度和空间角度来分析，发现它的季节变化，空间变化等显著性内容。本文结构安排如下，第一部分主要介绍相关基础性知识及国内外已有的相关研究，为下面的分析提供借鉴的作用。第二部分主要是介绍数据的来源、处理的软件及相应的处理过程。第三部分主要是数据结果的一个分析过程。最后一个部分就是对前面工作的一个总结，对以后工作的一个展望。
