海洋水文学
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第四节 海水的盐度

海水中的含盐量是海水浓度的标志,海洋中的许多现象和过程都与其分布和变化息息相关。但要精确地测定海水中的绝对盐量是一件十分困难的事情。长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨论,引进了“盐度”以近似地表示海水的含盐量。

一、盐度原始定义

盐度是海水中含盐量的一个标度。1902年首次定义为:1000g海水中的溴和碘全部被等当量的氯置换,而所有的碳酸盐转化为氧化物后,其所含无机盐的总克数。单位是克/千克(g/kg),以符号S‰表示。

按此定义测定盐度十分困难而且费时。戴特玛通过77种大洋海水样品分析研究,发现不管溶解在海水中盐量的绝对浓度如何,海水中的各种元素组成都是相似的,而且海水主要成分之间含量的相对比值是恒定的。海水成分恒定性给测定海水的盐度提供了较为方便的方法,即可用其中一种主要成分的含量来推算其他主要成分的含量。在海水固体溶解物中,氯离子约占55%左右,这种离子又可用硝酸银滴定法来测定。为此,便选用氯度作为推算其他主要成分含量的尺度,从而推算出盐度。

在1000g海水中,将溴和碘全部被等当量的氯置换时,其所含氯的总克数称为氯度,单位是克/千克(g/kg),符号为Cl‰。

盐度和氯度的关系为

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该实验式称为克努森(Knudsen)盐度公式或大洋盐度公式,按测定结果由海洋常用表查算。

二、电导盐度

大洋盐度公式是根据波罗的海和北海附近9个表层水样分析的结果,其代表性和准确性差,而且使盐度成为一种非保守性质。随着海洋研究的发展,愈益显示出它的局限性。因此,1966年,“国际海洋学常用表和标准联合专家小组”(JPOTS)根据精密测定和研究结果,在上述氯度定义的基础上,利用海水电导率(conductivity)随盐度而改变的性质,重新定义了海水的盐度,从1969年开始正式使用。

海水电导率是表示海水导电性能的物理量,定义为长1m,截面积为1m2海水的电导,单位是西[门子]/米(S/m)。它与海水温度、压力、盐度等要素有关。在相同温度和压力下,相同离子组成的海水电导率仅与盐度有关。为了方便,采用了相对电导率Rt的概念。R15是在温度15℃和一个标准大气压下,海水样品与盐度为35.000的标准海水的电导率的比值。

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根据各大洋和若干海区的135个表层海水样品的氯度和R15的测定分析,得出盐度与氯度和R15之间关系式为为便于应用,式(2-11)已制成R15→S‰表(《国际海洋学常用表》Ⅰa表),可直接由R15查出盐度。表中的R15为0.85000~1.17999,相应的S‰为20.196‰~42.168‰。如果样品的电导率不在15℃而是在t℃时测定的,就要进行温度订正,订正值由下式确定:

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根据式(2-12)制成的表《国际海洋学常用表》Ⅰa表,可查出10~30℃之间任何温度下的订正值。相对电导率低于0.85000的海水则利用《国际海洋学常用表》Ⅱa、Ⅱb表查算盐度。

三、实用盐度——1978年实用盐度标度(PSS78)

为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖,JPOTS又提出了1978年实用盐度标度(Pracacal Salinity Scale,1978),并建立了计算公式,编制了查算表,自1982年1月起在国际上推行。

(一)建立实用盐度的固定参考点

实用盐度仍然是用电导率测定的。为使海水的盐度值与氯度脱钩,所以选择一种精确浓度的氯化钾(KCl)溶液作为可再制的电导标准,用海水相对于KCl溶液的电导比来确定海水的盐度值。

为保持盐度历史资料与实用盐度资料的连续性,仍采用原来氯度为19.374‰的国际标准海水为实用盐度35.000‰的参考点。配制一种浓度为32.4356‰高纯度的KCl溶液,它在“一个标准大气压力”下,温度为15℃时,与氯度为19.374‰(盐度为35.000‰)的国际标准海水在同压同温条件下的电导率恰好相同,它们的电导比为

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也就是说,当K15=1时,标准KCI溶液的电导率对应盐度为35.000‰。把这一点作为实用盐度的固定参考点。

(二)实用盐度的计算公式

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式中:K15是在“一个标准大气压力”下,温度15℃时,海水样品的电导率与标准KCl溶液的电导率之比;a0=0.0080,a1=-0.1692,a2=25.3851,a3=14.0941,a4=-7.0261,a5=2.7081,img=35.0000;适用范围为2≤S≤42。

为了与旧盐度相区别,避免混淆,实用盐度不再使用符号“‰”,因而实用盐度是旧盐度的1000倍。

由于海水的绝对盐度(S A),即海水中溶质的质量与海水质量之比值,是无法直接测量的,它与测定的盐度S显然有差异,因此也称S为实用盐度(PSU)。

四、任意温度下的盐度

对于任意温度下海水样品的电导比Rt,实用盐度表达式为

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式中:第二项为温度修正项,系数a与式(2-14)中相同;系数b为b0=0.005,b1=-0.0056,b2=-0.0066,b3=-0.0375,b4=0.0636,b5=-0.0144,∑bi=0.0000,k=0.0162,-2≤t≤35℃。

对于电极式或感应式盐度计,测出Rt和当场温度t,从1978年实用盐度用表中可查出相应的实用盐度值。从现场调查的温盐深装置获取的相对电导率-温度-压力数据,须经处理后才能求得盐度。现场测定的相对电导率R由三部分组成,即

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Rp是压力对电导比的影响,布莱德肖(Brodshaow)得出的表达式为

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式中:e1=2.070×10-4;e2=-6.370×10-8;e3=3.989×10-12;d1=3.426×10-2;d2=4.464×10-4;d3=4.215×10-2;d4=-3.107×10-3

rt为标准海水的温度系数,多菲尼(Dauphinee)等得到的表达式为

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式中:C0=6.766097×10-1;C1=2.00564×10-2;C2=1.104259×10-4;C3=-6.9698×10-7;C4=1.0031×10-9

按式(2-17)和式(2-18)求出Rp和rt 即可求得:

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根据Rt和t由《国际海洋学常用表》查得实用盐度值。

我国于1984年1月1日起开始使用1978盐标(PSS78)。世界各国使用统一的实用盐标,对于各国资料统一、交流、全球性海洋研究起到积极的作用。

五、海水盐度的分布与变化

(一)水平分布

海水的盐度受蒸发、降雨、海流、海水混合、结冰和融冰等因素影响。全球海水盐度的平均值为34.7‰,一般记平均值为35.0‰,图2-10为全球海洋表层盐度分布图,图中表明,各大洋都有两个盐度高值区,分别出现在南、北纬20°~30°处,而在赤道和两极区均为盐度低值区,这是因为南、北纬20°~30°区处于信风带,天气干燥,蒸发量E大于降雨量P,北纬20°处,E-P≈80cm,南纬20°处,E-P≈65cm,因而太平洋北纬25°~30°处,盐度为35.5‰;南纬20°~25°处,盐度达36.5‰。大西洋北纬25°和南纬17°~18°处,盐度均为37.25‰;印度洋中南纬30°处,盐度为36‰。赤道区的降雨量大于蒸发量,P-E≈22cm,因而表层海水盐度低;高纬度区蒸发量小,降雨量大,因而表层海水盐度低。

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图2-10 世界大洋8月表层盐度分布图(‰)

此外,一些孤立的海盆区盐度较高,如红海盐度为41‰,阿拉伯海和地中海达39‰,盐度最低的海区为波罗的海北部波的尼亚湾,海水盐度为3‰,最小可达1‰~2‰。整个波罗海的盐度小于10‰,里海北部盐度为3‰~5‰,中部不超过12‰,可见一些大洋边缘海又是低盐度区。

(二)垂向分布

在海洋垂向上,表层或上层盐度高,随着深度的增加,盐度将逐渐降低。图2-11、图2-12、图2-13分别代表各大洋垂向断面上盐度的变化,各大洋的亚热带和高纬度区分别有高盐和低盐的海水辐聚下沉。在赤道和亚热带区,下沉海水密度小,形成盐度高的上层水,深度约100~200m,再往下盐度急剧降低,于800~1500m降至最低,此后又缓慢上升。在极地区,由于低温,表层50~100m为一低盐均匀层,由此往下,盐度迅速上升,约在300~500m深以下,盐度可再随深度变化。

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图2-11 太平洋西经160°~170°断面盐度分布图(青岛海洋大学,1982)

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图2-12 大西洋经向盐度断面图(青岛海洋大学,1982)

(三)盐度的变化

海水盐度有微小的日变化,其变化幅度在大洋区只有0.05‰,而浅海区也不超过1‰,“流星号”在大西洋观测站做过38h连续观测,得出盐度在50m水深以上几乎没有日变化,50m以下深处出现明显的变化(图2-14),据认为这是海洋中密度飞跃层中的内波引起的。在盐度日变化中,潮汐作用有很大意义,日本大阪湾淀川河口测得高潮时,盐度为31.2‰,低潮时减少至21.32‰,这是潮流方向的作用,涨潮时,大量海水入侵河口,形成侵入下游的盐水楔,使河口盐度增加,退潮时,河水向外入海,降低了海水盐度。

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图2-13 印度洋经向盐度断面图(青岛海洋大学,1982)

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图2-14 大西洋中央部分盐度变化图(青岛海洋大学,1982)

海水盐度年变化与气温引起的蒸发量变化和季节降雨量变化有关。高纬度区与结冰和融冰有关,结冰时,海水盐度升高,融冰时,盐度降低,结冰速度快,海冰盐度便高,冰龄越长,盐度越低。

我国近海表层盐度特征是近岸低,外海高,河口区低,黑潮区高。夏季,大陆径流量大,使海区盐度普遍降低(图2-15),渤海中,黄河形成黄色低盐舌,达渤海中央区,长江口低盐淡水向北达济州岛,向南可达北纬28°~29°,南海和东海盐度为32‰~34‰,黑潮区达34.5‰。冬季(图2-16)中国海区盐度普遍升高,有一个高盐舌伸向渤海,长江口区盐度较低。

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图2-15 中国近海8月表面盐度分布图

(青岛海洋大学,1982)

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图2-16 中国近海2月表面盐度分布图

(青岛海洋大学,1982)