5-第五章-盐度观测

盐度观测第五章Chapter5.OceanSalinityObservation1海洋中储存了来自陆地的大量化学溶解物质海水中含量最多的11种化学物质：•五种阳离子：钠、镁、钙、钾、锶•五种阴离子：氯、硫酸根、碳酸氢根、溴、氟•硼酸分子第五章盐度观测2第五章盐度观测3用盐度表示海水中化学物质的多寡：海水的盐度是海水含盐量的定量量度海水最重要的理化特性之一与沿岸径流量、降水、及海面蒸发密切相关影响和制约其它水文、化学、生物要素分布变化第五章盐度观测4盐度的定义和演变第一节盐度的测量第二节光电法盐度监测原理第三节遥感观测第四节第五章盐度观测5盐度的定义和演变第一节第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变6绝对盐度：海水中溶解物质质量与海水质量比值。•绝对盐度不能直接测量•各种实用盐度定义诞生原始盐度定义克纽森盐度公式(1902年)1969电导盐度定义1978实用盐度定义第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变7一、盐度原始定义定义：1kg海水中，碳酸盐全部转换成氧化物，溴和碘全部以当量的氯置换，有机物全部氧化后，所含无机盐的克数。•以符号“S”表示；•单位是g/kg；•符号为‰；第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变8一、盐度原始定义测量方法：取一定量的海水样品，加盐酸酸化后，再加氯水，蒸干后继续增温，在480˚C的条件下干燥48小时，称量剩余固体物质的质量；缺点：操作十分复杂，测一个样品要花费几天时间，不适合于海洋调查；第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变9二、克纽森盐度公式(1902年)海洋调查实践中，测定海水的氯度(Cl‰)，根据海水组成恒定性规律，间接计算盐度(克纽森盐度公式)：氯度：1kg海水中以氯置换溴和碘后，氯离子的总克数。0000000.0301.8050SCl第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变10海水组成恒定性原理：定义：海水的总含盐量或盐度是可变的，但常量成分浓度之间的比值几乎保持恒定。发现：1819年Marcet在分析了北冰洋、大西洋、地中海、黑海、波罗的海、中国海和白海等多处海水水样后，提出了“全世界一切海水水样，都含有同样种类的成分，这些成分之间只有盐含量总值不同的区别”。Dittmar从“H.M.S.Challenger”号调查船在环球航行所采集的77个水样分析中也证实了Marcet结论的正确性。Marcet原理提出的海水常量成分浓度之间的比值只是几乎保持恒定并非绝对恒定。第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变11二、克纽森盐度公式(1902年)克纽森盐度公式使用时，用统一的硝酸银滴定法和海洋常用表，在实际工作中显示了极大的优越性。此公式只是一种近似的求值方法，且代表性差；滴定法在船上操作不方便；氯度为0时，盐度值大于0；海水组成恒定性规律不够严格；0000000.0301.8050SCl第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变12电导与盐度：对于粗细均匀的导体，当导体的材料与温度一定时，其电阻与长度L成正比、横截面积S成反比：R=ρ·L/S•ρ：电阻率，其倒数γ=1/ρ称为电导率•海水的电导率取决于其温度、盐度和压力•测定海水的电导率和温度、压力，即可求得海水的盐度第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变13三、1969年电导盐度定义20世纪60年代初，英国国立海洋研究所Cox等人从各大洋及波罗的海、黑海、地中海和红海采集了200m层以浅的135个海水样品：•首先，应用标准海水(盐度35.000‰，温度15˚C，天然大洋海水)，准确测定水样的氯度值•然后，测定具有不同盐度的水样与标准海水在一个标准大气压下的电导比(R15)•最后，得到盐度-氯度的新关系式和盐度-相对电导率关系式，即1969年电导盐度定义第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变14三、1969年电导盐度定义1969年电导盐度定义：盐度-氯度的新关系式和盐度-相对电导率关系式000000200015153451515151.806550.0899628.2972012.8083210.678695.986241.32311SClSRRRRR第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变15三、1969年电导盐度定义电导测盐优点：•准确度高；•速度快；•操作简便；•适于海上现场观测；第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变16三、1969年电导盐度定义电导测盐缺点：•以海水组成恒定性为基础，是近似的（当标准海水发生变化而氯度值保持不变时，电导值将发生变化）；•定义中所用水样均为浅层，不能反映大洋深处由于海水的成分变化而引起电导值变化的情况；•国际海洋用表中的温度范围为10˚C~31˚C，当温度低于10˚C时，电导值要用其他方法校正，从而造成误差和混乱；为克服盐度标准受海水成分影响的问题，建立了实用盐标。第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变17四、1978年实用盐标(PSU)1978年通过了实用盐标(PSU,practicalsalinityunits)，PSU依然采用电导的方法测定海水的盐度。与1969年电导盐度定义不同之处：•克服了海水盐度标准受海水成分变化的影响问题；•采用高纯度的KCl制成一定浓度的溶液，作为盐度的准确参考标准，而与海水样品的氯度值无关，并且定义了盐度；第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变18四、1978年实用盐标(PSU)PSU定义了盐度：在一个标准大气压下，15℃环境温度中，海水样品与标准KCl溶液的电导比K15=1，该样品的实用盐度值精确地等于35。K15=1：S=35(无量纲量))0,15,4356.32()0,15,(15CSCK第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变19四、1978年实用盐标(PSU)若K15≠1，则实际盐度的表达式为：式中，2≤S≤42时有效。S为实用盐度符号，是无量纲的量。5/2150iiiSaK5035iia第五章盐度观测第一节盐度的定义和演变20四、1978年实用盐标(PSU)S表达式中K15可用R15代替（R15代替是大气压力下，温度15℃时，海水样品与实用盐度为35的标准海水的电导比）。对于任意温度下海水样品电导比RT的盐度表达式为：55/2/200151(15)iiiTiTiiTSaRbRKT001122334455500.0080,0.00050.1692,0.005625.3851,0.006614.0941,0.03757.0261,0.06362.7081,0.01440.0000,0.0162235iiababababababbKCTC第五章盐度观测21盐度的测量第二节第五章盐度观测第二节盐度的测量22一、观测时间、标准层次及准确度要求观测时间：与水温同时观测。•大面或断面站：船到站即观测一次。•连续站：一般每两小时观测一次。根据需要，有时一小时观测一次。标准层次：与温度相同第五章盐度观测第二节盐度的测量23一、观测时间、标准层次及准确度要求准确度要求：根据不同的观测任务，提出对测盐准确度的要求。通常海上水文观测中盐度准确度分为三级标准：准确度等级准确度分辨率1±0.020.0052±0.050.013±0.20.05第五章盐度观测第二节盐度的测量24二、盐度的测量方法主要有化学方法和物理方法两大类：化学方法(硝酸银滴定法)物理方法：•相对密度法（比重法）•折射率法•电导法第五章盐度观测第二节盐度的测量25二、盐度的测量方法化学方法：硝酸银滴定法克纽森等人在1901年提出。在离子比例恒定的前提下，采用硝酸银溶液滴定，通过麦克伽莱表查出氯度，然后根据氯度和盐度的线性关系，来确定水样盐度。在当时，不论从操作上，还是就其滴定结果的精确度来说，都是令人满意的。第五章盐度观测第二节盐度的测量26二、盐度的测量方法物理方法之相对密度法：海水相对密度，即一个大气压下，单位体积海水的重量与同温度、同体积蒸馏水的重量之比。由于海水相对密度与海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度，所以相对密度计的实质是：从相对密度求密度，再根据密度、温度推求盐度。第五章盐度观测第二节盐度的测量27二、盐度的测量方法物理方法之折射法：通过测量水质的折射率来确定盐度。以上几种测盐方法存在误差较大、精度不高、操作复杂、不利于仪器配套等问题，尽管还在某种场合下使用，但逐渐被电导测量所代替。第五章盐度观测第二节盐度的测量28二、盐度的测量方法物理方法之电导法：电导法利用不同盐度具有不同导电特性来确定海水盐度。•海水电导率是盐度、温度和压力的函数，因此，通过电导法测量盐度必须给予温度和压力对电导率的影响进行补偿；•采用电路自动补偿的这种盐度计为感应式盐度计；采用恒温控制设备，免除电路自动补偿的盐度计为电极式盐度计；第五章盐度观测第二节盐度的测量29二、盐度的测量方法感应式盐度计：以电磁感应为原理•优点：可在现场和实验室测量，应用广；实验室精度可达±0.0030；适宜现场测量，特别是近海（有机污染含量较多、不需高精度测量）；•缺点：需要样品量很大；灵敏度不如电极式盐度计高；需要进行温度补偿，操作麻烦；第五章盐度观测第二节盐度的测量30二、盐度的测量方法电极式盐度计：最早利用电导测盐的电极式盐度计测量电极直接接触海水，容易出现极化和受海水的腐蚀、污染，使性能减退，不宜现场应用，主要用在实验室内做高精度测量。目前已解决电极易受污染等问题，电极式温度计成为主流，目前广泛使用的STD、CTD均属此列。第五章盐度观测第二节盐度的测量31三、利用现场温盐深仪CTD测量盐度原理从现场调查的CTD获取的相对电导率R、温度、压力数据，须经过处理后才能得到盐度资料。因为现场测定的相对电导率可分为三部分：其中RP、RT和rT可用现场观测得到的温度和压力表示。(,,)(,,)(,,0)(35,,0)(35,15,0)(,,0)(35,,0)(35,15,0)PTTCSTPCSTPCSTCTRCCSTCTCRRr第五章盐度观测第二节盐度的测量32三、利用现场温盐深仪CTD测量盐度原理其中，压力对电导比的影响RP：212321234()(,,)1(,,0)1()PPCCPCPCSTPRCSTdTdTddTR511021532.070106.37103.98910CCC214213343.426104.464104.215103.10710dddd第五章盐度观测第二节盐度的测量33三、利用现场温盐深仪CTD测量盐度原理从标准海水温度系数γT可求得RT：23401234(35,,0)(35,15,0)TCTrCCTCTCTCTC0214273940.6766122.00557103.989107.04373101.1194010CCCCC第五章盐度观测第二节盐度的测量34三、利用现场温盐深仪CTD测量盐度原理RT求得后，通过其可算出海水的盐度：TPTRRRr55/2/200151(15)iiiTiTiiTSaRbRKT第五章盐度观测第二节盐度的测量35三、利用现场温盐深仪CTD测量盐度原理使用温盐深仪的注意事项：•校准：每天至少应选择一个比较均匀的水层，与利用实验室盐度计对海水样品的测量结果对比一次，如发现温盐深仪的测量结果达不到所要求的准确度，应调整仪器零点或更换仪器探头；•温盐深的电导率传感器必须保持清洁，每次观测完毕都须用蒸馏水（或去离子水）冲洗干净，不能残留盐粒或污物；第五章盐度观测36光电法盐度检测原理第三节第五章盐度观测第三节光电法盐度检测原理37光电法盐度检测是基于PSD（位置敏感器件，一种光电二极管）、利用待测液体盐度变化引起传输光折射角改变导致接收端光线偏移的性质，而提出的盐度检测技术。目前光电原理的盐度检测方法多处于理论和实验研究阶段，技术尚未成熟，不适于复杂的海洋环境下的盐度测量。第五章盐度观测38遥感观测第四节第五章盐度观测第四节遥感观测