水色、透明度观测

1. 水色、透明度观测

2. 透明度定义 • 透明度表示海水透明的程度（即光在海水中衰减程度）。 • 用直径为30cm的白色圆板（透明度板），在船上背阳一侧，垂直放入水中，直到刚刚看不见为止。透明度板“消失”的深度叫透明度。这一深度，是白色透明度板的反射、散射和透明度板以上水柱及周围海水的散射光相平衡时的结果。所以，用透明度板观测而得到的透明度是相对透明度。 • 应用白色圆板测量透明度虽然简便、直观，但有不少缺点，如受海面反射光的影响，与观测人眼睛的近视程度等有关。因为测量的结果缺乏客观的代表性，而且透明度板只能测到垂直方向上的透明度，不能测出水平方向上的透明度，所以，近年来国际上多采用仪器来观测光能量在水中的衰减，以确定海水透明程度，并对透明度作出新的定义。 • 透明度的新定义为：一准平行光束在水中传播一定距离后，其光能流与原来光能流之比

3. 透明度观测 • 观测透明度的透明度盘（图1）是一块漆成白色的木质或金属圆盘，直径30cm，盘下悬挂有铅锤（约5kg），盘上系有绳索，绳索上标有以米为单位的长度计号。绳索长度应报据海区透明度值大小而定，一般可取30～50m。 • 观测方法 • 在主甲板的背阳光处，将透明度盘放入水中，沉到刚好看不见的深度，然后再慢慢地提到隐约可见时，读取绳索在水面的标记数值（有波浪时应分别读取绳索在波峰和波谷处的标记数值）。读到一位小数，重复二到三次，取其平均值，即为观测的透明度值，记入水温观测记录表中。若倾角超过15° ，则应进行深度订正。当绳索倾角过大时，盘下的重锤应适当加重。 • 透明度的观测只在白天进行，观测时间为:连续观测站，每二小时观测一次，大面观测站，船到站观测，观测地点应选择在背阳光的地方，观测时必须避免船上排出的污水影响。 • 2．注意事项 • (1)出海前应检查透明度盘的绳索标记，新绳索使用前须经缩水处理（将绳索放在 水中浸泡后拉紧晾干），使用过程中需增加校正次数。 • (2)透明度盘应保持洁白，当油膝脱落或脏污时应重新油漆。 • (3)每航次观测结束后，透明度盘应用淡水冲洗，绳索须用淡水浸洗，晾干后保存。

4. 水色的成因 • 海面的颜色主要取决于海面对光线的反射，因此，它与当时的天空状况和海面状况有关。而海水的颜色是由水分子及悬浮物质的散射和反射出来的光线决定的，称为水色，因此，水色和海色两者应加以区别。 • 海水是半透明的介质，太阳光线射达海面时，一部分被海面反射，反射能量的多少与太阳高度有关，太阳高度愈高，反射能量愈小；另一部分则经折射而进入海水中，而后为海水的分子和悬浮物质吸收和散射。由于各种光线在进入海水中后被吸收和散射的情况不同，因此就产生了各种水色。 • 阳光进入海水，七种单色光线被海水逐渐吸收，但七种光线所吸收的情况各不相同。有的容易被吸收，有的很难被吸收。各色光线波长不同，吸收率也不同。一般来说，波长长度与吸收率呈现正比例的关系

5. 红光波长比其它的光的波长都长，所以红光吸收率最大，通过海水后，能量消耗也最多。因此，红光在海水的浅层就消失了。黄光、绿光、蓝光、紫光的波长短，所以它的吸收率很小，可以在海水中传入更深的深层。红光波长比其它的光的波长都长，所以红光吸收率最大，通过海水后，能量消耗也最多。因此，红光在海水的浅层就消失了。黄光、绿光、蓝光、紫光的波长短，所以它的吸收率很小，可以在海水中传入更深的深层。 • 吸收与散射互为相反的两种作用。吸收率大的光波，其散射能量小，而吸收率小的光波，其散射能量大。散射能量还与悬浮物颗粒粒径有关：颗粒粒径越小，短波散射能量越大。这种现象称为海水对光线的选择吸收和散射。 • 在大洋水中，悬浮物量少，颗粒粒径也小，蓝光散射能量大，故海水的颜色多呈蓝色。近岸海水，由于悬浮物增多，颗粒变大，黄光散射能量增大，所以水色多呈黄色、浅蓝或绿色。

6. 水色观测 • 水色根据水色计目测确定。水色计（图2）是由蓝色、黄色、褐色三种溶液按一定比例配制的21种不同色级，分别密封在22支内径8mm、长100mm的无色玻璃内，置于敷有白色衬里的两开盒中（盒的左边为1至11号，右边为11至21号）。其中1-2号是蓝色；3-4号是天蓝色；5-6是绿天蓝色；13-14号是绿黄色；15-16号是黄色；17-18 是褐黄色；19-20号是黄褐色 • 观测方法 • 观测透明度后，将透明度盘提到透明度值一半的位置，根据透明度盘上所呈现的海水颜色，在水色计中找出与之最相似的色级号码，并计入水温观测记录表中。水色的观测只在白天进行，观测时间为:连续观测站，每2h观测一次，大面观测站，船到站观测，观测地点应选择在背阳光的地方，观测时必须避免船上排出的污水影响。

7. 水温、盐度观测 • 海水的温度是海洋物理性质中最基本要素之一。海洋水团的划分、海水不同层次的锋面结构、海流的性质判别等都离不开海水温度这一要素。水温的分布与变化又影响并制约其它水文气象要素的变化：海水密度的大小和温度的高低相关，地球上水温分布不均匀，导致海水发生水平方向与垂直方向的运动。此外，海雾、气温、风等也直接或间接地与水温有关。 • 掌握水温的分布变化规律对巩固国防、国民经济建设有重要意义。如水面舰船的主机和冷却系统需要根据海水温度的高低来设计；滨海电厂的取水口、温排水口的选择与水温的分布变化规律也有关系；水温分布变化能够制约生物的生长和活动状况。另外，了解水温与海水养殖的关系是至关重要的。此外，海温分布对敷设海底电缆、温差发电、海气交换的研究等都具有重大的意义。

8. 温度观测的基本要求 • 水温观测的精度要求 • 对于大洋，因其温度分布均匀，变化缓慢，观测精度要求较高。一般温度应准确到一级，即± 0.02℃。 • 在浅海，因海洋水文要素时空变化剧烈，梯度或变化率比大洋的要大上百倍乃至千倍，水温观测的精度可以放宽。对于一般水文要素分布变化剧烈的海区，水温观测精度为± 0.1℃。 • 观测层次 • 水温观测分表层水温观测和表层以下水温观测。

9. 标准观测水层 • 10以内 • 表层，5，底层 • 10-25 • 表层 5，10，15，20，底层 • 25-50 • 表层，5，10，15，20，25，30，底层 • 50-100 • 表层，5，10，15，20，25，30，50，75，底层 • 100-200 • 表层，5，10，15，20，25，30，50，75，100，125，150，底层

10. 其中表层指海表面以下1m以内水层。 • 底层的规定如下： • 水深不足50m时，底层为离底2m的水层： • 水深在50~100m范围内时，底层离底的距离为5m； • 水深在100~200m范围内时，底层离底的距离为10m； • 水深超过200m时，底层离底的距离，根据水深测量误差、海浪状况、船只漂移等情况和海底地形特征综合考虑，在保证仪器不触底的原则下尽量靠近海底。规范上规定不小于25m。 • 观测时次 • 沿岸台站只观测表面水温，观测时间一般在每日0，8，14，20时进行。海上观测分表层和表层以下各层的水温观测，观测时间要求为：大面或断面站，船到站就观测一次。连续站每两小时观测一次。

11. 各式测温计简史 • 1 液体和机械式温度计 • 液体温度计的代表者是表面温度计和颠倒温度计。颠倒温度计自1876年由英国涅格罗齐(Negrotti)和赞布拉(Zamhra)发明以来，至今已有100多年了。由于其观察精度高，使用方便，性能比较稳定，因此，到目前为止，仍然是深层水温观测的基本标准仪器。但颠倒温度计只能在停船时使用，且只能测定单层温度。机械式温度计的代表者当首推1937年发明的深度温度计。深度温度计(BT)是一种记录温度随深度变化的仪器，用于自动记录水深200m(或1000m)以内的水温变化情况，仪器附有带坐标网格的放大镜，用它来读取玻璃片上所记录的各深度层的水温数值，并对记录曲线进行分析，另一种深度温度计带有采水器，可同时在各指定的标准层采取水样，但观测精度为± 0.2℃。在各种高精度的电子温度计问世以前，它一直被认为能连续反映温度垂直变化的最廉价的仪器，用它可以很精确地判别温跃层的深度和强度，在海洋界使用达30年之久，现在已被淘汰。

12. 电子温度计,根据感温元件和传送讯号的不同，这类温度计可分为下列几种：电子温度计,根据感温元件和传送讯号的不同，这类温度计可分为下列几种： • 1．热电式温度计 • 热电式温度计其感应元件是热电偶，在这类温度计中，将感应元件的一端联接电缆，直接感应海水温度，另一端保持恒温。测出热电动势的大小即可求得海水温度。此类温度计可在定点或走航时使用。但测温度一般在100m以内，而不能测量更深层的水温，同时测温精度较低，约± 0.5℃左右。 • 2．电阻式温度计 • 采用金属丝电阻（铂金丝或锰铜丝等）、热敏电阻作感温元件，并使它构成电流不平衡电桥的一臂，温度的变化引起电阻值的变化，通过直流不平衡电桥转换成电压的变化并转送至记录系统加以记录。这类温度计在定点或走航时均可使用，测温精度较高，约± 0.1℃，测温深度可达500m，因此是目前国内外广泛采用的一种测温仪器。

13. 3．电子式温度计，感温元件与电阻式温度计相同，仅是将感温元件作为阻容振荡电阻的调频元件。水温的变化转换为电阻的变化，再转换为频率的变化，将输出的频率信号加以放大记录，即可得海水温度。此类温度计在定点和走航时均可使用，其精度较高，在定点测温时精度可达± 0.02℃，当航速为16节时，测温精度可达± 0.1℃，因此也是目前国内外广泛使用的一种测温仪器。经常使用的XBT就是属于以上两种类型的温度计。 • 4．晶体振荡式温度计 • 采用石英晶体作为感应元件，石英晶体振荡频率随温度而变化，测得此振荡器频率即可得海水温度。此类温度计精度很高，可达± 0.001℃，分辨率能达到0.0001℃，但此类温度计感温时间较长，不适于走航使用，专供定点观测及校正仪器之用。

14. 远距离海表温度辐射探测 • 近十多年来，根据红外谱区测得的辐射值，推算海表面温度技术已得到广泛应用。特别是在美国俄勒冈州太平洋沿岸上升流的研究中取得了极为显著的效果。通过飞机遥测的海表面温度可以反映出海洋与不同风应力之间相互关系，许多海洋工作者还应用遥感资料来分析湾流的涡旋。 • 在上升流与湾流的中尺度涡研究中，其演变的时间尺度是几天或几个星期，这么短的时间尺度是船只调查难以完成的，只有飞机或卫星能够在短时间内进行大面积调查，并在短时间内进行重新测量。用飞机或卫星揭露大洋中尺度涡特征，这在以前是无法想象的。目前已逐渐把海表面温度的变化看成是大范围气候变化的一种标志，可以用卫星提供的数据进行大洋气候业务预报。 • 在遥感中所应用的红外光谱区是所谓“窗口区”，即这里大气比较透明，红外光谱受到吸收和散射较少，海面的辐射强度受到大气温度及湿度的影响相对较低。 • 红外辐射计工作原理是：将海面发射的特定谱段里的辐射强度和接收器内黑体腔辐射强度进行对比而得。来自海面和黑体腔的辐射经过探测器的透镜前齿形调制片调制后，交替地进入探测器。当调制片挡住透镜时，其镀金表面就象镜子一样，把来自黑体腔的辐射反射到主探测器，调制结果产生一个交流信号，随后即进入放大器。

15. 玻璃液体温度计 • 目前海洋台站和海上观测表温度时一般使用的表面温度计和颠倒温度计，都属于玻璃液体温度计，它是利用装在玻璃容器中的测温液体，随温度改变而引起体积的变化，以液柱位置的变化来测定温度的

16. 玻璃液体温度计的测温原理 • 玻璃液体温度计的感应部分是一充满液体的球部，与它相连的是一根一端封闭，粗细均匀的毛细管。设温度为0℃时球部与管部的液体体积分别为V0，当温度改变到t℃时，液体体积为Vt，变化量为ΔV，则有： • ΔV= Vt- V0 = V0(1+ α Δ t)- V0 = α Δ t • 式中：α为测温液的视膨胀系数，即测温液体膨胀与玻璃膨胀系数之差。 • 温度变化Δt引起测温液体积的变化量为ΔV，这时，体积为ΔV的测温液进入截面积为Ｓ的毛细管，使得毛细管内液柱的长度改变了ΔL，即 • ΔL= ΔV/S= (V0α /S) Δ t • 式中： V0，α，S对温度计来说都已固定(α近似常量)。故液柱长度的改变量ΔL与温度的变化成正比。温度升高，毛细管中的液柱就伸长。反之，温度降低，液柱缩短，这就是玻璃液体温度计的测温原理。

17. 表面温度计与颠倒温度计的测温原理是相同的，颠倒温度计与表面温度计的不同之处，在于它们结构原理和制作方法上，颠倒温度计的毛细管是真空的，所以当颠倒时，由于重力的作用球部的一部分水银由毛细管流向接受泡，然而，另一部分水银由贮蓄泡经过狭窄处的盲枝时，由于表面张力的作用，水银就在此中断，此时不管温度计的水银是膨胀还是收缩，球部水银都不会越过盲枝进入毛细管中。若留在接受泡与毛细管的水银多的话，表示水温高，否则则低。而普通温度计不管怎么颠倒，其毛细管的水银不会与球部脱离。表面温度计与颠倒温度计的测温原理是相同的，颠倒温度计与表面温度计的不同之处，在于它们结构原理和制作方法上，颠倒温度计的毛细管是真空的，所以当颠倒时，由于重力的作用球部的一部分水银由毛细管流向接受泡，然而，另一部分水银由贮蓄泡经过狭窄处的盲枝时，由于表面张力的作用，水银就在此中断，此时不管温度计的水银是膨胀还是收缩，球部水银都不会越过盲枝进入毛细管中。若留在接受泡与毛细管的水银多的话，表示水温高，否则则低。而普通温度计不管怎么颠倒，其毛细管的水银不会与球部脱离。 • 另外，颠倒温度计的水银容积要比普通温度计的水银容积大，然而，其毛细管的横截面和分刻度又比普通温度计要小，所以，根据其测温原理，颠倒温度计的准确性要比普通温度计高。

18. 表面温度计测温 • 表面温度计用于测量表层水温，它的测量范围为-6～+40℃，分度值为0.2℃，精度为± 0.1℃。 • 仪器的结构 • 表面温度计的外形如图 1所示。它是由一支普通的水银温度计安装在一个金属外壳内构成的，外壳的下端是一个直径约5cm，高约为6cm的金属桶，桶外壳上有数个小孔，供海水进出。外壳的上部是一根长约20cm的金属管，其直径约为2cm，金属管上有两条长约15cm，宽约1cm的缝隙，从缝隙可以看到置于其内的温度计的刻度。外壳的上下两部分是用螺丝互相连接的，能任意卸下或装上。

20. 观测与使用 • 使用表面温度计测温，可在台站或在船上进行。不论在台站观测或在船上观测，既可以把温度计直接放入水中进行，也可以用水桶取水进行，前者用于风浪较小的条件下，后者用于风浪较大时。观测水温的方法步骤如下: • 把水温表直接浸入海中进行测温时，首先将金属管上端的园环用绳拴住，在离开船舷0.5m以外的地方放入水中，然后提上，把桶内的水倒掉，再重新放入水中，并浸泡在0～1m深度处感温5min后取上读数。为了避免外界气温、风及阳光的影响，读数应在背阳光、背风处进行，并力求迅速，要求从温度计离开水面到读数完毕的时间不得超过20s。根据精度要求，读数要精确到0.1℃，为此，在读数时眼睛应与水银柱的顶端处于同一水平面，视线要与温度计垂直。读数完毕后，将园桶内的海水全部倒掉，并把表面温度计放在阴暗的地方。

21. 在用水桶取水观测时，应将取上的一桶海水放于阴影处，把表面温度计放入桶内搅动，感温1～2min后，将海水倒掉，再重取上一桶海水并把表面温度计放入桶内(此时必须注意，在把温度计放入桶内之前，应将温度计桶内的海水倒尽)。表面温度计在桶内感温3min后，即可进行读数，读数时温度计不可离开水面。第一次读数后，过1min后再读数一次，当气温高于水温时取偏低的一次，反之，取偏高的一次。在用水桶取水观测时，应将取上的一桶海水放于阴影处，把表面温度计放入桶内搅动，感温1～2min后，将海水倒掉，再重取上一桶海水并把表面温度计放入桶内(此时必须注意，在把温度计放入桶内之前，应将温度计桶内的海水倒尽)。表面温度计在桶内感温3min后，即可进行读数，读数时温度计不可离开水面。第一次读数后，过1min后再读数一次，当气温高于水温时取偏低的一次，反之，取偏高的一次。 • 用水桶测温时，水桶应以木质、塑料等不宜传热的材料制成，其容积约为5～10升。 • 上述所读取的温度读数须经器差订正后才为实测的表层水温值，器差订正值可在每支表面温度计的检定书找到。

22. 温深系统测温 • 利用温深系统可以测量水温的铅直连续变化。常用的仪器有温盐深仪(简称CTD或STD)、电子温深仪(简称EBT)和投弃式温深仪(简称XBT)等。 • 与其它同类观测仪器相比，CTD具有零漂小，长期稳定性好，噪声低等优点。所得资料具有极高的准确度和分辨率。

23. CTD仪测温 • CTD仪自74年问世后很快被用于海洋调查中，在JSN， GEOSECS， MODE， GATE， TOGA， WOCE等大规模调查中作出了贡献，近年来在我国海洋调查中也日益广泛地使用CTD仪，CTD仪和其它一些高精度、快速取样仪器以及卫星观测的手段的应用，使得海洋调查和海洋学研究进入了一个全新的阶段，并推动了海洋小尺度过程和海洋微细结构的研究。

25. CTD仪的投放最重要的三点： • 要保证仪器安全，务必不要使仪器探头碰到船舷或触底，注意仪器探头温度与水温之差不能过大，探头应放在阴凉处，切忌曝晒。 • 根据现场水深确定探头的下放深度。温盐深仪探头下放速度一般应控制在0.5～1m/s范围内，在浅海或上温跃层速度选在50cm/s至100cm/s，在深海季节层以下下降速度可稍高，但也不超过150cm/s为宜。并且一次观测中保持不变。若船只摇摆剧烈，应选择较大的下降速度，以免观测数中出现较多的深度(或压强)递变现象。 • 若探头过热或海––气温较大时，观测前应将探头放入水中停留数min，海面平静时，探头入水后即行观测，观测前应记下探头在水面时的温度(压强)测量值。自容式温盐深仪应根据取样间隔确认在水面已记录了至少一组数据后方可下降开始观测。 • 探头下放时获取的数据为正式测量值，探头上升时获取的数据作为水温数据处理时的参考值。

26. XBT

27. XBT也是一种常用的测量温深的系统，它由探头、信号传输线和接收系统组成。探头通过发射架投放，探头感应的温度通过导线输入接收系统并根据仪器的下沉速度得到深度值。利用XBT进行温深观测时，可以在船舶航行时（SXBT）进行或利用飞机进行（AXBT）投放，快速地获得温深资料，因而广泛地被应用。XBT也是一种常用的测量温深的系统，它由探头、信号传输线和接收系统组成。探头通过发射架投放，探头感应的温度通过导线输入接收系统并根据仪器的下沉速度得到深度值。利用XBT进行温深观测时，可以在船舶航行时（SXBT）进行或利用飞机进行（AXBT）投放，快速地获得温深资料，因而广泛地被应用。

28. 盐度观测 • 观测时次、标准层次及精度要求 • 盐度与水温同时观测，大面或断面测站，船到站观测一次，连续测站，一般每两小时观测一次。根据需要，有时一小时观测一次。 • 盐度测量的标准层次及其它有关规定与温度相同。 • 根据不同观测任务对测盐准确度的要求，通常对海上水文观测中盐度精度分为三级标准： • 精确度等级 准确度 分辨率 • 1 ± 0.02 0.005 • 2 ± 0.05 0.01 • 3 ± 0.2 0.05

29. 盐度的测量方法 • 盐度测定，就方法而言，有化学方法和物理方法两大类。 • 1．化学方法 • 化学方法又简称硝酸银滴定法。其原理是，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。此法是克纽森等人在1901年提出的，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。 • 2．物理方法 • 物理方法可分为比重法、折射法、电导法三种。 • 比重法测量是海洋学中广泛采用的比重定义，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。由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度，所以比重计的实质是，从比重求密度，再根据密度、温度推求盐度。 • 折射率法是通过测量水质的折射率来确定盐度。 • 以上几种测量盐度的方法存在误差较大、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。

30. 电导法是利用不同盐度具有不同导电特性来确定海水盐度。电导法是利用不同盐度具有不同导电特性来确定海水盐度。 • 1978年的实用盐标解除了氯度和盐度的关系，直接建立了盐度和电导率比的关系。由于海水电导率是盐度、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。 • 感应式盐度计以电磁感应为原理，它可在现场和实验室测量，而得到广泛的应用，在实验室测量中精度可达± 0.003。该仪器对现场测量来说是比较好的，特别对于有机污染含量较多、不需要高精度测量的近海来说，更是如此。然而，由于感应式盐度计需要的样品量很大，灵敏度不如电极式盐度计高，并需要进行温度补偿，操作麻烦，这就导致感应式盐度计又转向电极式盐度计的发展。 • 最先利用电导测盐的仪器是电极式盐度计，由于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，这就严重限制了在现场的应用，所以主要用在实验室内做高精度测量。加拿大盖德莱因(Guildline)仪器公司采用四极结构的电极式盐度计(8400型)，解决了电极易受污染等问题，于是电极式盐度计得以再次风行。目前广泛使用的STD、CTD等剖面仪均是电极式结构的。