海洋测量学

第1章 绪论 海洋测量学是在人类探索海洋、开发海洋的过程中产生和发展起来的，海洋测量是开发利用海洋的前期基础工作之一。 1.1 海洋基本知识 1.1.1 地球的海陆分布 地球表面可以分为海洋和陆地两大部分，其中海洋面积约3.6亿km2，比全球陆地面积(约1.5亿km2)的两倍还要大，约占地球表面积的71%。正是由于这个原因，地球常常被称为"蓝色星球"。 海洋的中心主体部分称为洋，边缘附属部分称为海。海与洋之间彼此通连，共同形成世界统一的海洋整体。海与洋之间有明显的区别：大洋的面积大；约占海洋总面积的89%，海的面积小得多，只占海洋总面积的11%；大洋深度大，平均水深一般都在3000m以上，诲的水深较浅，平均水深一般在2000m以下，有的甚至只有几十米；大洋有独立的洋流和潮沙系统，海则受大洋流系和潮涉的支配；大捍离陆地较远，受陆地影响小，水温、盐度等要素比较稳定，海水的透明度大；海与陆地接边，受大陆影响大，水温、盐度等随季节变化大，海水透明度较差。根据海陆分布状况，地球表面可以分为"陆半球"和"水半球"。即以经度0°，北纬38°的一点和经度180，南纬47°的一点为两极，把地球分为两个半球，海陆面积的对比达到*大程度，分别为"陆半球"和"水半球"(图1-1)。陆半球的中心位于西班牙东南沿海，陆地约占47%，海洋占53%；这个半球集中了全球陆地的81%，是陆地在一个半球内*大的集中。水半球的中心位于新西兰的东北沿海，海洋占89%，陆地占11%；这个半球集中了全球海洋的63%.是海洋在一个半球的*大集中。必须说明的是，即使在陆半球，海洋面积仍然大于陆地面积。各个半球的海陆相对面积见表1-1。 表1-1 半球海陆面积对比 1.1.2 海底地貌 正如形态各异、千变万化的陆地地貌一样，海底地貌也是千姿百态、十分复杂。在进行海洋测量之前，有必要了解各种海底地貌的特点。 图1-1 陆半球(左)和水半球(右) 1.海岸地貌 海洋与陆地的交接地带是海岸带，这里蕴藏着极为丰富的矿产、生物、能源、土地等自然资源。海岸带附近是人类活动的重要地区，遍布工业城市和海港，不仅是国防前哨，而且是海陆交通的枢纽、经济发展的重要基地。受陆海相互作用影响，海岸地貌处于不断变化之中，并且形态错综复杂。 根据海岸地貌的基本特征，可分为海岸侵蚀地貌和海岸堆积地貌两大类。侵蚀地貌是岩石海岸在波浪、潮流等不断侵蚀下所形成的各种地貌，主要有海蚀洞、海蚀崖、海蚀平台、海蚀柱等。这类地貌又因海岸物质的组成不同，被侵蚀的速度及地貌发育的程度也有差异。堆积地貌是近岸物质在波浪、潮流和风的搬运下，沉积形成的各种地貌。按海岸的物质组成及其形态，可分为沙砾质海岸、淤泥质海岸、三角洲海岸、生物海岸等。中国海岸带和海涂资源可分为河口岸、基岩岸、砂砾质岸、淤泥质岸、珊珊礁岸和红树林岸等6种基本类型。 2.大陆边缘 从海岸带向大洋延伸就到达了大陆边缘。通常按大陆边缘的构造活动性分为稳定型和活动型两大类。 稳定型大陆边缘没有活火山，也极少有地震活动，在近代地质史上是构造稳定的，以大西洋两侧的美洲和欧洲、非洲大陆边缘比较典型，所以也称大西洋型大陆边缘。此外，稳定型大陆边缘也广泛出现在印度洋和北冰洋周围及我国近海。稳定型大陆边缘由大陆架、大陆坡和大陆隆三部分组成。 大陆架是大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋的自然延伸。其范围从低潮线起，以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方(陆架坡折)为止。大陆架*显著的特点是坡度平缓，平均坡度只有0°07'，其内侧比外侧更缓。我国海域分布有宽广的大陆架，*大宽度超过500km，外缘深度*大约为150m。 大陆坡是介于大陆架和大洋底之间的巨大斜坡，表面崎岖不平，常发育有海底峡谷。海底峡谷是陆坡上一种奇特的侵蚀地貌，形如深邃的凹槽切蚀于大陆坡上，横剖面通常为不规则的"V"形，下切深度为数百米甚至数公里，谷壁*陡40°以上，与陆上河谷极为相似。 大陆隆是自大陆坡坡麓缓缓倾向洋底的扇形地，位于水深2000~5000m处，由沉积物堆积而成。表面坡度平缓，沉积物厚度巨大，多富含有机质，具备生成油气的条件。 3.大洋底 陆地表面高低起伏不平，有高山深谷，在浩瀚的大洋底下也同样如此，分布有十分复杂的海底山脉。大洋底一般分为大洋中脊和大洋盆地两大单元。在各大洋的中部，都有一条高峻脊岭，彼此相接，贯通四大洋，全长约8万km，统称大洋中脊，是世界上规模*巨大的环球山系(图1-2)。*为壮观的大西洋中脊宽达1500~2000km，约占大西洋面积的三分之一，相对高度1000~3000m，巍然耸立于洋底之上，呈"S"形南北延伸。 图1-2 大洋底 大洋中脊的两侧便是广阔的大洋盆地，深4000~5000m，这里分布有众多海丘(海底丘陵)、海山、海底高原和深海平原。海丘和海山绝大多数为火山成因，相对高度小于1000m者称为海丘，大于1000m者称为海山。海丘呈圆形或椭圆形，直径从不足1km至5km不等，分布较广泛。海山一般具有比较陡峭的斜坡和面积较小的峰顶。大洋盆地底部相对平坦的区域是深海平原，它的坡度极微，一般小于10-3，有的小于10-4。 4.海洋岛屿 岛屿是岛与屿之合称，泛指各类型的岛。其中面积大于1km2的称为"岛气不足1km2的称为"屿"。在狭小的地域集中两个以上的岛屿，即成"岛屿群"，大规模的岛屿群称为"群岛"或"诸岛"，列状排列的群岛称为"列岛"。岛屿*多的群岛是马来群岛，岛屿数量在两万个以上。全球岛屿总数达5万个以上，总面积约为997万k时，约占全球陆地总面积的1/150格陵兰岛是世界上*大的岛。 我国共有岛屿5000多座，面积超过1000k旷的大岛有台湾岛、海南岛和崇明岛，岛屿岸线总长超过1.4万km。 1.1.3 海水的物理性质 海水的物理性质主要包括海水的机械运动和海水的温度、盐度、密度等，这些对海洋测量都有直接或间接影响。水下测量多数要用声波作为手段，而不是光波，这就需要了解声波在海水中的传播性质。 1.海水的运动 海萍是位于地球表面的庞大水体，受各种作用力的驱动而产生运动，具有复杂多样的运动形式。海水运动*显著的现象是海流、潮涉和海浪运动。 1)海浪 海水是流体，*为人熟知的运动形式是海浪，人们对海面状况(即海况)的判断主要依据海浪的大小。在海洋调查规范中，就规定了海况与海浪的关系(表1-2)。 表1-2 海况与海浪 海洋中任何地方，任何时刻均可产生海浪。在海面、江面和大型水库的水面都能见到波浪现象。从波浪理论分析，这种振蔼起伏属于谐振运动，当每一波浪通过时，水分于作上下圆周运动，实际水体很少前进，其向前传播的仅是波的形状。由于各种原因，使海水面形成周期性起伏，波浪向前传播。波浪形成的主要原因与风关系密切，所谓"无风不起浪"、"风平浪静"，都表明了浪与风的关系。一般来说，在风的扰动下海面上会产生微波，或称毛细波、涟满、表面张力波，其恢复力是表面张力。如果风继续吹，就形成风浪。风浪与风速大小、风向、风作用时间长短、风作用空间范围大小有关。风速越大，风作用时间越长，风作用空间范围越大，产生的海浪波高越大。但是，随着风作用时间的继续延长，波高不会一直增加下去，而是保持一个定常状态，这时的风浪称为充分成长的风浪。当风停止时，海面不会马上静止下来，而是会继续存在浪，并向周围传播开来，这就产生涌浪，也称为涌。海面上还有"无风三尺浪"的说法，指的就是这种情形。 海水存在密度垂直变化时产生海流剪切、海面扰动的内波，海底或海岸地震而引起的海啸，风应力、大气压强的变化等引起的表面重力波，科氏力作用引起的随时间变化的大尺度长周期的罗斯贝波或行星波，以及由日月引潮力作用而产生的波等。 研究海浪的一个重要应用，就是通过对海浪的观测和计算处理进行海浪预报，并对海洋水深测量进行必要改正。 2)海流 海水具有一定速度和方向的大规模流动，称为海流。接引起海流的原因不同，海流可分为风生流和密度流；按其空间分布分为表层环流、中层环流、深层环流和底层环流。表层环流主要是风生环流，而中层环流、深层环流和底层环流则为密度环流。海流对海上航行、海底地质过程、海岸工程建设、海底矿产资源开发和全球气温变化等都有着直接影响和重要意义。 风生流，包括由全球大气环流作用在海面的风应力和水平揣流压力的合力与地转偏向力平衡后而形成大洋中的风生环流，以及主要受季风影响的沿岸风生漂流。密度流是由于全球热辐射不均和盐度分布不均所产生的水平压强梯度力与水平地转偏向力平衡时而形成的海流。 海流有暖流和寒流之分.若海流的水温高于所流经海域的水温，称为暖流，著名的有日本海的黑潮和美洲的墨西哥湾流等z若海流的水温低于所流经海域的水温，称为寒流，如格陵兰海流等。暖流、寒流对邻近陆地气候会产生影响，同时直接影响海洋渔业资源的分布。 海流是海洋中的"河流"，是指在一段较长的时间内(一个月、一个季节、一年或长期)，具有大体固定路径、较大规模的海水运动，但不包括波浪或潮沙导致的海水周期性运动。海流流速通常在每秒几厘米至几米之间，宽度可达数百公里。影响我国海域的著名海流是黑潮，宫发端于太平洋北赤道海区，主轴经台湾东面，至琉球群岛一带，进入日本海。内波是发生在几十米至几百米深处的海洋波动现象。内波比海面的波浪波高更大，波长更长，会破坏海洋工程设施，影响施工安全。 3)潮沙 潮沙是海水受日、月引潮力作用而产生的周期性上升和下降运动。它在垂直方向上表现为潮位升降现象，在水平方向上表现为潮流的进退涨落现象。主要是由于天体对地球表面海水的引力作用产生的，这种引力主要来自月球和太阳。如果在海边观察数小时，就能看到海面有周期性的升降变化，这就是潮涉的表现形式。与海浪不同，潮涉不是由近处的风引起，而是由遥远的天体所引起的，根据牛顿万有引力定律，任意天体之间存在引力，引力大小与距离平方成反比。海洋是一个庞大的水体，不同地方的海水与月球、太阳等天体的距离不同，受到的引力也不同，这就造成引力分布不均，从而引起海水受力不平衡，产生海面升降变化。 海水面上升到*高时，称为高潮；海水面降低到*低时，称为低潮。高潮发生时刻每天推迟的时间间隔，称为高潮间隙，每天推迟约50min.高潮和低潮之差称为潮差。潮差与月球运动有关，与月球距地球的远近有关。新月和满月时潮差*大，形成大潮；上弦和下弦时潮差*小，形成小潮。 同一天中，相邻两次高潮(或低潮)的高度不相等，或相邻两次高潮（或低潮）的时间间隔不一样的现象，称作回潮不等现象，主要是由于半日潮和全回潮相叠加而引起的。所谓半日潮是指一天两次高潮和两次低潮的潮沙；所谓全回潮是指一天一次高潮和一次低潮的潮涉，月球在赤道附近时回潮不等小，离赤道较远时回潮不等大。 潮沙除了引起海面的潮起潮落，还通过波动的形式向周围海区传播，这种波动称为潮波。潮波通常与海浪叠加在一起，需要通过计算才能将其区分开来。我国近海大陆架宽广，局部地区的天体引潮力引起的潮沙分量较小。 水深测量中通常要同时进行潮位观测，并对观测数据进行处理，剔除潮涉的影响。潮沙观